Der Einfluss von partiellem Schlafentzug auf kognitive Funktionen und Schlafparameter bei Jugendlichen Eine kontrollierte Studie

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1 Aus der Universitätsklinik für Psychiatrie und Psychosomatik Abteilung für Psychiatrie und Psychotherapie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau Der Einfluss von partiellem Schlafentzug auf kognitive Funktionen und Schlafparameter bei Jugendlichen Eine kontrollierte Studie I N A U G U R A L D I S S E R T A T I O N zur Erlangung des Medizinischen Doktorgrades der Medizinischen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau Vorgelegt 2008 von Nora Matthaeas geboren in Hamburg

2 Dekan: Prof. Dr. Christoph Peters 1. Gutachter: Prof. Dr. Ulrich Voderholzer 2. Gutachter: PD Dr. Hans-Willi Clement Jahr der Promotion: 2009

3 Gebt den Leuten mehr Schlaf - und sie werden wacher sein, wenn sie wach sind. Kurt Tucholsky

4 INHALT 1. EINLEITUNG 6 2. THEORETISCHER HINTERGRUND LERNEN UND GEDÄCHTNIS ALLGEMEINES NEUROANATOMISCHE GRUNDLAGEN SCHLAF ALLGEMEINES SCHLAFSTADIEN SCHLAF-WACHRHYTHMUS ENTWICKLUNG DES SCHLAFVERHALTENS BESONDERHEITEN DES SCHLAFS BEI KINDERN UND JUGENDLICHEN SCHLAF, LERNEN UND GEDÄCHTNIS HERLEITUNG DER FRAGESTELLUNG STUDIENTEILNEHMER UND METHODIK STUDIENTEILNEHMER ALLGEMEINES EIN- UND AUSSCHLUSSKRITERIEN MATERIAL UND METHODEN STUDIENDESIGN POLYSOMNOGRAPHIE MESSPARAMETER - BLUT- UND SPEICHELPROBEN AKTOMETER NEUROPSYCHOLOGISCHE TESTBATTERIE VERBALES LERNEN UND GEDÄCHTNIS VISUELLES LERNEN UND GEDÄCHTNIS EXEKUTIVE LEISTUNGEN KONZENTRATION UND AUFMERKSAMKEIT STATISTISCHE AUSWERTUNG ERGEBNISSE NEUROPSYCHOLOGISCHE UNTERSUCHUNGEN DER GEDÄCHTNISLEISTUNG SCHLAFPARAMETER KORRELATION ZWISCHEN GEDÄCHTNISLEISTUNG UND SCHLAFPARAMETERN DISKUSSION ZUSAMMENFASSUNG LITERATURVERZEICHNIS LEBENSLAUF

5 9. DANK ANHANG ABKÜRZUNGEN VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN UND TABELLEN NEUROSPSYCHOLOGISCHE TESTBATTERIE ORGANISATORISCHES

6 EINLEITUNG 6 1. EINLEITUNG Der menschliche Schlaf ist voller Geheimnisse und fasziniert Laien und Wissenschaftler gleichermaßen. Dies spiegelt sich in zahlreichen Studien wider, die versuchen, die Mechanismen des Schlafs zu ergründen. Viele dieser Studien beziehen sich auf Erwachsene, über Jugendliche ist noch sehr wenig bekannt. Carskadon zeigte 1990, dass sich in der Pubertät der Schlaf-Wach-Rhythmus verändert und daraus bei einigen Jugendlichen ein chronischer Schlafmangelzustand resultiert. Welchen Einfluss hat dies auf die alltägliche Lernleistung bei Jugendlichen? Lassen sich möglicherweise Bildungsdefizite von Jugendlichen mit Schlafmangel erklären? Um dieser Frage nachzugehen, wurden die Folgen von partiellem Schlafentzug bei Jugendlichen unter standardisierten Bedingungen erforscht. Das Projekt wurde von drei Doktoranden durchgeführt, die drei unterschiedlichen Fragestellungen nachgegangen sind: Einfluss des Schlafverhaltens Jugendlicher auf 1. die kognitive Leistungsfähigkeit mit Betrachtung der Schlafparameter (diese Arbeit). 2. Aufmerksamkeit, Konzentration und Exekutivfunktionen, Veränderungen der Schlafstadien. 3. den Hormonhaushalt (Cortisol, Interleukin-6, Leptin). Zum besseren Verständnis wird zunächst das vollständige Studiendesign vorgestellt. Für die Ergebnisse von Teil 2 und 3 verweise ich auf die Arbeiten meiner Mitdoktoranden Eva Hatami und Eike Piechowiak. Ausgangspunkt für diesen Teil der Studie war die Feststellung, dass die Pubertät eine wichtige Rolle in der intellektuellen Entwicklung spielt und damit verbunden auch für die weitere Ausbildung und Berufsfindung von Jugendlichen. Wie unterscheidet sich der Schlaf von Jugendlichen von dem von Erwachsenen? Wie variieren die Schlafmuster von Jugendlichen in Nächten nach Schlafentzug im Vergleich zu Nächten mit viel Schlaf? Und wie gut lernen sie, wenn sie wenig schlafen? - 6 -

7 THEORETISCHER HINTERGRUND 7 2. THEORETISCHER HINTERGRUND 2.1. LERNEN UND GEDÄCHTNIS ALLGEMEINES Eine der wichtigsten kognitiven Leistungen des Menschen ist die Fähigkeit zum Bilden eines Gedächtnisses. Nur dadurch wird es möglich Zusammenhänge zwischen Ereignissen herzustellen, die zeitlich getrennt sind, und zwischen Vergangenheit und Gegenwart zu unterscheiden. Ohne ein Gedächtnis würde die Kontinuität fehlen, das Ausbilden einer kontinuierlichen Persönlichkeit wäre unmöglich. Das Gedächtnis dient dazu, Informationen aufzunehmen, zu verarbeiten, zu ordnen und wieder abzurufen. Es ermöglicht sowohl Wissenserwerb als auch das Erlernen von Fertigkeiten und das Automatisieren von Handlungen. Verschiedene Lernprozesse spielen dabei eine wichtige Rolle, viele laufen unbewusst ab, einige bewusst. Mit dem Lernen verändert sich das neuronale Netzwerk der zugrunde liegenden Strukturen im Gehirn, Synapsen bilden oder verstärken sich. Diese Plastizität des Gehirns lässt sich in zahlreichen Studien nachweisen, von denen einige hier im Abschnitt beschrieben werden. Das Gedächtnis lässt sich zeitlich und inhaltlich differenzieren. Schon früh wurde zwischen dem Kurzzeitgedächtnis und dem Langzeitgedächtnis bzw. das primäre vom sekundären Gedächtnis unterschieden (Ebbinghaus, 1885; James, 1890). Im Laufe der Zeit haben sich die Definitionen verändert und die folgende zeitliche Einteilung orientiert sich an der Arbeit von Atkinson und Shiffrin von Dieses Mehr-Speicher- Modell beinhaltet eine serielle Informationsverarbeitung, wobei die Informationen im sensorischen Register (Ultrakurzzeitgedächtnis) aufgenommen, in das Kurzeit- oder auch Arbeitsgedächtnis transferiert werden und schließlich im Langzeitgedächtnis gespeichert werden (Atkinson et al., 1968; Markowitsch, 1999). Bei diesem Modell werden im sensorischen Register Umweltreize identifiziert, kurz gehalten und so für eine weitere Verarbeitung zugänglich gemacht. In dem System des Ultrakurzzeitgedächtnisses werden die Reize nur für wenige Zehntelsekunden (visuelle Modalität) bis hin zu wenigen Sekunden (auditive Modalität) gespeichert (Darwin, 1972). Dieses sensorische Register ist für jede Sinnesmodalität spezifisch. Steuerbare Prozesse von Aufmerksamkeit und Bewusstsein spielen keine Rolle bei der Aufnahme in dieses Register, allerdings beeinflussen sie, welche Informationen in das Arbeitsgedächtnis gelangen

