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Lexikon der Biologie: Schlaf

ESSAY

Dieter Riemann

Schlaf

Historisches

In der griechischen Mythologie war Hypnos, der Gott des Schlafs, dafür verantwortlich, sowohl den Menschen als auch den Tieren den Schlaf zu bringen. Der Sage nach lebte er in einem düsteren Tal, das vom Fluß des Vergessens bewässert wurde, und am Eingang seiner Behausung wuchsen Kräuter, denen man schlafinduzierende Wirkung zuschrieb. Diese mythologische Sichtweise verdeutlicht die enge Verknüpfung, die zwischen Schlaf und Tod hergestellt wurde, da Hypnos der Bruder von Thanatos, dem Gott des Todes, war. Diese Anschauung, den Schlaf als passiven, inaktiven Zustand zu sehen, bestimmte bis Mitte des 19. Jahrhunderts auch die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit dem Thema.
Erste experimentelle Zugangsweisen zum Forschungsgegenstand „Schlaf“ verfolgte Kohlschütter mit sog. Weckschwellenversuchen. Erst durch die Entdeckung und Beschreibung des menschlichen Elektroencephalogramms (EEG) durch den Jenaer Psychiater H. Berger in den 1920er Jahren wurde es möglich, die hirnelektrische Aktivität sowohl im Wachen (Vigilanz; Bewußtsein) als auch während des Schlafs zu messen ( vgl. Abb. 1 ). Die intensivere naturwissenschaftliche Auseinandersetzung mit dem Phänomen „Schlaf“ begann erst im Jahre 1953, als Aserinsky und Kleitmann ihre bahnbrechende Entdeckung des REM-Schlafs (rapid eye movement-Schlaf = Schlaf mit schnellen Augenbewegungen; s.u.) beschrieben.

Physiologie des Schlafs

Initiiert durch die Entdeckung des REM-Schlafs wurde 1968 von den amerikanischen Schlafforschern Rechtschaffen und Kales eine immer noch gültige Klassifikation der verschiedenen Schlafstadien vorgelegt. Danach wird der Schlaf in die sog. Non-REM-Schlaf-Stadien I–IV (NREM-Schlaf, „orthodoxer Schlaf“) und den REM-Schlaf („paradoxer Schlaf“) differenziert. Die einzelnen Schlafstadien werden dabei auf Verhaltens- und elektrophysiologischer Ebene definiert.
Stadium I: Übergang zwischen Wachen und Schlafen. Die im entspannten Wachzustand vorherrschenden Alpha-Wellen gehen in Theta-Wellen über, der Muskeltonus (mittels Elektromyographie [EMG; Elektromyogramm] zu messen) ist noch relativ hoch. Die Augen rollen langsam, was mit dem Elektrookulogramm (EOG) erfaßbar ist. Auf kognitiver Ebene sind bei Weckungen aus diesem Zustand langsame, statische Traumbilder (hypnagoge Halluzinationen) erinnerbar.
Stadium II: der eigentliche Einschlafzeitpunkt. Im Hirnstrombild sind typische Graphoelemente wie etwa Schlafspindeln oder K-Komplexe nachweisbar. Der Muskeltonus sinkt gegenüber dem Stadium I ab, Augenbewegungen treten nicht auf. Bei Weckungen aus diesem Zustand sind bei Probanden kognitive Inhalte abrufbar, die gedanklichen Inhalten des Wach-Erlebens ähneln.
Stadien III und IV: werden als Tiefschlaf bzw. slow wave sleep zusammengefaßt. Das EEG wird nun durch langsamwellige Delta-Wellen in einem Frequenzbereich von 0,5–2 Hz dominiert; der Muskeltonus ist weiter abgesunken, Augenbewegungen treten nicht auf. Kognitive Inhalte sind bei Weckungen aus diesem Zustand selten abrufbar.
REM-Schlaf: Das EEG des REM-Schlafs ähnelt sehr dem Stadium I, d.h., es zeigt sich ein niederfrequentes Hirnstrombild mit Alpha-Einstreuungen und sog. Sägezahnwellen. Der Muskeltonus erreicht das niedrigste Niveau während der Ableitung, das EOG zeigt schnelle, konjugierte Augenbewegungen. Bei Weckungen aus dem REM-Schlaf werden in bis zu 90% aller Fälle von gesunden Probanden typische Traumberichte visuell-halluzinatorischen Charakters wiedergegeben (Träumen). Der REM-Schlaf wird zudem von einer erhöhten Variabilität der Herzfrequenz und Atemfrequenz, kurzen Zuckungen der Muskulatur (Muskelzuckung) sowie Penis-Erektionen beim Mann und einer Erhöhung der vaginalen Durchblutung (Vagina) bei der Frau begleitet ( vgl. Abb. 1 ).

