Die Stadt Glenrothes im Osten Schottlands ist Eingeweihten aufgrund ihrer beiden Steinkreise aus der Bronzezeit ein Begriff. Davon abgesehen gibt es hier nicht allzu viel zu entdecken. Im Jahr 2006 brachte es jedoch ein Sohn des Ortes kurzzeitig zu überregionalem Ruhm: Robert Wood, ein ehemaliger Koch, der sich so sehr nach seiner alten Tätigkeit zurückzusehnen schien, dass er sich nachts öfter einmal ein Omelett briet – und zwar wortwörtlich »im Schlaf«: Der Mann brutzelte sich die Eier augenscheinlich, ohne dabei aufzuwachen, geschweige denn, sich morgens daran zu erinnern!

Wood ist schon seit seiner Jugend Schlafwandler. Vier- bis fünfmal in der Woche stehe er nachts wohl auf, erklärte er gegenüber der Zeitung »The Guardian«. Meist zieht es ihn in die Küche. Bei einem Spanien-Urlaub verschlug es ihn dagegen auf den Balkon seines Hotelzimmers. Seine Frau konnte ihn im letzten Moment davon abhalten, über die Brüstung zu steigen. Wahrscheinlich rettete sie ihm damit das Leben. Das Zimmer lag im neunten Stock.

Gehirn ist nur teilweise wach

Wenn Robert Wood nachts zur Pfanne greift oder auf Klettertour geht, befindet er sich in einer Art Zwischenwelt: Er kann sich ganz normal bewegen und sogar komplexe Aufgaben erledigen. Das Essen, das er in dem Zustand koche, sei wunderbar, behauptet seine Frau. Gleichzeitig hantiert Woods in einer Art Autopilot-Modus und nimmt seine Umgebung nicht bewusst wahr – als sei während seiner nächtlichen Eskapaden nur ein kleiner Teil seines Gehirns richtig wach.

An dieser Vorstellung könnte tatsächlich etwas dran sein, wie einige Jahre später eine medizinische Fallstudie ergab. In einem italienischen Epilepsiezentrum hatte das dortige Chirurgieteam einem 20-jährigen Mann, der unter epileptischen Anfällen litt, vorübergehend insgesamt 14 dünne Elektroden ins Gehirn implantiert. Durch Aufzeichnen der Hirnströme wollte man den Anfallsherd genau lokalisieren, um ihn dann operativ gezielt entfernen zu können.

Das Schlafwandeln eines Epilepsie-Patienten

Das Besondere: Der Patient wandelte hin und wieder im Schlaf – schon seit seinem zweiten Lebensjahr! Auch in der Klinik beobachteten die Ärztinnen und Ärzte ein eigentümliches Verhalten: Der schlafende Mann streckte plötzlich seine Arme aus, als würde er jemanden umarmen, gab der imaginären Person einen Kuss und murmelte danach ein paar unverständliche Worte. Zur selben Zeit registrierten die Elektroden in seinem motorischen Kortex Aktivitätsmuster, die jenen im Wachzustand täuschend ähnelten: Der Bereich der Hirnrinde, der für die Bewegungssteuerung zuständig ist, schien für rund 30 Sekunden zu »erwachen«. Gleichzeitig schliefen aber Regionen im Stirnhirn, die unter anderem die Aufmerksamkeit steuern, laut den dortigen Elektrodensignalen noch tiefer ein.

Lokaler Schlaf beim Menschen

Anders als bei manchen Meeressäugern, bei denen jeweils nur eine Hirnhälfte schläft, galt beim Menschen der Schlaf jahrzehntelang als ein neuronaler Zustand, der sich über das gesamte Gehirn erstreckt. Zumindest bei den Robert Woods dieser Welt – jenen 20 Prozent aller Kinder und vier Prozent aller Erwachsenen, die wie er an einer »Aufwachstörung« leiden – ist das Alles-oder-nichts-Prinzip aber offenkundig aufgehoben.