8 THEORETISCHER HINTERGRUND 8 Auf das Individuum einwirkende Umweltreize SENSORISCHE REGISTER visuell - olfaktorisch - auditiv - gustatorisch - haptisch KURZZEITSPEICHER Arbeitsgedächtnis wichtig für Reizwiederholung Einspeicherung Entscheidungen Abrufstrategien Antwort Abruf Informationswiedergabe LANGZEITSPEICHER Abbildung 1: Mehr-Speicher-Modell des Gedächtnisses (modifiziert nach Markowitsch, 1999) Die Weiterverarbeitung der Informationen erfolgt im Kurzzeit- oder auch Arbeitsgedächtnis, dort werden die Informationen über Minuten gespeichert, und es erfolgt die bewusste Informationsverarbeitung. Eine begrenzte Anzahl an Reizen wird zur längerfristigen Speicherung in das Langzeitgedächtnis überführt. Das Kurzzeitgedächtnis verfügt nur über eine kleine Merkspanne. Miller ging 1956 davon aus, dass etwa sieben ± zwei Informationseinheiten wie Ziffern aufgenommen und verarbeitet werden, mit Training konnte die Größe der einzelnen Einheiten erhöht werden (Miller, 1956) präsentierten Baddeley und Hitch die Idee des Arbeitsgedächtnisses als Ersatz des Kurzzeitgedächtnisses. Unter dem Arbeitsgedächtnis versteht man demnach nicht mehr nur das Behalten von Informationen, sondern auch die Weiterverarbeitung und Manipulation von diesen Informationen in einem bestimmten Zeitraum. In der Forschung wird das Arbeitsgedächtnis häufig mit Hilfe von Kopfrechenaufgaben oder rückwärts wiedergegebenen Zahlenreihen beobachtet. Des Weiteren können im Arbeitsgedächtnis neue Informationen mit alten Informationen aus dem Langzeitgedächtnis abgeglichen und verknüpft werden. Das Arbeitsgedächtnis beinhaltet vier Subsysteme: die phonologische Schleife, den visuell-räumlichen Notizblock, den episodischen Puffer und die zentrale Exekutive (Baddeley et al., 1974 und 2001). Die Begriffe Kurzzeit- und Arbeitsgedächtnis werden derzeit noch häufig synonym verwendet. Im Langzeitgedächtnis werden Informationen über Tage bis Jahre gespeichert. Dies sind Informationen, die zeitlich und inhaltlich die Kapazität des Arbeitsgedächtnisses überschreiten. Einige Theorien gehen davon aus, dass die Kapazität des Langzeitgedächtnisses praktisch unbegrenzt sei. Vergessen von Wissen geschehe demzufolge nicht aufgrund von Kapazitätsproblemen, sondern zum Schutz des Individuums vor zu viel Wissen. Dieses Vergessen beruhe weniger auf einem Verlust von Wissen als viel - 8 -

9 THEORETISCHER HINTERGRUND 9 mehr auf Interferenz mit anderen früher oder später gelernten Inhalten. Dagegen wird beim Arbeitsgedächtnis davon ausgegangen, dass die Information an sich einfach verloren geht. Zu unterscheiden sind vier wichtige Prozesse, die beim Langzeitgedächtnis eine Rolle spielen: - Enkodierung: Lernen bzw. Speichern von Informationen - Konsolidierung: Behalten von wichtigen Informationen - Reproduktion: Erinnern oder Rekonstruieren von Gedächtnisinhalten - Vergessen: Informationsverlust durch Interferenz oder Zerfall von Gedächtnisinhalten Lernen ist nicht gleich Lernen. Das Langzeitgedächtnis lässt sich in zwei große inhaltliche Systeme unterteilen, das deklarative, explizite Gedächtnis und das non-deklarative, prozedurale Gedächtnis. Im deklarativen Gedächtnis werden Fakten und Ereignisse gespeichert. Gehören diese Informationen zur persönlichen Biographie, spricht man vom episodischen Gedächtnis, mit dem häufig Emotionen verbunden sind. Dem gegenüber steht das semantische Gedächtnis. Es beinhaltet das sogenannte Weltwissen, also berufliche Kenntnisse, geschichtliche Daten, Fakten zu Politik, Vokabeln und ähnliches. Explizites, bewusstes Lernen ergänzt das deklarative, insbesondere das semantische Gedächtnis. Die im semantischen und episodischen Gedächtnis gespeicherten Informationen können bewusst (explizit) wiedergegeben werden. Unter non-deklarativem oder auch implizitem Lernen versteht man hingegen einen eher unbewussten Lernvorgang. Ein wichtiger Teil des impliziten Gedächtnisses beinhaltet Fertigkeiten und Gewohnheiten und wird auch prozedurales Gedächtnis genannt. In ihm werden Fertigkeiten automatisiert, so dass sie ohne nachzudenken durchgeführt werden können, wie beispielsweise viele motorische Abläufe von Laufen, Treppensteigen über Fahrradfahren bis hin zu noch komplexeren Tätigkeiten (Musikinstrumente). Weitere implizite Gedächtnisformen umfassen zum Beispiel das Priming. Priming bezeichnet unbewusste Wahrnehmung von Sinnesreizen, auch wenn sie nur sehr kurz angeboten werden. Selbst wenn sie nicht das Bewusstsein erreichen, werden sie kognitiv verarbeitet und beeinflussen das weitere Handeln. Des Weiteren sind Konditionierung und Erwartungen mit dem impliziten Gedächtnis verbunden (Squire et al., 1996)

10 THEORETISCHER HINTERGRUND 10 Langzeitgedächtnis Deklaratives/Explizites Gedächtnis Nondeklaratives/Implizites Gedächtnis Fakten Ereignisse Medialer Temporallappen Diencephalon Priming Neokortex Nichtassoziatives Lernen Reflexbahnen Klassisches Konditionieren Prozedurale Fertigkeiten/ Gewohnheiten Striatum Emotionen Amygdala Skelettmuskulatur Zerebellum Abbildung 2: Taxonomie des Langzeitgedächtnisses mit spezifischen Hirnstrukturen, die in jedes System involviert sind (modifiziert nach Squire, 2004)

11 THEORETISCHER HINTERGRUND NEUROANATOMISCHE GRUNDLAGEN Neuere Forschungsergebnisse haben den beiden Gedächtnisformen konkrete und unterschiedliche Gehirnregionen zuordnen können. Explizite, deklarative Erinnerungen werden kurzzeitig im präfrontalen Cortex zwischengespeichert (Arbeitsgedächtnis). Mit Hilfe des Hippocampus werden die Inhalte umgewandelt. Anschließend findet die Speicherung in den Cortexarealen statt, die für die beteiligten Sinnesmodalitäten typisch sind, also in denselben Arealen, die ursprünglich die Informationen verarbeitet haben (Zeineh et al., 2003; Takashima et al., 2006). Wegen der moderierenden Rolle des Hippocampus wird das deklarative Gedächtnis auch Hippocampusabhängiges Gedächtnis genannt. Implizite Erinnerungen an Fertigkeiten, Gewohnheiten und Konditionierungen werden unter Einschluss von Kleinhirn, Striatum und Amygdala sowie der für die Ausführung verantwortlichen Hirnareale gespeichert, sind aber Hippocampus-unabhängig (Kandel, 2006). Für die Überführung von neuen, deklarativen Informationen in das Langzeitgedächtnis ist nicht nur der Hippocampus, sondern auch das gesamte limbische System von Bedeutung. Die dem Hippocampus unmittelbar anliegenden Strukturen des medialen Temporallappens wie parahippocampaler, perirhinaler und entorhinaler Cortex spielen eine wichtige Rolle, werden im Folgenden aber meist vereinfachenderweise in dem Begriff Hippocampus mit eingeschlossen, da funktional zwischen diesen Regionen und dem Hippocampus selbst oft nicht unterschieden wird. Entfernt man Patienten beide Hippocampi, so entwickeln sie eine schwere anterograde Amnesie, sie können keine neuen Informationen behalten, wie es bei dem berühmten Patienten H.M. zu verfolgen ist. Mit neun Jahren hatte H.M. einen Fahrradunfall und litt seitdem unter Epilepsie. Die Anfälle nahmen in ihrer Intensität zu, so dass dem Patienten beide Hippocampi entfernt wurden. Die Operation führte zwar zu einem Sistieren der epileptischen Anfälle, jedoch hatte der Patient seitdem einen Gedächtnisausfall. Während das Arbeitsgedächtnis funktionierte, konnte H.M. keine Informationen aus diesem in das Langzeitgedächtnis überführen. Die Erinnerungen an seine Kindheit waren jedoch weitgehend intakt. Das implizite Langzeitgedächtnis schien dennoch durchaus zu funktionieren, was sich im Verhalten und in den Gefühlsreaktionen von H.M widerspiegelte, wie Brenda Milner in ihren Studien zu dem Fall festhielt. So war er durchaus in der Lage, Spiegelschrift neu zu lernen (Prozedurales Gedächtnis). Daraus schließt Kandel, dass der Mensch sehr viele Informationen automatisch und unbewusst speichert und dass dieser Vorgang unabhängig von dem Vorgang der bewussten Erinnerung abläuft (Kandel, 2006). Wie oben erwähnt ist der Hippocampus elementar für das Formen neuer expliziter

