Lernen im Schlaf - Neuropsychologische und neurophysiologische Mechanismen

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1 Lernen im Schlaf - Neuropsychologische und neurophysiologische Mechanismen Jan Born Christian Benedikt, Stoyan Dimitrov, Spyridos Drosopoulos, Horst L. Fehm, Stephan Fischer, Steffen Gais, Manfred Hallschmid, Rosi Krug, Tanja Lange, Lisa Marshall, Matthias Mölle, Christiane Otten, Anja Otterbein, Björn Rasch, Ullrich Wagner Institut für Neuroendokrinologie, Universität Lübeck

2 Im Schlaf werden Informationen zielgerichtet verarbeitet.. pg/ml ACTH Weckung Awakening * ** * Short Surprise Erwartung Überraschung p.m Zeit Time a.m. Born et al., 1999, Nature

3 Gedächtnis Lernen Konsolidieren Abrufen TL 99

4 Aufgaben Deklaratives Gedächtnis Prozedurales Gedächtnis Wortpaar-Assoziationen Spiegelzeichnen Kleidung Hut Flut Meer räumliche Landkarten Geschichten, Texte... Wortstamm- Priming visuelle Texturdiskrimination Hippocampus motorische Sequenzen...

5 Prozeduraler Leistungszuwachs durch Behaltensschlaf nach dem Lernen Leistung Leistungszuwachs 10 Lernen Schlaf Abruf

6 Visuelle Texturdiskriminationsaufgabe -50 Diskriminationsschwelle [ms] ** ** ** 30 Schlaf l 3h Schlaf l 8h Wach k Wach k (Tags) (Nachts) Gais et al., 2000, Nature Neuroscience

7 Hirnaktivität beim Fingersequenz-Tapping Lernen Abruf Schlaf > Wach Schlaf < Wach Schlaf > Wach Schlaf < Wach Abnahme der Aktivität Zunahme der Aktivität y=12 prämotor. Kortex Präfrontalkortex (BA 9) anteriorer Kortex cinguli x=36 z=40 primärer somatosensorischer Kortex 6 y=40 x= y=34 z=22 0 primärer Motorkortex Fischer et al. 2005, J Neurosci

8 Number Reduction Aufgabe Response Antwort Lösung Final Solution Response Antwort Response Antwort 33 Lösung Final Solution Lösung Antwort Response Blöcke SCHLAF 23:00-7:00 h 10 Blöcke Final Solution Lösung Final Solution % Percentage of subjects gaining insight % Subjects Gaining Insight Problemlöser in Prozent p=0.014 p= Blöcke 3 Blöcke WACH 23:00-7:00 h WACH 11:00-19:00 h 10 Blöcke 10 Blöcke Wach Wach Schlaf nach nach Wake-Day (Nacht) Wake-Night (Tag) Sleep After Schlaf Sleep After Wach Wake Wagner et al. 2004, Nature

9 Number Reduction Aufgabe Response Antwort Lösung Final Solution Response Antwort Fazit: Response Antwort 33 Lösung Final Solution Lösung Blöcke SCHLAF 23:00-7:00 h 10 Blöcke Final Solution % Subjects Gaining Insight Antwort Response Gedächtnisbildung im Schlaf ist ein aktiver Prozess, bei dem es zu einer 50 Final Lösung Solution Percentage of subjects gaining insight Problemlöser in Prozent % 70 p=0.014 p= Reorganisation der frisch enkodierten Gedächtnisrepräsentationen kommt. 3 Blöcke 3 Blöcke WACH 23:00-7:00 h WACH 11:00-19:00 h 10 Blöcke 10 Blöcke Wach Wach Schlaf nach nach Wake-Day (Nacht) Wake-Night (Tag) Sleep After Schlaf Sleep After Wach Wake Wagner et al. 2004, Nature

10 Gesamter Schlaf W REM S1 S2 S3 S4 M Früher Schlaf Später Schlaf W Lern Abruf REM S1 S2 Lern Abruf Li aus Wecken S3 S4 Li aus Wecken W REM S1 S2 S3 S4 M M time Lernen Konsolidieren Abrufen TL 99

11 Gedächtnisbildung im Schlaf hängt von der Art des Gedächtnissystems ab. Hippocampal vermitteltes deklaratives Gedächtnis profitiert insbesondere von Deltaschlaf-reichem Schlaf im frühen nächtlichen Schlaf. Nicht hippocampal vermitteltes prozedurales und emotionales Gedächtnis profitiert insbesondere von REM-Schlaf-reichem Schlaf im späten nächtlichen Schlaf. Born et al. 2006, Neuroscientist

12 Reaktivierung neuronaler Netzwerke während des Schlafs nach dem Lernen Kontrollsituation Lernen Deltaschlaf Hohe Korrelationen Wilson & McNaughton 1994, Science

13 Reaktivierungsmodell der Gedächtnisbildung im Schlaf + Slow oscillation - Spindel Ca 2+ CaMKII NMDA-R AMPA-R LTP Neocortex Hippocampus - Acetylcholin, Cortisol, etc. Sharp wave/ripple Gedächtnis-Reaktivierung

14 Spindle Activity after Learning Sleep EEG Sleep spindle density [(30s) -1 ] 4 3 ** * * Learning Non-Learning Slow Oscillation Sleep cycle [90 min] sec Spindle Activity Amplitude [µv] Spindle Amplitude during Slow Oscillation (Fz) Learning Non-Learning 1 p<0.01 p< sec Daten aus Gais et al. 2002, J Neurosci; Mölle et al. 2002, J Neurosci

15 Slow Oscillations synchronisieren thalamische and hippocampale Inputs zum Neocortex Slow oscillation Neocortex Spindel Thalamus Hippocampus Gedächtnis-Reaktivierung (sharp-wave/ripples) LC burst -Aktivität L. coeruleus?

16 Stimulation mit langsam oszillierenden (0.75 Hz) Potentialen Marshall et al. 2006, Nature

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