Mehr noch: Inzwischen beobachteten etliche Forschungsteams, dass vermutlich bei jedem Menschen wechselnde Hirnregionen zeitweise erwachen. Im Gegensatz zu einigen Delfin- und Walarten erscheint das Phänomen aber bei uns auf kleine Areale begrenzt. »Es ist ähnlich wie bei einem Christbaum mit vielen flackernden Kerzen«, erklärt Christoph Nissen, Professor für Schlafforschung an der Universität Genf. »Immer wieder wacht ein anderes Areal auf, um dann wieder wegzudämmern.«

»Es ist ähnlich wie bei einem Christbaum mit vielen flackernden Kerzen. Immer wieder wacht ein anderes Areal auf, um dann wieder wegzudämmern.«Christoph Nissen, Schlafforscher

Zu der neuen Sichtweise trug unter anderem eine weitere Studie mit schwer an Epilepsie erkrankten Menschen bei, die aber nicht schlafwandelten. Auch ihnen hatte man vor der geplanten Operation Elektroden implantiert. Nachts zeigten Teile ihrer motorischen Hirnrinde alle paar Minuten für rund fünf Sekunden eine ähnliche Aktivität wie im Wachzustand. Das Phänomen war nicht auf den motorischen Kortex beschränkt, trat dort allerdings weitaus am häufigsten auf. Zudem wurden die lokalen Wachphasen im Verlauf der Nachtruhe immer zahlreicher. Von außen betrachtet schienen die Patienten indes ruhig und fest zu schlummern.

Vom EEG zu Elektroden im Gehirn

Hirnaktivitätsstudien mit Epilepsie-Patienten liefern uns seit mehr als zwei Jahrzehnten einzigartige Einblicke: Jede Nadel, die im Gehirn steckt, erfasst die elektrische Aktivität von gerade einmal ein paar Kubikmillimetern Nervengewebe. Die Elektroden zeigen dabei in Echtzeit an, was gerade an der Einstichstelle elektrisch vor sich geht – und zwar nur dort.

Bei der Elektroenzephalografie (EEG), wie sie vor rund 100 Jahren erstmals zum Einsatz kam, ist das anders: Bei einem Routine-EEG erfolgt die Ableitung über rund 20 Kontakte, die auf den Schädel geklebt werden. Die Spannungsverläufe, die eine Elektrode aufzeichnet, sind zwar ebenfalls nahezu verzögerungsfrei, entsprechen aber der summierten Aktivität von Milliarden von Neuronen. Die örtliche Auflösung des Standard-EEG liegt bei mehreren Zentimetern. Genauere Details auszumachen, ist so kaum möglich.

Dennoch verdanken wir dieser klassischen Technik wichtige Einsichten über die Schlafstruktur. So gliedert sich der Schlaf bei fast allen warmblütigen Tieren und dem Menschen in bestimmte Abschnitte. Wenn wir einnicken, gleiten wir zunächst in eine NREM-Phase (das Akronym steht für Non-REM, siehe unten). Dabei verändern sich die Hirnstromkurven des EEG drastisch: Im Wachzustand erinnern sie an einen See, dessen Oberfläche sich an einem stürmischen Tag in unzählige kleine Wellen kräuselt. Doch während der Nachtruhe synchronisieren die Nervenzellen ihre Aktivität: Aus den vielen kleinen, chaotischen Wellen werden wenige große, regelmäßige. Je tiefer der Schlaf, desto höher türmen sich die Wogen, und desto langsamer folgen sie aufeinander. Das tiefste Stadium wird daher auch als Slow Wave Sleep (langsamwelliger Schlaf) bezeichnet.

Je tiefer der Schlaf, desto höher türmen sich die Wogen im EEG, und desto langsamer folgen sie aufeinander.

An den Tiefschlaf schließt sich in der Regel eine REM-Phase an. Das Kürzel steht für »rapid eye movement«. Die Schlafenden haben dabei meist die Lider geschlossen, dahinter aber zucken ihre Augen hin und her. Die EEG-Kurve ähnelt der im Wachzustand. Danach synchronisiert und verlangsamt sich ihre Hirnaktivität wieder. Bei den meisten Menschen folgen auf diese Weise vier bis sechs NREM-REM-Zyklen aufeinander, bevor sie schließlich erwachen. Der REM-Zustand umfasst in der Summe nur 90 bis 120 Minuten, die übrige Zeit verbringen wir im tiefen NREM-Schlaf. Die für ihn charakteristischen langsamen Hirnwellen werden dabei im Lauf der Nacht immer flacher.

Grund dafür ist vermutlich der nachlassende Schlafdruck. Denn mit zunehmender Schlafdauer regenerieren sich die Neurone nach und nach. Zu dieser Interpretation passt eine Beobachtung, die der Neurowissenschaftler Reto Huber zusammen mit Kolleginnen und Kollegen bereits vor mehr als 20 Jahren im Fachjournal »Nature« publizierte. Demnach schlummern Hirnareale, die tagsüber besonders viel leisten mussten, nachts zum Ausgleich extra tief. Bei dieser verfeinerten Technik sind 256 Elektroden gleichmäßig über den gesamten Kopf verteilt. Auf diese Weise lassen sich lokale Unterschiede in den EEG-Mustern erfassen, ohne dass dazu Elektroden implantiert werden müssten.