12 THEORETISCHER HINTERGRUND 12 Erinnerungen. In den letzten Jahren konnten mit neuen Methoden und Bildgebung viele Erkenntnisse diesbezüglich gewonnen werden (Peigneux et al., 2003; Born et al., 2006). So konnten verschiedene Gedächtnisleistungen unterschiedlichen Bereichen des Hippocampus zugeordnet werden zeigten Zeineh et al. mit Hilfe von fmrt Aktivitätsunterschiede in verschiedenen Teilen des Hippocampus beim Lernen von Gesicht- Namen-Paaren, wobei bestimmte Anteile des Hippocampus und der Gyrus Dentatus während der Enkodierung aktiver als im Ruhezustand waren und eine verminderte Aktivierung zeigten, nachdem die Gesicht-Namen-Paare gelernt worden waren (Zeineh et al., 2003)

13 THEORETISCHER HINTERGRUND SCHLAF ALLGEMEINES Schlaf "Was ist das? Der Mensch wünscht es sich herbei, und wenn er es endlich hat, lernt er es nicht kennen. Leonardo da Vinci Etwa ein Drittel seines Lebens verbringt der Mensch schlafend. Schon seit langem fasziniert das Phänomen Schlaf die Menschheit, und sein evolutionärer Nutzen gibt Rätsel auf. Als Schlaf bezeichnet man einen regelmäßig wiederkehrenden physiologischen Erholungszustand mit Veränderungen der Bewusstseinslagen und Körperfunktionen. Während des Schlafs verlangsamen sich die Herzfrequenz und die Atmung, es sinkt der Blutdruck und auch die Körpertemperatur, die Aktivität des Parasympathikus überwiegt. Die Muskulatur entspannt sich, der Körper wird schlaff, was auch an der Herleitung des Begriffs schlafen deutlich wird. Die Abstammung kommt von dem Gotischen sleps sowie dem Altund Mittelhochdeutschen slaf, was ursprünglich schlapp oder schlaff bedeutet im Sinne einer körperlichen und geistigen erholsamen Erschlaffung (Leutner, 1993). Schlaf ist ein im Tierreich ubiquitär vorkommendes Phänomen und gehört zu den überlebensnotwendigen Bedürfnissen. Auf den ersten Blick fallen viele Nachteile auf, denn während des Schlafs ist jedes Lebewesen erhöhter Gefahr ausgesetzt. Der Angriff von Feinden droht, mit Kampf, Verletzung oder sogar Tod, und der Körper ist gegenüber Hitze und Kälte ungeschützt. Dass sich Schlaf entwicklungsgeschichtlich durchgesetzt hat, weist jedoch darauf hin, dass die Vorteile dieser biologischen Funktion überwiegen (Siegel, 2005). Was genau die Rolle des Schlafs ist, ist bis heute noch nicht endgültig geklärt. Es gibt verschiedene Hypothesen, die versuchen, die Aufgaben des Schlafs zu definieren. Zum einen scheint Schlaf der Regeneration des Körpers zu dienen. So funktionieren bestimmte Körperfunktionen nach Schlaf besser als nach einer langen Wachphase; das Immunsystem und Stoffwechselkreisläufe regenerieren, Wachstumshormone werden im Schlaf vermehrt ausgeschüttet (Bonnet et al., 1985; Cirelli et al., 2002; Toth et al., 2003; Hobson, 2005). Wird diese restaurative Funktion durch Schlafentzug gestört, drohen Funktionseinbußen, im schlimmsten Fall sogar der Tod. Rechtschaffen et al. führten Versuche an Ratten durch. Bei Schlafentzug kam es zu einem Abfall der Körpertemperatur der Tiere, was auf eine Störung der Homöostase hinweist. Des Weiteren führte Schlafdeprivation bei den Ratten zu erhöhter Futteraufnahme, Gewichtsabnahme, erhöhtem Energieverbrauch, Hautläsionen, Störungen in Hormonkreisläufen, Entkräftung und Tod (Rechtschaffen et al., 1989 und 2002). Auch bei jungen Hunden führt ein mehrtägiger Schlafentzug von acht bis zehn Tagen zum Tod, wie Pieron bereits 1913 in einer Studie zeigte (Pieron, 1913)

14 THEORETISCHER HINTERGRUND 14 Bezüglich Schlafdeprivation beim Menschen berichtet Borbély von einem jungen Amerikaner, der Stunden und 12 Minuten freiwillig nicht schlief und damit den Weltrekord im Schlafentzug aufstellte. Während des Experiments zeigte der junge Mann deutliche Effekte wie Konzentrationsschwierigkeiten, Halluzinationen, Kurzzeitgedächtnisstörungen, Paranoia und Verhaltensänderungen (Borbély, 1984) SCHLAFSTADIEN Mit der Entwicklung des Elektroenzephalogramms 1924 durch den deutschen Psychiater Berger konnte die Schlafforschung in neue Dimensionen eintreten. Seitdem ist es möglich, die elektrische Aktivität des Gehirns zu registrieren und einen Bezug zu Bewusstseinszuständen zu korrelieren. Zunächst wurde 1954 zwischen zwei Schlafarten differenziert, dem Rapid Eye Movement- Schlaf (REM-Schlaf), für den rasche Augenbewegungen typisch sind und dem Non-REM- Schlaf. Aserinsky und Kleitman wiesen Perioden rascher Augenbewegungen im Laufe des Schlafs nach, die mit einer außergewöhnlichen Desynchronisierung des EEGs einhergingen. Aus Traumberichten von Probanden, die direkt im Anschluss an REM-Phasen geweckt wurden, wurde gefolgert, dass REM-Schlafphasen durch das Auftreten von Träumen gekennzeichnet sind. Damit wurde die vorherrschende Meinung, dass Schlaf allein ein passiver Bewusstseinszustand sei, in dem lediglich Körperfunktionen auf ein nötiges Minimum reduziert würden, obsolet (Aserinsky und Kleitman, 1953). Die Entwicklung weiterer Technologien, wie das funktionelle Kernspin (fmrt) und Positronen-Emissions-Tomographie (PET), die es uns zusätzlich zum EEG ermöglichen, Vorgänge im ZNS nachzuverfolgen, machen deutlich, dass sich das Gehirn im Schlaf keineswegs in einem passiven Ruhestand befindet. Vielmehr zeigt sich, dass im ZNS komplexe Funktionsmuster ablaufen, die sich regelmäßig wiederholen. Bereits nach Schließen der Augen und mit Einsetzen des Schlafs ändert sich das Potentialmuster verglichen mit dem Wachzustand erheblich. Diese Erkenntnisse dienten zur Einteilung der Schlafstadien nach Rechtschaffen und Kales (1968). So wurde der Non-REM-Schlaf in vier Schlafstadien unterteilt, die sich in spezifischen Charakteristika in Elektroenzephalogramm (EEG), Elektrookulogramm (EOG) und Elektromyogramm (EMG) unterscheiden. Stadium 3 und 4 werden zusammen als Tiefschlafphasen oder auch Slow Wave Sleep (SWS) bezeichnet, während die Stadien 1 und 2 den Leichtschlaf darstellen. Etwa 55-60% des Gesamtschlafs entfallen auf Leichtschlaf, 15-25% auf die Tiefschlafphase 3 und 4, die restlichen 20-25% werden vom REM-Schlaf dominiert. Während der Mensch in Stadium 1 und 2 noch relativ leicht erweckbar ist, nimmt die Weckbarkeit zum Stadium 3 und 4 hin ab

