Vorlesung Einführung in die Biopsychologie

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1 Vorlesung Einführung in die Biopsychologie Kapitel 14: Schlaf, Traum & circadiane Rhythmen SoSe 2018 Prof. Dr. Udo Rudolph in Vertretung: Dr. Nadine Tscharaktschiew Technische Universität Chemnitz, Germany

2 Übersicht: 1. Physiologie und Verhalten während des Schlafs 2. REM-Schlaf und Traum 3. Theorien des Schlafs: Restaurative vs. Circadiane Theorien 4. Circadiane Schlafzyklen 5. Auswirkungen des Schlafentzugs 6. Neuronale Grundlagen des Schlafs 7. [ Schlaf und Gedächtnis ] 2

3 Allgemeine Überlegungen: Wie viel Schlaf braucht der Mensch? Durchschnittliche Schlafdauer in Deutschland (an Werktagen) Stunden Quelle: SOEP das Sozio-ökonomische Panel 2013 (N = ) 3

4 Allgemeine Überlegungen: Wie viel Schlaf braucht der Mensch? Durchschnittliche Schlafdauer in Deutschland (an Wochenenden) Stunden Quelle: SOEP das Sozio-ökonomische Panel 2013 (N = ) 4

5 Allgemeine Überlegungen: Wie viel Schlaf braucht der Mensch? Antwort 1: pro Leben Stunden Antwort 2: in 10 Jahren können Sie mehr als wache Stunden gewinnen, wenn Sie sich auf 5 Stunden Schlaf je Nacht beschränken Antwort 3: und das ist sehr wohl ohne Schaden für die Gesundheit möglich? 5

6 1 Physiologie & Verhalten während des Schlafs Physiologie: Was können wir während des Schlafs MESSEN? EEG Gehirnaktivität (Elektroencephalogramm) EOG Augenbewegungen (Elektrookulogramm) EMG Muskelkontraktionen (Elektromyogramm) 6

7 1 Physiologie & Verhalten während des Schlafs Versuchsperson in einem Schlafexperiment typischer Weise braucht es mindestens eine Adaptionsnacht, um zuverlässige Messungen erzielen zu können (= Polysomnografie, s.a. nächste Folie). 7

8 1 Physiologie & Verhalten während des Schlafs Versuchsperson in einem Schlafexperiment ambulante Messmethoden (z.b. Somnoscreen, Somnowatch ) Schlafprofil Aktographie EKG Respiration / Schnarchen 8

9 1 Physiologie & Verhalten während des Schlafs 1. Aktiver Wachzustand: ca Hertz, hohe Frequenz, geringe Amplitude 0 10 sec 9

10 1 Physiologie & Verhalten während des Schlafs 2. Kurz vor dem Einschlafen: Alphawellen zwischen 8 und 12 Hertz, hohe Frequenz, geringe Amplitude 0 10 sec 10

11 1 Physiologie & Verhalten während des Schlafs 3. Schlafstadium 1: hohe Frequenz, geringe Amplitude, insgesamt langsamer als im Wachzustand im Laufe der Nacht REM-Phasen (Rapid-Eye-Movements) und Muskeltonusverlust sec 11

12 1 Physiologie & Verhalten während des Schlafs 4. Schlafstadium 2: Amplitude insgesamt etwas höher als in Stadium 1 Schlafspindeln K-Komplexe Dauer 1-2 Sekunden, Frequenz Hertz Starke negative und positive Ausschläge 0 10 sec 12

13 1 Physiologie & Verhalten während des Schlafs 5. Schlafstadium 3: Delta-Wellen zwischen 1 und 2 Hertz, die gelegentlich auftreten 0 10 sec 13

14 1 Physiologie & Verhalten während des Schlafs 6. Schlafstadium 4: Deltawellen zwischen 1 und 2 Hertz, hohe Amplitude, geringe Frequenz, Tiefschlaf sec 14

15 - Übersicht Schlafstadien Teil 1 15

16 - Übersicht Schlafstadien Teil 2 Verlauf der Schlafstadien im Laufe der Nacht: Anteil % Gesamtschlaf 5 % 5-10 / % 50 % 20 % 16

17 2 REM-Schlaf & Traum REM-Schlaf und Traum: 1. Kleitmann (1953): 80 % der Probanden, die in REM-Phasen geweckt werden, berichten über Träume / Trauminhalte. 2. Verarbeitung externer Reize im Traum? 3. Traumzeit versus Echtzeit? 4. Lustvolle Trauminhalte physiologische Reaktionen? 5. Schlafwandeln in REM-Phasen? 6. Was sind luzide Träume? 17