Tiefschlaf zur Verfestigung

Die Versuchspersonen hatten tagsüber geübt, mit Handbewegungen auf einem Grafiktablett einen Mauszeiger auf einem Monitor zu verschiedenen Zielen zu steuern. Sie konnten ihre Hand dabei nicht sehen. Gemeinerweise führten die Forscher eine störende Diskrepanz zwischen Hand- und Mauszeigerbewegung ein. Beispielsweise wich der Mauscursor immer um genau 15 Grad von der Richtung der Handbewegung ab. Die Teilnehmenden lernten jedoch unbewusst, diese Abweichung auszugleichen. Aus anderen Studien war bereits bekannt, dass bei einer solchen Aufgabe ein Netzwerk von Nervenzellen unterhalb des Scheitels besonders gefordert ist. »Genau in dieser Region registrierten unsere EEG-Elektroden in der Nacht danach eine erhöhte Slow-Wave-Aktivität, also besonders ausgeprägte langsame Hirnwellen«, erklärt Huber.

Die Studie liefert auch Hinweise darauf, wozu solche Tiefschlafphasen gut sind: Am nächsten Morgen absolvierten die Versuchspersonen nämlich dieselbe Aufgabe noch einmal, aber mit einem anderen Cursor-Versatz. Alle Probanden lernten schneller als am Vortag, den veränderten Winkel zu kompensieren. »Am stärksten fiel der Performance-Zuwachs aber bei denen aus, die im Schlaf in der Scheitel-Region eine besonders ausgeprägte Slow-Wave-Aktivität gezeigt hatten«, betont Huber. Die langsamen Hirnwellen in der Nacht hatten offenbar dazu beigetragen, die neu erlernte Kompensationsfähigkeit zu festigen.

Schlaf als Preis für Neuroplastizität

Auf den ersten Blick haben unsere nächtlichen Auszeiten einen enormen Nachteil. Der Mensch ist währenddessen mehr oder weniger schutzlos allen möglichen Gefahren ausgeliefert – früher waren es wilde Tiere und kriegerische Überfälle, heute vielleicht Einbrecher oder ein Wohnungsbrand. Dennoch erleben alle Tierarten, die man bislang untersucht hat, Phasen der Inaktivität, die sich als Schlaf interpretieren lassen. Offenbar sind sie zwingend notwendig, sonst hätte sich das Phänomen im Lauf der Evolution nicht gehalten. Die Neurowissenschaftlerin Chiara Cirelli und ihr Kollege Giulio Tononi von der US-amerikanischen University of Wisconsin glauben, Schlaf sei unter anderem ein Preis, den wir für die neuronale Plastizität bezahlen müssen, also für die Fähigkeit, dass sich die Netzwerke im Gehirn abhängig von unseren Erfahrungen verändern können.

Der Ruf der Präsynapse

Das lässt sich zum Beispiel an den Übertragungskontakten zwischen Nervenzellen beobachten, den Synapsen. Sie bestehen aus einer Art Sendevorrichtung, der Präsynapse, und einer Empfängerstruktur, der Postsynapse. Dazwischen liegt der synaptische Spalt. Er verhindert, dass die elektrischen Impulse direkt weitergeleitet werden. Stattdessen rufen sich die Neurone ihre Informationen quasi über die Kluft hinweg zu, und zwar mittels chemischer Botenstoffe. Ist die Synapse schwach, dann ist ihr Ruf entsprechend leise und verhallt oft ungehört. Je häufiger sie jedoch genutzt wird, desto kräftiger wird die Stimme der Präsynapse und desto empfindlicher zudem das Gehör der Postsynapse. Deshalb bewirkt irgendwann schon eine sehr geringe Reizung des Sender-Neurons in der Empfängerzelle eine deutliche elektrische Antwort.