15 THEORETISCHER HINTERGRUND 15 Auf biologischer Ebene stellt sich Schlaf als zyklische Abfolge der verschiedenen Schlafstadien dar, beim Menschen dauert ein Zyklus etwa 90 Minuten, in dem die Schlafphasen in relativ konstanter Reihenfolge in unterschiedlicher Länge durchlaufen werden. Zu Beginn der Nacht macht der Tiefschlaf einen großen Teil der Zyklen aus, während nur kurze REM-Phasen auftreten. Im Laufe der Nacht verlängern sich die REM- Abschnitte von 5-10 Minuten auf Minuten, und die letzten Schlafabschnitte enthalten kaum noch Tiefschlaf (Birbaumer, 1975). Die erste REM-Schlaf-Phase beendet den ersten von meist etwa fünf Schlafzyklen. Abbildung 3: Schlafprofil einer gesunden 15-jährigen Probandin in der neunstündigen Kontrollnacht Bei gesunden Probanden zeigt das EEG im Wachzustand vorwiegend!- und "-Aktivität, im Stadium 1, dem Übergang zum Schlafen, treten typischerweise!-wellen auf. Das Stadium 2 stellt den eigentlichen Schlafbeginn dar, hier treten charakteristische Schlafspindeln und #- Komplexe auf. Für den Tiefschlaf (Stadium 3 und 4) ist $-Aktivität typisch

16 THEORETISCHER HINTERGRUND 16 Wachzustand Non-REM-Schlaf Stadium 1 2-5% des Gesamtschlafs Stadium % des Gesamtschlafs Stadium 3 3-8% des Gesamtschlafs Stadium % des Gesamtschlafs REM-Schlaf 20-25% des Gesamtschlafs Allgemein Entspannt, geschlossene Augen Einschlafen typische hypnagogische Halluzinationen Leichtschlaf Einschlafzeitpunkt Mittlerer Schlaf Tiefschlaf Träume paradoxer Schlaf Kennzeichen in EEG, EOG und EMG Desynchronisiertes, gemischtes Bild mit!-aktivität durchsetzt mit "- Wellen, hochfrequenter Muskeltonus mit hoher Amplitude, schnelle und abrupte Augenbewegungen!-Aktivität nimmt zu, <50%!-Wellen-Aktivität, langsame, rollende Augenbewegungen (slow eye movements, Pendeldeviationen), leichte Muskelhypotonie, gehäufte Myokloni (Muskelzuckungen), sinkende Frequenz der Hirnaktivität!-Wellen herrschen vor, Schlafspindeln (12-14 Hz), #-Komplexe, <20% $-Wellen EMG- und EOG-Potentiale nehmen ab 20-50% hochamplitudige, niederfrequente $-Wellen, gelegentlich Schlafspindeln > 50% $-Wellen, abgeflachtes EMG, kaum Augenbewegungen erkennbar Desynchronisiert, vorherrschend sind!-wellen, aber auch!-, "- und $-Aktivität kommen vor, charakteristische Sägezahnwellen; Muskelatonie durch Hemmung der!-motoneurone im Rückenmark, schnelle und ruckartige Augenbewegungen, gesteigerte Atmung, gesteigerter Puls!-Aktivität % Frequenz 8-13 Hertz, Amplitude &V "-Aktivität % Hz, &V!-Aktivität % 4-7 Hz, &V $-Aktivität % 0,5-3 Hz, &V Spindeln % Hz, Dauer von mindestens 50 ms, potentielle Aufgabe: Schutz des Schlafs durch Abschirmung des Gehirns gegen Außenreize #-Komplexe %1-2 Hz, &V, hochamplitudige, biphasische Wellen von niedriger Frequenz mit einem negativen Ausschlag unmittelbar gefolgt von einem positiven Ausschlag, geben Hinweise darauf, dass das schlafende Gehirn Reize aus der Umwelt wahrnimmt und darauf reagiert (Tonsignale, Namen) Tabelle 1: Charakteristika der verschiedenen Schlafstadien Wach Schlafstadium 1 Schlafstadium 2 Schlafstadium 3 Schlafstadium 4 REM-Schlaf EOG EMG EEG Abbildung 4: EEG Kriterien für den menschlichen Schlaf. Quelle: Rechtschaffen und Siegel (2000)

17 THEORETISCHER HINTERGRUND 17 Im Non-REM-Schlaf nimmt die Herz- und die Atemfrequenz ab, auch der Blutdruck sinkt. Die Phasen 3 und 4 des Non-REM-Schlafs werden als Tiefschlaf oder auch Slow Wave Sleep (SWS) bezeichnet. Sie sind dominiert von $-Wellen, die sich im EEG als niederfrequente und hochamplitudige Wellen ableiten lassen. Der SWS ist vor allem im ersten Nachtdrittel dominant und nimmt im Verlauf der Nacht ab. Im REM-Schlaf kommt es hingegen zu gesteigerten vegetativen Funktionen. So steigt die Herz- und Atemfrequenz, in der Peripherie ist der Adrenalinspiegel erhöht, was zu vermehrten Angina Pectoris-Beschwerden in REM-Schlaf-Phasen führt. Des Weiteren entspricht der cerebrale Blutfluss nach einer Steigerung um 3-12% während der REM-Phase in etwa dem Wert von wacher Aufmerksamkeit. Probanden, die aus dem REM-Schlaf erweckt wurden, berichten in bis zu 80% von Träumen, während Probanden, die aus anderen Schlafstadien erweckt wurden, nur in etwa 40% von Traumerleben berichteten (Nielsen et al., 1999). Die den REM-Schlaf begleitende Muskelatonie hindert den Schlafenden am Ausagieren der Träume und erklärt, dass es im Traum häufig kein Entkommen aus einer bedrohlichen Situation gibt, da sich der Körper wie gelähmt anfühlt. Aufgrund seiner Besonderheiten wird der REM-Schlaf häufig in Verbindung mit psychischen Prozessen gebracht. Lange wurde angenommen, dass insbesondere der REM-Schlaf eine wichtige Rolle bei der Gedächtnisverarbeitung spielt. Während des REM-Schlafs nimmt der Schlafende keine Reize aus der Umgebung auf. Wird die Aussentemperatur erhöht, fehlt die Temperaturregulation während des REM-Schlafs. Im Non-REM-Schlaf findet dagegen eine physiologische Reaktion auf Temperaturveränderungen statt, wie sie auch aus dem Wachzustand bekannt ist. Es wird angenommen, dass die kortikalen Neurone, die für die Wahrnehmung einer Temperaturveränderung verantwortlich sind, währen des REM-Schlafs inaktiviert sind, so dass keine Regulationsmechanismen wirken können. Bei zunehmender Temperaturerhöhung erwachten Probanden jedoch, und es setzten zügig physiologische Steuermechanismen ein (Parmeggiani, 1987). Auf der anderen Seite steigt im REM-Schlaf die Gehirnaktivität, was auf eine Zunahme der internen Reize schließen lässt. Ursachen könnten Konsolidierungsprozesse sein. Wird Schlaf systematisch verkürzt, so nehmen zuerst die Leichtschlafphasen ab. Auf diese Weise kann die Schlafdauer auf eine individuell unterschiedliche Mindestdauer von etwa fünf bis sechs Stunden reduziert werden, ohne dass die Leistungsfähigkeit verloren geht. Bei einer weiteren Reduktion kommt es jedoch zu erheblichen Einschränkungen (Mullaney et al., 1977). Reboundphänomene nach einer solchen Schlafdeprivation deuten auf die Bedeutsamkeit von REM-Schlaf und SWS hin. So steigen im Erholungsschlaf nach totaler Schlafdeprivation die prozentualen Anteile an REM-Schlaf und SWS deutlich an, während das sonst mit etwa 50% am Gesamtschlaf beteiligte Leichtschlafstadium 2 deutlich verkürzt ist. Bei diesem sogenannten Rebound scheint der SWS eine höhere Priorität als der REM