Ontogenese des Schlafs

Das typischerweise bei den meisten Erwachsenen im westlichen Kulturkreis vorgefundene monophasische Schlafmuster mit einer kontinuierlichen 16–17stündigen Wachperiode und einer etwa 7–8stündigen Ruhezeit in der Nacht herrscht keineswegs über die ganze Lebensspanne vor ( vgl. Abb. 2 ). Während beim Neugeborenen ein polyphasischer Schlafrhythmus mit 5–6 Schlafphasen (Aufwachrhythmus) vorliegt, die etwa alle 4 Stunden durch Wachperioden unterbrochen werden, hat sich beim einjährigen Kleinkind (Kind, kindliche Entwicklung) der Schlaf bereits in der Nacht konsolidiert; tagsüber treten noch 2 kurze Schlafperioden auf. Ab etwa dem 4. Lebensjahr nimmt die während der Nacht geschlafene Zeit weiter zu, und tagsüber findet sich noch eine kurze Schlafperiode. Meist entfällt spätestens ab dem 6. Lebensjahr der Mittagsschlaf. Mit zunehmendem Erwachsenenalter nimmt die Schlafdauer weiter ab und pendelt sich etwa ab dem 30. Lebensjahr bei 7–8 Stunden ein. Im höheren Erwachsenenalter, vor allem bei nicht mehr im Arbeitsleben stehenden Menschen, tritt häufig wieder ein biphasisches Schlafmuster mit einem „Nickerchen“ nach dem Mittagessen auf. Während die Gesamtschlafdauer beim Neugeborenen bei ca. 16–20 Stunden liegt, sinkt sie beim gesunden Erwachsenen auf ca. 7–8 Stunden ab. Mit dem Lebensalter verändert sich nicht nur die Struktur der Schlaf-Wach-Rhythmik, sondern auch die interne Architektur des Schlafs. Während zu Beginn des Lebens der Schlaf bis zu 50% von REM-Schlaf dominiert wird, pendelt sich der REM-Schlaf spätestens ab der Pubertät bei ca. 20% der Gesamtschlafzeit ein, um mit zunehmendem Alter nur noch geringfügig abzusinken ( vgl. Abb. 1 ). Die NREM-Schlaf-Anteile zeigen weniger Variabilität über die Lebensspanne. Dies gilt jedoch nicht für die Tiefschlafanteile, die Stadien III und IV, die mit zunehmendem Alter deutlich reduziert werden ( vgl. Infobox 1 ).

Phylogenese des Schlafs

Studien an vielen Tierarten wiesen nach, daß keineswegs alle Spezies sowohl Non-REM-(NREM-) als auch REM-Schlaf zugleich aufweisen. Die entwicklungsgeschichtlich älteren, nicht-lebendgebärenden Säugetiere weisen nur NREM-Schlaf auf, während z.B. bei Vögeln ausschließlich im Kükenalter REM-Schlaf auftritt, später nur noch NREM-Schlaf. Sowohl Beuteltiere als auch Placentatiere (Eutheria) zeigen das für den Menschen typische alternierende Muster von NREM- und REM-Schlaf. Es gibt Spekulationen darüber, daß sowohl das Auftreten als auch das Ausmaß des prozentualen REM-Schlaf-Anteils bei Säugetieren mit der kognitiven Entwicklung (Kognition) und dem Gehirngewicht (Gehirn [Tab.]) korrelieren. Untersuchungen zur Phylogenese des Schlafs sind von besonderem Interesse für die Fragen nach der Funktion des Schlafs (s.u.). So wurde gezeigt, daß Körpergewicht und Schlaflänge einer Spezies zusammenhängen. Tiere mit hoher Stoffwechselintensität, wie z.B. kleine Nagetiere, zeigen längere Schlafepisoden, während Tiere mit niedriger metabolischer Umsatzrate, z.B. Elefanten, im Vergleich dazu kurze Schlafzeiten und weniger Tiefschlaf aufweisen. Für Tiere mit hohem metabolischem Umsatz dürften die Vorteile des Schlafs und insbesondere des Tiefschlafs in seiner energiesparenden Funktion liegen. Der Schlaf und die dadurch erzwungene Ruhe erlaubt es, Energie zu sparen und zu konservieren (Energiekonservierung). Das zyklische Auftreten von REM-Schlaf könnte dazu dienen, den schlafenden Organismus in rhythmischen Abständen zu aktivieren, um ein zu tiefes Absinken neuronaler und zentralnervöser Funktionen zu verhindern. Die Entwicklung des REM-Schlafs könnte sich damit besonders günstig auf Hirnreifung und kognitive Entwicklung einer Spezies ausgewirkt haben.