Diese synaptische Formbarkeit ist die Grundlage allen Lernens. Allerdings strömen tagsüber so viele Eindrücke auf uns ein, dass sehr viele Synapsen in unserem Gehirn gestärkt werden. Umgekehrt können Veränderungen in unserer Umgebung dafür sorgen, dass Verbindungen, die zuvor sehr oft genutzt wurden, nun plötzlich viel unwichtiger sind. Es muss zusätzlich Mechanismen geben, die Synapsen wieder schwächen, sonst würden die neuronalen Verbindungen irgendwann alle auf »maximaler Lautstärke« stehen. »In solch einem Sättigungszustand wäre es nicht mehr möglich, Neues zu lernen«, erklärt Chiara Cirelli. »Darunter leidet zudem die Signalqualität, weil dann auch völlig irrelevante Informationen weitergeleitet werden.« Es ist wie bei einer Diskussionsrunde, in der sich auch diejenigen vehement zu Wort melden, die eigentlich nichts zu sagen haben.

»Verschone mich« im Schlaf

Das Gehirn regelt die neuronalen Kontakte daher wieder herunter – und zwar wahrscheinlich vor allem während des langsamwelligen Tiefschlafs. Allerdings erfolgt diese Schwächung vermutlich nicht pauschal bei allen Nervenzell-Verbindungen. »Wir glauben, dass jene Synapsen verschont werden, die zuvor im Wachzustand an Lernvorgängen beteiligt waren«, erklärt Cirelli. Denn während des Lernens verändern sich manche Moleküle auf der Oberfläche der Synapsen auf charakteristische Weise. Diese Modifikationen fungieren im Schlaf quasi als kleine Aufkleber mit der Aufschrift »Verschone mich!« – so zumindest die Theorie.

Im Jahr 2021 war die Wissenschaftlerin an einer Studie beteiligt, die dieser These Rückenwind verleiht. Darin lernten Mäuse, auf einem Laufrad zu laufen, dem ein Teil der Sprossen fehlte. Das Team schaute sich Hunderte von einzelnen Synapsen in einem Hirnbereich an, der zum Erlernen dieser kniffligen motorischen Fertigkeit gebraucht wird. »Ungefähr zehn Prozent der Synapsen im motorischen Kortex wurden dadurch deutlich gestärkt, vermutlich diejenigen, die in den Lernprozess involviert waren«, sagt Cirelli. »Nachdem die Tiere einige Stunden geschlafen hatten, haben wir uns ihre Synapsen noch einmal angesehen: Die Verbindungen, die direkt am Lernvorgang beteiligt gewesen waren, waren durch den Schlaf nicht geschwächt worden, die anderen 90 Prozent dagegen schon.« 

Ähnliches könnte im Gehirn passieren, wenn Menschen wie in Reto Hubers Versuch etwa lernen, die dejustierte Cursorbewegung zu meistern: Im fraglichen Areal werden jene Synapsen, die sie dazu nicht brauchten, in der nächtlichen Ruhephase heruntergedimmt. Dadurch plappern sie am nächsten Tag nicht mehr so laut dazwischen, wenn die »wichtigen« Verbindungen ihrer Arbeit nachgehen.

Mensch wach, Gehirn teilweise im Schlaf

Ob weitere Studien Cirellis Beobachtung bestätigen, muss sich erst noch zeigen. Die Frage nach den molekularen Mechanismen im langsamwelligen Schlaf, die das Erinnerungsvermögen stärken, wird die Forschung sicher noch einige Zeit beschäftigen. Das gilt auch für ein weiteres Phänomen, das sich in gewisser Weise spiegelbildlich zum bislang Beschriebenen verhält: Einerseits können Menschen und Tiere schlafen, während Teile ihres Gehirns wach sind – andererseits können sie aber auch wach sein, während Teile ihres Gehirns schlafen. Wieder war es ein Team um Giulio Tononi, das erstmals Hinweise auf dieses Phänomen fand.

Im wachen Zustand erzeugen die Nervenzellen im Gehirn immer wieder kurze Spannungsausschläge (»Aktionspotenziale«) – sie »feuern«. Das tun sie aber oft unregelmäßig und je nach Situation nur örtlich begrenzt koordiniert. Während des Tiefschlafs wechseln dagegen riesige Netzwerke von Neuronen synchron zwischen zwei Zuständen hin und her: Sie feuern für ein paar Zehntelsekunden, um danach auf einen Schlag für ein paar Zehntelsekunden zu verstummen (in der Hirnforschung bezeichnet man das als An- und Aus-Phasen). Die charakteristischen langsamen Hirnwellen, die das EEG dann aufzeichnet, sind die Folge dieser synchronisierten, gemeinschaftlichen elektrischen Aktivität.