18 THEORETISCHER HINTERGRUND 18 Schlaf zu haben. So wird in den ersten Erholungsnächten insbesondere SWS-Vermehrung festgestellt, während erst in den folgenden Nächten auch der prozentuale REM-Schlafanteil ansteigt (Dement et al., 1976; Lavie et al., 1999). Insgesamt kann diese Erholungsphase mehrere Nächte lang andauern. Auch bei dem Vergleich der Schlafarchitektur von Kurz- und Langschläfern lassen sich Hinweise auf die Bedeutung von SWS finden. Der Anteil an Schlafstadium 4 ist bei beiden Gruppen relativ homogen, Langschläfer zeigen lediglich eine signifikante Erhöhung von REM-Anteilen (Webb et al., 1970). Eine bestimmte Menge von SWS ist dementsprechend in jedem Schlaf unabhängig von der Gesamtschlafdauer enthalten SCHLAF-WACH-RHYTHMUS Probanden in einer zeitfreien Umgebung stellen sich schnell auf einen Rhythmus ein, der geringfügig von dem durch außen vorgegebenen 24-Stunden-Rhythmus abweicht (Lavie et al., 1975). Dieser Rhythmus wird als circadianer (circa= ungefähr, dies= Tag) Rhythmus bezeichnet und beträgt bei den meisten Menschen etwa 25 Stunden. Dieser individuelle Grundrhythmus wird von endogenen Oszillatoren gesteuert. Erst sekundär wird durch externe Reize auf die 24-Stunden-Periodik der Außenwelt synchronisiert. Als stärkster Zeitgeber wirkt beim Menschen helles Licht ( Lux), aber auch soziale Interaktionen beeinflussen den Tag-Nacht-Rhythmus. Das Hormon Melatonin spielt bei der Vermittlung eine bedeutsame Rolle. Es wird in der Epiphyse produziert und fördert das Schlafbedürfnis. Die Synthese und Ausschüttung wird durch Licht inhibiert und im Dunkeln stimuliert, Helligkeit wirkt also aktivierend (Saper et al., 2005). Blinden Menschen fehlt der äußere Zeitgeber zur Bestimmung der inneren biologischen Uhr, was häufig zu circadianen Rhythmusstörungen führt (Lewy et al., 2006; Klein et al., 1993; Leger et al., 1999) ENTWICKLUNG DES SCHLAFVERHALTENS Die Gesamtschlafzeit pro Tag, die Verteilung der Schlaf- und Wachphasen sowie die REMund Non-REM-Schlafanteile ändern sich im Laufe des Lebens. Das Schlafbedürfnis des Einzelnen ist dabei individuell verschieden. Man geht davon aus, dass es annähernd einer Normalverteilung entspricht (Lavie, 1999). Säuglinge schlafen in der Regel 16 bis 19 Stunden täglich. Dabei erwachen sie meist alle zwei bis drei Stunden, sie können jedoch auch bis zu fünf Stunden durchschlafen, bevor der Hunger sie aufweckt. Einige Säuglinge schlafen auch bis zu zehn Stunden durch. Mit drei Monaten entwickelt sich oft schon ein gewisser Tag-Nacht-Rhythmus. Von 24 Stunden

19 THEORETISCHER HINTERGRUND 19 werden meist Stunden geschlafen, davon nur noch etwa 5 Stunden tagsüber. Nachts wachen die Kinder häufig noch ein bis zweimal auf. Die Schlafdauer nimmt nun kontinuierlich ab. So schlafen Kinder in einem Alter von einem halben bis ein Jahr in der Regel 12 bis 14 Stunden täglich, 1-3-jährige Stunden, der Tag-Nacht-Rhythmus ist in diesem Alter meist schon relativ gefestigt. Bei Schulkindern liegt das Schlafbedürfnis bei etwa 10 Stunden. In den ersten sechs Lebensjahren entwickelt sich damit das polyphasische zu einem monophasischen Schlafmuster. Im Laufe des Lebens reduziert sich die Schlafdauer weiter und schwankt bei Erwachsenen zwischen 4 und 10 Stunden pro Nacht (Iglowstein et al., 2003; Ohayon et al., 2004) Schlafstadiumanteil in Minuten # # Schlaflatenz Wach nach Schlafbeginn REM-Schlaf Tiefschlaf (SWS) Stadium 2 0 Stadium Alter in Jahren Abbildung 5: Altersabhängige Entwicklung der verschiedenen Schlafphasen in Minuten Stadium 1, Stadium 2, Tiefschlaf, REM-Schlaf, Wachsein nach erster Schlafphase, Schlaflatenz (Ohayon et al., 2004) Während zu Beginn des Lebens beim Neugeborenen etwa alle Minuten ein Wechsel von REM- zu Non-REM-Schlaf stattfindet, verlängert sich dieser Zyklus auf etwa 90 Minuten, wenn das Gehirn weiter entwickelt ist. Auch dominieren in den ersten Lebensjahren die Leichtschlafphasen das Schlafmuster, SWS der Stadien 3 und 4 entwickelt sich erst mit der Reifung des Gehirns. Dominierend werden dieses beiden Schlafphasen um das Lebensjahr herum, von da an nimmt der Anteil an SWS wieder kontinuierlich ab (Ohayon et al., 2004). In einer Meta-Analyse zeigten Ohayon et al. nach Betrachtung von 65 Studien zur Veränderung der Schlafarchitektur, dass Schlaflatenz sowie der prozentuale Anteil an Schlaf

20 THEORETISCHER HINTERGRUND 20 der Stadien 1 und 2 im Laufe des Lebens steigen. Der Anteil des REM-Schlafs scheint von der Kindheit bis zum Ende der Pubertät leicht anzusteigen, bei jungen Erwachsenen leicht abzunehmen, um dann bis zum 60. Lebensjahr relativ konstant zu sein und von da an weiter abzufallen. Im Alter nehmen sowohl die Gesamtschlafdauer und die Schlafeffizienz ab und am deutlichsten steigt die Zeit, die nach dem ersten Einschlafen wieder wach verbracht wird. Nach dem 60. Lebensjahr scheinen bis auf die weiter abfallende Schlafeffizienz die Schlafparameter stabil zu bleiben. Schlafstadium Schlafstadium Schlafstadium Wach REM Wach REM Wach REM Kinder Zeit in Stunden Junge Erwachsene Zeit in Stunden Ältere Menschen Zeit in Stunden Abbildung 6: Schematische Darstellung des Schlafprofils in unterschiedlichen Altersgruppen Quelle: Sookmyung University, Korea Ab dem 50. Lebensjahr besteht der Non-REM-Schlaf damit überwiegend aus den Stadien 1 und 2, beinhaltet also wenig Tiefschlaf. Bei jungen Menschen machen dagegen die Schlafstadien 3 und 4 bis zu 40% der Gesamtschlafzeit aus. Demente Personen zeigen eine deutliche Verminderung des SWS (Vitiello et al., 1989; Wauquier et al., 1992; Lombardo et al., 1998; Buckley et al., 2005) BESONDERHEITEN DES SCHLAFS BEI KINDERN UND JUGENDLICHEN Heranwachsende Jugendliche haben einen täglichen Schlafbedarf von etwa 8,5 bis 9,25 Stunden, doch nur annähernd 25% der Jugendlichen schlafen auch wirklich so viel (Carskadon, 2004). Mit dem Erwachsenwerden entsteht ein Bedürfnis nach Unabhängigkeit, es gibt mehr