18 3 Restaurative vs. Circadiane Theorien Warum schlafen wir? Schlaf gibt es bei allen Säugetieren und unterliegt dort meist sehr ähnlichen Mustern wie beim Menschen selbst Fische, Amphibien und Reptilien zeigen schlafähnliche Zustände. Es gibt 2 Theorien über den Schlaf und seinen Zweck: 1. Restaurative Theorien (= regenerative Theorien) 2. Circadiane Theorien (= adaptive Theorien) 18

19 3 Restaurative vs. Circadiane Theorien Restaurative Theorien: Wachzustand stört das homöostatische Gleichgewicht Schlaf dient dazu, diese Homöostase wieder Herzustellen Schlaf restauriert unsere Energie und das innere Gleichgewicht Circadiane Theorien: Neuronaler Mechanismus zur Sicherung des Überlebens Evolutionärer Ursprung Schonender Umgang mit Ressourcen Schutz vor natürlichen Feinden Innere biologische Uhr 19

20 3 Restaurative vs. Circadiane Theorien Was jede Schlaftheorie erklären muss: Artspezifische Schlafdauer pro Tag Beispiele: Riesenfaultier 20 Stunden Katze Stunden Mensch 6 9 Stunden Elefant 3 Stunden Pferd 2 Stunden 20

21 3 Restaurative vs. Circadiane Theorien Was jede Schlaftheorie erklären muss: Anteile verschiedener Schlafstadien über die Lebensspanne 21

22 4 Circadiane Schlafzyklen Befunde zu circadianen Schlafrhythmen: Menschen haben offenbar eine innere Uhr, deren Dauer ungefähr einen Tag ( circa-dian ) umfasst. Alle physiologischen und biochemischen Prozesse haben eine Rhythmik, die vom Wechsel der Helligkeit und manchmal auch vom Wechsel der Jahreszeiten betroffen sind. Viele dieser Rhythmen sind circadian, manche haben auch andere Zeitverläufe. Hinweisreize aus der Umgebung, die über den Tagesverlauf informieren, nennt man Zeitgeber. 22

23 4 Circadiane Schlafzyklen Befunde zu circadianen Schlafrhythmen: Experimenteller Befund 1: Bei Vorgabe künstlicher Hell-Dunkelperioden (zum Beispiel 11,5 Stunden Helligkeit, 11,5 Stunden Dunkelheit) reguliert sich der circadiane Rhythmus auf diesen 23-Stunden-Rhythmus. Experimenteller Befund 2: Wenn keinerlei Vorgabe von Zeitgebern erfolgt, resultieren freilaufende Schlaf-Wach-Zyklen, die sich auf etwa 25 Stunden einpendeln. 23

24 4 Circadiane Schlafzyklen Auswirkungen eines 24-Stunden-Schlafentzugs auf die freilaufenden circadianen Rhythmen eines Versuchstiers: 24

25 4 Circadiane Schlafzyklen Beispiel: Freilaufender circadianer 25,3 Stunden-Rhythmus eines menschlichen Probanden in den so genannten Andechser Versuchen : 25

26 4 Circadiane Schlafzyklen Befunde, die gegen die restaurativen Schlaftheorien sprechen: Existenz von freilaufenden Rhythmen, die auch ohne externe Zeitgeber wirksam sind. Unabhängigkeit der freilaufenden Rhythmen von den jeweiligen Beanspruchungen im Wachzustand. Es existiert eine negative Korrelation zwischen Wachund Schlafphasen: Je länger wir wach sind, desto weniger schlafen wir! 26

27 4 Circadiane Schlafzyklen Implikationen für die Anwendung: 1. Schichtarbeit Frage: Was ist schwieriger 4 Stunden eher schlafen gehen oder 4 Stunden später schlafen gehen? 2. Jetlag Frage: Welche Situation ist schwieriger ein Flug von Dresden nach San Francisco, oder ein Flug von San Francisco nach Dresden? 27

28 4 Circadiane Schlafzyklen Beispiel Hamster: Phasenvorverlagerung (künstlich erzeugt) OHNE zusätzliche Aktivität. 28

29 4 Circadiane Schlafzyklen Beispiel Hamster: Phasenvorverlagerung (künstlich erzeugt) MIT zusätzlicher Aktivität. 29

30 4 Circadiane Schlafzyklen Beispiele für weitere circadiane Rhythmen: Körpertemperatur Wachstumshormone Stresshormone Melatonin (Müller & Paterok, 2010; Schandry, 2006) 30