Schlaf-Wach-Regulation

Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde ein sog. Hypnotoxin als Schlafursache postuliert. Man nahm an, daß sich während der Wachzeit eine Substanz im Organismus anreichere, die ab einem gewissen Niveau Müdigkeit und letztendlich Schlaf herbeiführe. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelte Theorien von Neurophysiologen konzentrierten sich auf den Hirnstamm als Sitz der Schlaf-Wach-Regulation. Wie Tierversuche zeigten, gibt es ein aufsteigendes Aktivierungssystem der Formatio reticularis des Hirnstamms (das aszendierende reticuläre aktivierende System, Abk. ARAS), das primär für die Aufrechterhaltung des Wachzustands verantwortlich ist („Wachzentrum“). Ursprünglich wurde Schlaf als passiver Zustand angesehen, der als Folge eines Mangelzustands an genügend starken stimulierenden Weckreizen auftritt. Schlaf läßt sich aber auch durch eine aktive Hemmung der Systeme, die den Wachzustand aufrechterhalten, herbeiführen. Nicht nur neuronale Zentren im Hirnstamm, sondern auch höhere Hirnareale im Thalamus und Hypothalamus sowie in der Großhirnrinde steuern das komplexe Wechselspiel der Schlaf-Wach-Regulation. Der franz. Neurobiologe Jouvet formulierte eine Neurotransmitter-Theorie des Schlafs. Serotonin ( vgl. Infobox 2 ) wurde mit dem NREM-Schlaf in Verbindung gebracht, während Noradrenalin mit dem REM-Schlaf assoziiert wurde. Die amerikanischen Neurophysiologen Hobson und McCarley stellten das zur Zeit unumstrittenste Modell der Regulation von NREM- und REM-Schlaf auf. Basierend auf experimentellen Untersuchungen an Katzen konnte gezeigt werden, daß die Steuerungszentren von NREM- und REM-Schlaf vornehmlich im Hirnstamm lokalisiert sind. Während aminerge Neuronengruppen in den dorsalen Raphekernen und dem Locus coeruleus während des NREM-Schlafs aktiv sind, findet sich während des REM-Schlafs ein Überwiegen cholinerger neuronaler Aktivität besonders im gigantozellulären Feld der Brückenhaube (dorsaler Teil der Brücke mit den Hirnnervenkernen des Abducens, Facialis, Trigeminus und Vestibulocochlearis). Der zyklische Ablauf von NREM- und REM-Phasen wird durch die reziproke Interaktion aminerger und cholinerger neuronaler Aktivität dominiert. Über die interne Regulation von NREM- und REM-Schlaf hinaus formulierte der schweizerische Pharmakologe Borbély das Zwei-Prozeß-Modell des Schlafs ( vgl. Abb. 3 ) als Versuch, den Ablauf der Schlaf-Wach-Rhythmik genauer zu erklären. Er integrierte dabei viele der bis zum damaligen Zeitpunkt vorliegenden Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung in seine Theorie, insbesondere Daten zur Frequenzanalyse des Schlaf-EEGs und Experimente zum Schlafentzug. Zur Neuroendokrinologie des Schlafs: vgl. Infobox 3 .

Funktion des Schlafs

Eine befriedigende, naturwissenschaftlichen Kriterien genügende Antwort auf die Frage nach der Funktion des Schlafs ist bis heute nicht gelungen. Schlaf ist ein phylogenetisches Verhaltensrelikt: Diese Annahme stützt sich auf Schlafentzugsexperimente an Gesunden. Bei Schlafentzugsexperimenten über Zeiträume von 5 bis 10 Tagen konnten keine organischen oder psychischen Schäden, sondern „nur“ extreme Müdigkeit provoziert werden, die dann zu gehäuften Mikroschlafepisoden und schließlich zum Schlaf führt. Inzwischen konnte eindeutig nachgewiesen werden, daß Schlafentzug im Tierexperiment auch unter soweit streßfreien Bedingungen zu einem Entgleisen des Metabolismus und letztendlich zum Tod führt. Auf jeden Fall gesichert für den Schlaf ist eine energiesparende und energiekonservierende Funktion im Sinne metabolischer Erholung.
Da REM-Schlaf beim Neugeborenen fast 50% der Schlafzeit dominiert, wurde dies als Beleg dafür herangezogen, daß Schlaf und insbesondere REM-Schlaf der Ausbildung neuronaler Regelkreise und damit der Hirn-Reifung dient. Für den REM-Schlaf wird zudem angenommen, daß er auch beim Erwachsenen der Verarbeitung von tagsüber aufgenommenen Informationen dient ( vgl. Infobox 4 ).
Da eine exakte Erklärung zur Funktion des Schlafs bisher noch nicht gelang, muß man sich vorerst mit der Alltagsweisheit begnügen: Schlaf ist das beste Mittel gegen Müdigkeit. Aktivitätstyp, Ammenschlaf, Bereitschaft, Chronobiologie, co-sleeping, Gähnen, Hypnotika, Neurobiologie (Geschichte der), Schlaf-Apnoe-Syndrom, Schlafverhalten, Schlaf-Wach-Rhythmus, Sommerschlaf, Winterschlaf.