21 THEORETISCHER HINTERGRUND 21 Möglichkeiten, sich mit Freunden und Bekannten zu treffen und sich außerhalb der Schule zu engagieren (Sport, Musik), die Anforderungen in der Schule nehmen häufig zu, und zusätzlich werden Gelegenheitsjobs angenommen, um ein wenig Geld zu verdienen. Der Einfluss von Gleichaltrigen auf das eigene Verhalten spielt insbesondere in dieser Lebensphase eine wichtige Rolle. Desweiteren stieg in den letzten Jahren der Fernsehkonsum, Internet und Computerspiele führen zu einem zunehmenden Nachtleben der Jugendlichen. All diese Faktoren tragen dazu bei, dass sich das Zubettgehen nach hinten verschiebt und sich Schlafprobleme, Schlafmangel und erhöhte Tagesmüdigkeit entwickeln (Acebo et al., 1997; Wolfson et al., 1998; Owens et al., 1999; Toyran et al., 2002; Jenni et al., 2005). Darüber hinaus scheint ein direkter Bezug zwischen dem Schlaf-Wach- Rhythmus von Kindern und Jugendlichen und dem Ausmaß familiären Stresses sowie Alter und Bildungsgrad der Eltern zu bestehen. Häufiger trat Schlafmangel in Familien auf, in denen die Eltern nur wenig über die Bedeutung von Schlaf zu wissen schienen und keine klaren Grenzen bezüglich des Zubettgehens setzten (Crowley et al., 2007; Sadeh et al., 2000 und 2007). Da der Tagesrhythmus sich aus den oben genannten Gründen nach hinten ausdehnt, fehlen Jugendlichen häufig ein bis zwei Stunden Schlaf pro Nacht. So konnten auch Sadeh et al in Studienergebnissen präsentieren, dass ältere Kinder einen verzögerten Zeitpunkt des Einschlafens zeigen und vermehrt über Tagesmüdigkeit berichten. In Bezug auf Indikatoren von Schlafqualität fanden sich jedoch keine altersabhängigen Unterschiede. In einer Umfrage unter etwa Jugendlichen von der Klasse betrug die angegebene Schlafzeit an Schultagen im Schnitt 7 Stunden und 20 Minuten (Wolfson et al., 1998). Mit Hilfe von Aktigraphie (Aktometern) konnten Carskadon et al in den USA zeigen, dass die Schlafzeit von Zehntklässlern deutlich unter der Schlafzeit von Neuntklässlern lag. Der Schlafverlust wurde darauf zurückgeführt, dass die Tagesabläufe der Jugendlichen sich nicht an den früheren Schulbeginn nach Übergang von der 9. in die 10. Klasse angepasst hatten. Während die Schüler 65 Minuten früher in der Schule sein und daher früher aufstehen mussten, verlagerte sich jedoch nicht die Einschlafzeit entsprechend nach vorne zeigten Sadeh et al., dass eine Verkürzung der Schlafdauer bei Viert- und Sechstklässlern um nur eine Stunde zwar zu einer subjektiv wahrgenommenen besseren Schlafqualität, jedoch zu objektiv verminderter Aufmerksamkeit und schlechteren neurokognitiven Leistungen führte (Sadeh et al., 2003). Mit zunehmendem Alter findet sich außerdem eine immer größer werdende Diskrepanz in Bezug auf die Länge des nächtlichen Schlafs zwischen Schulnächten und Wochenenden (Spruyt et al., 2004; Carskadon et al., 1990; Wolfson et al., 1998). Neben diesen psychosozialen Einflüssen spielen aber auch biologische Veränderungen der Schlafregulation während der Pubertät eine entscheidende Rolle. Zum einen wird

22 THEORETISCHER HINTERGRUND 22 angenommen, dass sich das Schlafbedürfnis in der Pubertät noch einmal durch die körperlichen Entwicklungsschübe erhöht (Dahl et al., 2002). Zum zweiten kommt es während der Pubertät zu einer deutlichen Zunahme der Tagesmüdigkeit, auch wenn die nächtliche Schlafdauer unverändert bleibt (Giannotti et al., 2002). Des Weiteren konnte Carskadon zeigen, dass sich das Schlafverhalten Jugendlicher auch unter Ausschluss aller externen Taktgeber und damit inklusive der psychosozialen Faktoren deutlich veränderte. So zeigte sich, dass sich der Zeitpunkt der Dim-Light Salivary Melatonin Onset (DLSMO) bei Jugendlichen im Laufe der Entwicklung nach hinten verlagerte. Damit trat der durch Melatonin ausgelöste Schafimpuls zunehmend später ein, es kam zu parallel ablaufenden Veränderungen im Einschlaf- und Aufwachfenster (Carskadon et al., 1997 und 1998; Crowley et al., 2006). Weitere Studien zeigen, dass bei Jugendlichen die Melatoninsekretion im Verlauf der Pubertät abnimmt. Damit trat der ohnehin später eintretende Schlafimpuls auch noch in abgeschwächter Form auf (Taylor et al., 2005; Carskadon, 2002) SCHLAF, LERNEN UND GEDÄCHTNIS Schon vor über achtzig Jahren, 1924, vermuteten Jenkins und Dallenbach, dass Schlaf einen Einfluss auf das Gedächtnis hat. Ihre Probanden konnten mehr gelernte Informationen wiedergeben, wenn sie nach dem Lernen acht Stunden schliefen, als wenn sie die gleiche Zeit im Wachzustand verbrachten. Die Autoren untersuchten als eine der Ersten systematisch, wie sich Schlaf unterschiedlicher Dauer im Vergleich zu gleich langen Wachperioden positiv auf die Lernleistung von sinnlosen Silben auswirkte. Sie vermuteten, dass die bessere Leistung nach Schlaf darauf zurückzuführen war, dass während des Schlafs nicht so viele interferierende Informationen verarbeitet werden mussten. Ihre Resultate wurden in zahlreichen nachfolgenden Studien auch mit großen Probandenkollektiven bestätigt (Ekstrand, 1967; Lovatt et al., 1968; Benson et al. 1975, 1977). Ihr Experiment gilt damit als Referenzstudie für die lernfördernde Wirkung von Schlaf. Es gibt jedoch auch andere Theorien, die versuchen, die Wirkungsweise des Schlafs auf das Gedächtnis zu erklären. Neben der oben genannten Interferenztheorie sind insbesondere die Spurenzerfalls- und die Konsolidierungstheorie zu nennen (Cipolli, 1995). Erstere geht davon aus, dass alle Erinnerungen langsam zerfallen, dies aber im Schlaf langsamer geschieht als im Wachzustand, so dass im Schlaf weniger schnell vergessen wird (Ebbinghaus, 1885; Thorndike, 1914). Die Konsolidierungstheorie besagt, dass aktive neuronale Prozesse die Speicherung neuen