31 4 Circadiane Schlafzyklen Vorschlag zur Synthese von restaurativen und circadianen Erklärungen des Schlafs: A. Restauratives Schlafbedürfnis, B. Circadianes Schlafbedürfnis, C. Kombination beider Faktoren. 31

32 5 Auswirkungen des Schlafentzugs Schlafentzug: Experimente von Kleitman (1963) und Gardner (1978; Fallstudie). Paradigmen: Partielle Deprivation Kurzzeitige vollständige Deprivation Langzeitige vollständige Deprivation Schlafdeprivation führt dazu, dass der vermisste Schlaf nur in geringem Maße nachgeholt wird. REM-Schlafentzug hat unklare Konsequenzen: es gibt einen eigenen REM-Schlaf-Regulator, aber im Zweifelsfalle genießt der Tiefschlaf den Vorzug. 32

33 5 Auswirkungen des Schlafentzugs Schlafentzug bei Versuchstieren: Joch-Kontroll-Paradigma ( Yoked Design ) Befund: Bei Versuchstieren kann Schlafentzug schon bald tödlich wirken. 33

34 5 Auswirkungen des Schlafentzugs Ergebnisse des Selbstexperiments von Pinel zur Schlafreduktion: 34

35 5 Auswirkungen des Schlafentzugs Auswirkungen von Schlafentzug (Pinel): verstärkte Müdigkeit, negativer Affekt, kognitive Beeinträchtigung (vor allem bei monotonen Tätigkeiten) auch Beeinträchtigung bei komplexen Tätigkeiten (Tests zu Exekutivfunktionen z.b. Anpassen von Strategien an neue Infos, innovatives Denken) Weltrekord im Schlafentzug: 11 Tage Mikroschlaf nach 2-3 Tagen andere Untersuchungen (z.b. Borbély, 1998): ab der 3. Nacht visuelle Wahrnehmungsstörungen, illusionäre Verkennungen, Halluzinationen ab der 4. Nacht Wahnideen (misstrauisch), Depersonalisationserscheinungen; Schlafentzugspsychose Schlafentzug als Foltermethode Schlaf und Demenz... (s. nächste Folie) 35

36 5 Auswirkungen des Schlafentzugs Schlaf & Demenz: Schlafmangel / Insomnie als Risikofaktor für Demenz (z.b. de Almondes et al., 2016) Brain Drain (Nedergaard & Goldman, 2016) nächtliche Gehirnwäsche Entsorgung von Schadstoffen (z.b. Amyloid-Beta) während des Schlafs Glymphatisches System: Abtransport dieser Stoffe in den Blutkreislauf (und später Entsorgung über Leber und Niere) angetrieben durch Astrozyten, die über spezielle Kanäle Liquor in Blutgefäße des Gehirns pumpen Zusammenhang zu Alzheimer (und weiteren neurodegenerativen und psychischen Erkrankungen u.a.) 36

37 5 Auswirkungen des Schlafentzugs Experiment zum REM-Schlaf-Entzug: Wie oft muss ein Proband geweckt werden, um REM-Schlaf zu unterbinden? 37

38 5 Auswirkungen des Schlafentzugs Experiment zum REM-Schlaf-Entzug: Wie viel REM-Schlaf zeigt ein Proband normalerweise und wie viel REM- Schlaf folgt einem gezielten Entzug desselben? 38

39 6 Neuronale Grundlagen des Schlafs Neuronale Grundlagen des Schlafs: 1. Bremer (1937, 1937): Abnahme des sensorischen Inputs seitens der Formatio reticularis ist für Schlaf verantwortlich. 2. Katzen wachen aus dem Schlaf auf, wenn die Formatio reticularis (RAS) stimuliert wird. 3. Geringe Aktivität im RAS führt zu Schlaf, hohe Aktivität zu Wachheit. 4. Schlaf bedeutet nicht neuronale Ruhe. 5. Entdeckung Schlaf-fördernder Schaltkreise im Gehirn: Die Stimulierung bestimmter Areale löst Schlaf aus (s.a. Narkolepsie). 39

40 6 Neuronale Grundlagen des Schlafs zwei Bereiche des Gehirns, die für den Schlaf wichtig sind: basales Vorderhirn (antereriorer Hypothalmus): Schlaf Mittelhirn (posteriorer Hypothalamus): Wachheit) 40

41 6 Neuronale Grundlagen des Schlafs Vier Befunde, die für die Beteiligung des retikulären Aktivierungssystems am Schlaf sprechen 41