Lit.: Berger, M., Riemann, D., Steiger, A. (Hrsg.): Handbuch des normalen und gestörten Schlafs. Heidelberg, New York 1992. Borbély, A.: Das Geheimnis des Schlafs. Stuttgart 1984. Deutsche Gesellschaft für Schlafforschung und Schlafmedizin und H. Schulz (Hrsg.): Kompendium Schlafmedizin für Ausbildung, Klinik und Praxis. Landsberg/Lech 1997. Hobson, J.A.: Schlaf. Gehirnaktivität im Ruhezustand. Heidelberg, Berlin 1990. Koella, W.P.: Die Physiologie des Schlafes. Stuttgart 1988. Zimmer, D.: Wenn wir schlafen und träumen. München 1984. Zulley, J.: Schlafen und Wachen als biologischer Rhythmus. Regensburg 1993.



Schlaf

Abb. 1: A EEG verschiedener Schlafstadien: Während des ruhigen entspannten Wachseins herrscht ein Alpha-Rhythmus vor (a), der beim Einschlafen (b) von flachen Theta-Wellen verdrängt wird. Beim Leichtschlaf (c) nimmt die Frequenz weiter ab, bis schließlich Delta-Wellen vorherrschen, in die Gruppen von Schlafspindeln eingeschoben sind. Während des mitteltiefen Schlafs (d) sind zwischen die Delta-Wellen K-Komplexe eingeschoben, das Tiefschlafstadium (e) ist durch große, langsame Delta-Wellen charakterisiert. – B Darstellung eines Schlaftiefenverlaufs innerhalb einer Nacht: Die einzelnen Stadien werden mehrfach durchlaufen, während die REM-Phasen zum Morgen hin immer länger werden. Die Tiefschlafphasen werden dagegen immer kürzer und zum Morgen hin nicht mehr erreicht. – C Dauer des täglichen Schlafs und zeitliche Verteilung des REM- und NREM-Schlafs. Im Laufe des Lebens nimmt nicht nur die Schlafdauer ab, sondern auch der Anteil des REM-Schlafs am Gesamt-Schlaf innerhalb einer Nacht. Charakteristisch ist die starke Abnahme des REM-Schlaf-Anteils nach dem Kleinkindalter.



Schlaf

Abb. 2: Entwicklung des Schlaf-Wach-Rhythmus vom Säuglings- bis ins hohe Erwachsenenalter (schwarz = Schlaf)



Schlaf

Abb. 3: Zwei-Prozeß-Modell der Schlaf-Wach-Regulation nach Borbély (1982).
Wie spektralanalytische Untersuchungen des Schlaf-EEGs gezeigt haben, kommt es nach Schlafentzug zu einer Zunahme der langsamwelligen Delta-Aktivität. Dieser „Rebound“ an Delta-Aktivität bzw. Tiefschlaf läßt sich durch Frequenzanalysen besser darstellen als durch die übliche visuelle Schlafstadien-Klassifikation. Nach Borbély besteht zwischen Delta-Wellen-Aktivität und vorhergegangener Wachzeit ein linearer Zusammenhang; d.h., je länger die dem Schlaf vorhergehende Wachzeit ist, desto mehr Delta-Wellen treten auf. Die Delta-Wellen im Schlaf werden jedoch nicht linear über den ganzen Verlauf der Nacht produziert, sondern nehmen exponentiell (Exponentialfunktion) mit der Schlafdauer ab. Borbély schlug vor, diesen von der Wachzeit abhängigen homöostatischen Prozeß als S(-Schlaf) zu bezeichnen. Der zweite wichtige Prozeß in diesem Modell ist Prozeß C. Die Einführung dieses Prozesses trägt der Tatsache Rechnung, daß Schlafen und Wachen in eine Vielzahl anderer biologischer Rhythmen eingebettet sind. Prozeß C verläuft parallel zur Körpertemperatur. Die Interaktion zwischen den Prozessen C und S bestimmt das Schlaf-Wach-Verhalten. Je größer die Schere zwischen den beiden Kurven, desto höher die Schlafbereitschaft. Laufen die beiden Kurven zusammen, d.h. wurde Prozeß S im Schlaf abgebaut und steigt C an, kommt es zum Erwachen. Prozeß S steigt bei Schlafentzug stärker an (b). Der exponentielle Abfall von S im Schlaf bewirkt jedoch, daß die Schlafzeit nach Schlafentzug nicht linear zunimmt.

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