23 THEORETISCHER HINTERGRUND 23 Wissens während des Schlafs fördern. Somit schützt der Schlaf nicht nur vor störenden Faktoren, sondern hat einen positiven Einfluss auf eine aktive Gedächtnisverarbeitung (Hebb, 1949). Am meisten Zuspruch findet in der heutigen Literatur die Konsolidierungstheorie, wobei möglicherweise alle diese Mechanismen einen Anteil an der verbesserten Gedächtnisleistung nach Schlaf haben. In neueren Studien ist es gelungen, den Einfluss verschiedener spezifischer Schlafstadien auf unterschiedliche Gedächtnissysteme zu differenzieren (Karni et al., 1994; Plihal et al., 1997; Stickgold et al., 2005 und 2007; Wagner et al., 2007). So ergaben zum Beispiel tierexperimentelle Studien, dass bei Ratten nach Entzug von paradoxem Schlaf die Gedächtniskonsolidierung bei einfachen Lernaufgaben beeinträchtigt wurde. Schon 1979 konnte gezeigt werden, dass nach einer Labyrinth-Lernaufgabe der Anteil an paradoxem Schlaf anstieg und dass die Lernleistung bei verzögertem Schlaf oder Entzug von paradoxem Schlaf deutlich absank (Bloch et al., 1979; Pearlman, 1979). Smith trainierte Ratten in einer Vermeidungsaufgabe. Auch bei ihnen stieg der Anteil an paradoxem Schlaf und blieb für bis zu eine Woche nach Training auf einem höheren Niveau (Smith et al., 1986). Da sich in Untersuchungen beim Menschen das Wecken aus der jeweiligen REM- Schlafphase wegen des damit verbunden Stresses als schwierig erwies, mussten alternative Versuchsanordnungen entwickelt werden. Ekstrand et al. entwickelten einen Untersuchungsansatz, bei dem die Schlafdauer gleich lang, aber unterschiedliche Anteile verschiedener Schlafphasen enthalten waren. So konnte die deklarative Gedächtnisleistung mit Hilfe einer neutralen Wortliste nach ungestörter Schlafperiode in der SWS-dominanten ersten Nachthälfte mit der Gedächtnisleistung nach Schlafperioden in der REM-Schlaf-dominanten zweiten Nachthälfte verglichen werden. Die Lernphase blieb jeweils unmittelbar vor der Schlafperiode, die Abrufphase fand unmittelbar nach dem Wecken statt. Um circadiane Einflüsse zu kontrollieren, blieben die Probanden in parallelen Kontrollbedingungen wach. In dieser, für den Alltag recht typischen Schlafmangel- Situation, fanden sich nach einem vierstündigen Schlafintervall in der ersten Nachthälfte, also mit überwiegend Slow Wave Schlaf, ein deutlicherer Lernzuwachs beim Informationsabruf als nach einem vierstündigen Schlafintervall in der zweiten Nachthälfte, also mit überwiegend REM-Schlaf. Schliefen die Probanden jedoch in einer Versuchsnacht gar nicht, so war der Informationsabruf noch schlechter als sowohl nach einer SWS-dominanten Nacht als auch nach einer REM-Schlaf-dominanten Nacht (Yaroush et al., 1971; Barrett et al., 1972; Fowler et al., 1972; Ekstrand et al., 1977). In neueren Studien wurde die Abhängigkeit zwischen Gedächtnis und Schlaf unter

24 THEORETISCHER HINTERGRUND 24 Berücksichtigung verschiedener Gedächtnisformen und anderer Einflussfaktoren untersucht, was genauere Aussagen über den Zusammenhang von Schlaf und Gedächtnis zulässt. Es zeigt sich, dass abhängig von der Art des zu bildenden Gedächtnisses die unterschiedlichen Schlafphasen für das Ausmaß der Konsolidierung verantwortlich zu sein scheinen. Der Tiefschlaf scheint die Gedächtniskonsolidierung deklarativer Informationen wesentlich zu beeinflussen, unabhängig von der Modalität der Informationen (Gais et al., 2002 und 2004; Plihal et al., 1999). Für eine verbesserte Leistung bei deklarativen Aufgaben, wie dem Erinnern von Wortpaarlisten, scheint die erste Nachthälfte reich an SWS elementar zu sein, während beim Spiegelzeichnen, einer prozeduralen Gedächtnisleistung, dem REM-Schlaf die entscheidende Rolle zuzukommen scheint. Ähnlich dem Ekstrand-Paradigma untersuchten Plihal et al. den Effekt von frühem und von spätem Schlaf auf die unterschiedlichen Gedächtnisarten. Dabei zeigte sich, dass Probanden, die zunächst in der ersten Nachthälfte schliefen, dann lernten, erneut schliefen (späte Nachthälfte), im morgendlichen Abruf des Gelernten schlechtere Ergebnisse erzielten, als die Probanden, die vor der ersten Nachthälfte lernten und vor der zweiten Nachthälfte bereits das Gelernte erneut wiedergeben mussten. In der zweiten Nachthälfte war dabei der SWS-Anteil um ein Fünffaches geringer als in der ersten Nachthälfte (Plihal et al., 1997). Karni et al. berichteten von einem fördernden Einfluß des REM-Schlafs auf die Leistung in einem Test für visuelle Reizdifferenzierung, während eine Störung des Non-REM-Schlafs die Leistung der Probanden nicht beeinflußte (Karni et al., 1994). Den Einfluss von SWS auf die Gedächtniskonsolidierung und die Möglichkeit, die Verarbeitung des Gelernten im SWS noch zu verstärken, zeigten Rasch und Born Mit Hilfe eines Rosenduftes, der den Probanden unbewußt während des Lernens einer Gedächtnisaufgabe und erneut nachts während der ersten beiden SWS-Phasen zugeführt wurde, konnte die Reaktivierung des Gelernten getriggert werden. Im Vergleich zu einer Kontrollgruppe, der kein Duft präsentiert wurde, schnitten die Duft-Probanden bei der erneuten Testung nach Schlaf signifikant besser ab. Auf die motorische Leistung hatte der präsentierte Duft keinen Einfluss. Wurde der Duft nur während des Schlafens appliziert, kam es zu keiner besseren Abrufleistung. Auch die Zuführung von Duft während des Lernens und nur während der REM-Schlaf-Episoden führte nicht zu einer besseren Leistung im Vergleich zur Kontrollgruppe ohne Duftapplikation. Wird also ein Duft in Verbindung mit gelernten Objekten gebracht, so kann eine Reapplikation des Duftes während Slow Wave Sleep die Gedächtniskonsolidierung verstärken (Rasch et al., 2007). Das non-deklarative Gedächtnis wurde erst später mit einem ähnlichen Studiendesign betrachtet. Wie bereits erwähnt, bestätigen die Ergebnisse in Bezug auf den SWS-reichen Schlaf die früheren Befunde bei Wortpaar-Lernen (deklarativ), während sich der REM-Schlaf als förderlich für die non-deklarativen Lerninhalte wie Spiegelzeichnen erwies (Plihal et al.,