42 6 Neuronale Grundlagen des Schlafs Bereiche, die verschiedene Charakteristika des REM-Schlafs kontrollieren: Caudale Formatio Reticularis 42

43 6 Neuronale Grundlagen des Schlafs Grundlagen des Schlaf- Wachrhythmus: Visuelles System und Schlaf-Wach-Rhythmus: Tractus opticus Chiasma opticum Nucleus suprachiasmaticus ( innere Uhr ) Nervus opticus 43

44 6 Neuronale Grundlagen des Schlafs Grundlagen des Schlaf-Wachrhythmus: Zur Lage der Epiphyse (Melatoninproduktion) 44

45 6 Neuronale Grundlagen des Schlafs Grundlagen des Schlaf-Wachrhythmus: 1. Visuelles System Chiasma Opticum 2. Genetische Einflüsse CLOCK-Gen Nucleus Suprachiasmaticus (SCN) Retinohypothalamatische Bahn 3. Epiphyse Melatonin (ein Hormon, das aus Serotonin synthetisiert wird) Bei Vögeln, Reptilien, Amphibien und Fischen Zeitgeber für circadiane wie jahreszeitliche Rhythmen. Auch beim Menschen Einfluss auf den circadianen Rhythmus (s.a. therapeutisches Potential des exogenen Melatonins). 45

46 6 Neuronale Grundlagen des Schlafs: Zusammenfassung Nucleus suprachiasmaticus Epiphyse Basales Vorderhirn: Schlaf (anter. Hypothalamus) Raphé-Kerne Locus coereleus Chiasma Opticum Mittelhirn: Wachheit (post. Hypothalamus) Caudale FR Pons (Brücke) 46

47 7 Schlaf & Gedächtnis Schlafstadien und Gedächtnis: deklarative vs. prozedurale Gedächtnisinhalte (Plihal & Born, 1997) partieller Schlafentzug des Tief- vs. REM-Schlafs 47

48 7 Schlaf & Gedächtnis Schlaf und Gedächtnis (Plihal & Born, 1997; Marshall, Helgadóttir, Mölle, & Born, 2006 ) 1. Gedächtnisbildung im Schlaf ist abhängig von der Art des Gedächtnissystems. 2. Hippocampal vermitteltes deklaratives Gedächtnis profitiert insbesondere von Deltaschlaf-reichen Schlaf im frühen nächtlichem Schlaf. 3. Nicht hippocampal vermitteltes prozedurales (und emotionales) Gedächtnis profitiert insbesondere von REM-Schlaf-reichem spätem nächtlichem Schlaf. 4. Zusätzlich während der Tiefschlafphasen erzeugte langsame Gehirnwellen verbessern Erinnerung an deklarative Gedächtnisinhalte (Marshall et al., 2006). 48

49 zusätzliche Quellen: Borbély, A. (1998). Das Geheimnis des Schlafs: neue Wege und Erkenntnisse der Forschung Ausgabe für das Internet. Online verfügbar unter [ ] de Almondes, K. M., Costa, M. V., Malloy-Diniz, L. F., & Diniz, B. S. (2016). Insomnia and risk of dementia in older adults: Systematic review and meta-analysis. Journal Of Psychiatric Research, 77, doi: /j.jpsychires Marshall, L., Helgadóttir, H., Mölle, M. & Born, J. (2006). Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature, 444, Müller, T. & Paterok, B. (2010). Schlaftraining - ein Therapiemanual zur Behandlung von Schlafstörungen. Göttingen: Hogrefe. Nedergaard, M., & Goldman, S. A. (2016). BRAIN DRAIN. Scientific American, 314(3), Plihal, W. & Born, J. (1997). Effects of Early and Late Nocturnal Sleep on Declarative and Procedural Memory. Journal of Cognitive Neuroscience, 9(4), Schandry, R. (2006). Biologische Psychologie. Weinheim: Beltz Psychologie Verlags Union -- DIW Berlin. (n.d.). Wie viele Stunden schlafen Sie nachts an einem normalen Werktag?. In Statista - Das Statistik-Portal. Zugriff am 6. Juni 2018, von daten/studie/179970/umfrage/schlafen-schlafdauer-an-einem-normalen-werktag/. DIW Berlin. (n.d.). Wie viele Stunden schlafen Sie nachts am Wochenende?. In Statista - Das Statistik-Portal. Zugriff am 6. Juni 2018, von daten/studie/179971/umfrage/schlafen-schlafdauer-am-wochenende/. 49