25 THEORETISCHER HINTERGRUND ). Born et al. konnten diese Ergebnisse in einer Nachfolgestudie noch weiter ausbauen. Es ergab sich das gleiche Ergebnismuster, wenn das deklarative Gedächtnis mit einer nonverbalen (räumliche Rotation) und das non-deklarative Gedächtnis mit einer verbalen (Wortstamm-Priming) Aufgabe getestet wurden. Somit wurde gezeigt, dass die Effekte nicht nur auf die Art des verbalen versus nonverbalen Lernmaterials zurückgeführt werden können, sondern der Schlafentzug in bestimmten Nachthälften eine entscheidende Bedeutung hat (Plihal et al., 1999). Auch die Arbeitsgruppe um Wagner konnte mit Hilfe des impliziten Gesichtergedächtnis zeigen, dass der REM-reiche Schlaf bei non-deklarativen Aufgaben wichtiger ist als der SWS (Wagner et al., 2003). Aber auch der SWS scheint für das non-deklarative Gedächtnis wichtig zu sein. So fand Huber einen direkten Zusammenhang zwischen SWS und implizitem Rotationslernen (Huber et al., 2004). Auch Gais et al. konnten zeigen, dass der späte REM-Schlaf nur in Kombination mit dem frühen SWS eine Gedächtnisleistungsverbesserung erbrachte. Dem-entsprechend zeigten Probanden bei einem visual discrimination task, einer perzeptuellen non-deklarativen Aufgabe, keine Verbesserung der Gedächtnis-leistung, wenn ihnen die erste Nachthälfte, reich an SWS, fehlte (Gais et al., 2000). Stickgold fasste 2000 die Wechselwirkung zwischen SWS und REM-Schlaf in seinem Zwei- Stufen-Modell der Gedächtniskonsolidierung zusammen. Er konnte zeigen, dass nicht ausschließlich der REM-Schlaf die Konsolidierung des prozeduralen Gedächtnis beeinflusst, sondern ein Produkt aus frühem SWS und spätem REM-Schlaf am besten die Konsolidierung erklärt (Stickgold et al., 2005). Die neuronalen Mechanismen, die der Gedächtniskonsolidierung im Schlaf zugrunde liegen, sind noch nicht endgültig geklärt. Bezüglich des deklarativen Gedächtnisses wird vermutet, dass neue Informationen im Wachzustand von den sensorischen Arealen zum Hippocampus transportiert und mit seiner Hilfe gespeichert werden. Im Non-REM-Schlaf kommt es zu einer gegenläufigen Flußrichtung der Informationen, vom Hippocampus weg. Relevante Inhalte laufen nun vom Hippocampus zurück in den Neocortex für eine permanente Speicherung. Mitverantwortlich scheint dafür der im Non-REM-Schlaf niedrige Acetylcholinspiegel zu sein (Gais et al., 2004; Born et al., 2006; Peigneux et al., 2006; Boonstra et al., 2007). Zudem wird ein Zusammenhang zwischen der auffälligen Vermehrung von Schlafspindeln im Non- REM-Schlaf mit der Gedächtniskonsolidierung vermutet. Durch sie kommt es zu einem verstärkten Calcium-Einstrom in die Zellen, was eine optimale Vorraussetzungen für neuronale Plastizität zu schaffen scheint. (Gais et al., 2004; Walker et al., 2006)

26 THEORETISCHER HINTERGRUND HERLEITUNG DER FRAGESTELLUNG Die Bedeutung, die Schlaf in der Gedächtniskonsolidierung hat, ist in den letzten Jahren immer mehr in das Interesse der Forschung gelangt. Neue Methoden und Techniken wie das EEG, fmrt und PET bieten die Möglichkeit, Aktivitätsunterschiede im Gehirn nachzuweisen. Dass experimentell induzierter Schlafmangel beim Menschen zu einer signifikanten Verminderung prozeduraler und deklarativer Gedächtniskonsolidierung führt, konnte in vielen Untersuchungen gezeigt werden. Das Probandenkollektiv war meist jedoch auf Erwachsene beschränkt, daher soll in dieser Arbeit die Frage bearbeitet werden, inwieweit eine unter das physiologische Maß verkürzte Schlafdauer alltägliche Lernleistungen bei Jugendlichen beeinträchtigt. Die Tatsache, dass sich das Schlafverhalten von Jugendlichen in der Pubertät verändert und diese Änderung im Schlaf-Wach-Rhythmus zu einem Schlafmangelzustand führen kann, zeigt die praktische Relevanz dieser Fragestellung. In der vorliegenden Studie soll die Hypothese überprüft werden, ob eine experimentell verringerte nächtliche Schlafdauer im Vergleich mit einer Kontrollbedingung bei Jugendlichen zu signifikanten Minderleistungen, insbesondere bei deklarativen Gedächtnisaufgaben, führt. Dafür wurde ein möglichst realitätsnahes Studiendesign gewählt, das den Unterschieden in der Schlafdauer von Jugendlichen zwischen Wochentagen und dem Wochenende ähnelte. Die zu prüfenden Hypothesen lauten: 1. Die Jugendlichen zeigen nach einer Nacht mit vier Stunden Schlaf und einer zweiten Nacht mit neun Stunden Schlaf im Vergleich zu einer Kontrollbedingung mit zwei Nächten mit einer Schlafdauer von je neun Stunden eine geringere deklarative Gedächtniskonsolidierung der in verbalen und visuellen Verfahren präsentierten Information. 2. In der Erholungsnacht nach dem Schlafentzug zeigen die Jugendlichen eine Veränderung in der Verteilung der Schlafstadien. Nach der Schlafdeprivation a) steigt der prozentuale Anteil an den Schlafstadien 3 und 4 (Slow Wave Schlaf) b) sinkt der prozentuale Anteil an den Schlafstadien 1 und 2 c) steigt die Schlafeffizienz bzw. sinkt der Wachanteil 3. Es gibt einen Zusammenhang zwischen deklarativer Gedächtnisleistung und objektivierbaren Schlafparametern

27 STUDIENTEILNEHMER UND METHODIK STUDIENTEILNEHMER UND METHODIK 3.1. STUDIENTEILNEHMER ALLGEMEINES Die Studie wurde im Schlaflabor der Abteilung für Psychiatrie und Psychosomatik an der Universitätsklinik Freiburg durchgeführt. Studienteilnehmer waren 22 gesunde Jugendliche im Alter von Jahren (12 männliche und 10 weibliche Probanden mit einem Durchschnittsalter von 15,5 ± 0,75 Jahren. Rekrutiert wurden die Studienteilnehmer über Aushänge in Sportvereinen Freiburgs, Bekanntschaften und zu einem Großteil über Mund-zu-Mund-Propaganda von Studienteilnehmern, die Freunde und Bekannte für die Studie warben. In einem Telefoninterview oder einem persönlichen Treffen mit Interessierten und einem Fragebogen wurden die potentiellen Probanden ausgewählt, so dass eine homogene Gruppe an Studienteilnehmern entstand. Alle 22 Probanden erfüllten die Vorgaben der Studie und mussten auch während des Studienverlaufs nicht aus der Studie ausgeschlossen werden, so dass alle Daten in die Auswertung einbezogen werden konnten. Alle eingeschlossenen Probanden wurden einem Screening unterzogen, das eine körperliche und neurologische Routineuntersuchung und ein Routinelabor (kleines Blutbild inklusive Thrombozyten, GOT, GPT, '-GT, Natrium, Kalium, Calcium, CRP, TSH, Ferritin) einschloss, um einen akuten Infekt, körperliche Auffälligkeiten sowie eine Anämie wegen deren Auswirkung auf Konzentration, Leistung und Schlaf auszuschließen. Des Weiteren war ein Urintest mit Drogenscreening (Amphetamine, Barbiturate, Benzodiazepine, Cannabinoide, Cocain und Opiate) in die Aufnahmeuntersuchung eingeschlossen. Um ein relativ geregeltes Schlafverhalten in der Woche vor Studienteilnahme zu kontrollieren, trugen die Teilnehmer pausenlos ein Aktometer, so dass Schlafdefizite vor Messbeginn ausgeschlossen werden konnten. Fragebögen zur Familiensituation, Freizeitbeschäftigung und Schulleistung sowie zu Schlafgewohnheiten, der Youth Self Rating (YSR), die Epworth Sleepiness Scale (ESS), der Pitsburgh Sleep Quality Index (PSQI) und der Perceived Stress Questionnaire (PSQ) wurden von den Studienteilnehmern ausgefüllt, um einen Eindruck über die subjektive Schlafqualität der Probanden zu bekommen und schlafbelastende Faktoren zu eruieren, die zu einer Beeinflussung der Studienergebnisse führen könnten. Während der Untersuchungsblöcke im Schlaflabor durften die Probanden keinen Kaffee, schwarzen Tee und andere koffeinhaltige Getränke zu sich nehmen. Die Probanden und ihre Eltern wurden schriftlich und mündlich über den genauen