Ratten unter Schlafentzug

Für den Versuch hatte Tononis Team einer Reihe von Ratten Elektroden ins Gehirn implantiert. Einige Tage nach dem Eingriff begann das eigentliche Experiment, in dem die Forschenden die Versuchstiere für mehrere Stunden wachhielten. Das stellte eine gewisse Herausforderung dar, denn normalerweise halten die Nager spätestens alle 60 Minuten ein Schläfchen. Deshalb legten die Versuchsleiter jedes Mal, wenn die Tiere einzunicken drohten, neue oder spannende Spielobjekte in den Käfig. 

In der Folge schalteten sich bei den Ratten einzelne Nervenzellen zeitweise ab, nur für ein paar Wimpernschläge. Je länger der Schlafentzug dauerte, desto häufiger wurden die Aussetzer. Die Nager blieben dabei jedoch wach: Sie hatten ihre Augen geöffnet, reagierten auf Licht und Geräusche und verhielten sich auch sonst normal. Da das Phänomen stets nur einzelne Neurone betraf, zeigte es sich nicht im gleichzeitig aufgezeichneten EEG: Die Hirnstromkurven behielten den für wache Ratten typischen Verlauf.

Müdes Gehirn macht Fehler

»Dennoch können diese lokalen, auf einzelne Zellen beschränkten Schlafereignisse negative Auswirkungen haben«, betont Chiara Cirelli, die ebenfalls am Versuch beteiligt war. Zu Beginn des Experiments hatten die Tiere gelernt, nach einem Futterkügelchen zu greifen. Aber wenn sich einzelne Neuronen abschalteten, scheiterten sie häufig an dieser Aufgabe. Wie eine weitere Studie der Gruppe um Tononi mit 16 Versuchspersonen ergab, können sich auch bei uns kleine Areale im Gehirn kurzzeitig abschalten. Und auch wir zeigen in diesen Momenten oft schlechtere Leistungen bei Aufgaben, bei denen wir die betroffenen Regionen benötigen.

»Wir nehmen heute an, dass der Übergang vom Wach- in den Schlafzustand ein Kontinuum ist.«Reto Huber, Schlafforscher

Je länger wir wach sind, desto mehr Nervenzellgruppen fallen in einen kurzzeitigen Schlummer. »Wir nehmen heute an, dass der Übergang vom Wach- in den Schlafzustand ein Kontinuum ist«, erklärt Huber. »Zunächst gehen einzelne kleine Hirnregionen ganz kurzzeitig offline. Beim Sekundenschlaf sind dagegen bereits weite Teile des Gehirns betroffen, aber ebenfalls nur sehr kurz. Im Tiefschlaf dagegen synchronisieren sich dann über das gesamte Gehirn verteilt große Netzwerke, und das für längere Zeit.« Bei diesem Übergang spielen Schlafzentren im Hirnstamm eine wesentliche Rolle: Sie sorgen beispielsweise dafür, dass das Gehirn weniger wachmachende Botenstoffe produziert. Das erleichtert wiederum die Ausbildung der gemeinschaftlichen Slow-Wave-Aktivität.

Beim Träumen wacht die Hot Zone

Das Konzept des lokalen Schlafs rückt noch ein weiteres Phänomen in ein neues Licht: das Träumen. Lange Zeit dachte man, dass die nächtlichen Fantasien ausschließlich während der REM-Phasen auftreten. Aber auch wenn man Personen aus dem NREM-Schlaf aufweckt, berichten bis zu 70 Prozent von ihnen über Träume. Laut den Ergebnissen einer in »Nature Neuroscience« publizierten Studie aus Tononis Gruppe von 2017 spielt dabei ein am Hinterkopf liegendes Gebiet der Hirnrinde eine zentrale Rolle.

Nur wenn dort die langsamen Wellen zugunsten hochfrequenter Aktivität abnahmen und die Probandinnen und Probanden direkt danach geweckt wurden, gaben sie an, kurz zuvor geträumt zu haben. Das traf für NREM- wie für REM-Schlafphasen zu. »Wir glauben, dass in dieser ›Hot Zone‹ Informationen integriert werden, was eine Voraussetzung für bewusste Wahrnehmung ist«, ordnet Reto Huber das Ergebnis ein. Möglicherweise entstehen also Träume dadurch, dass Teile unseres Bewusstseins zwischenzeitlich nicht ganz so tief schlafen.

Gefühlte Schlaflosigkeit

Ein ähnliches Phänomen könnte auch bei der »gefühlten Schlaflosigkeit« eine Rolle spielen, die viele Menschen quält. Die Betroffenen haben den Eindruck, weite Teile der Nacht wachgelegen zu haben. Aber laut EEG haben sie ganz normal geschlummert. »Es gibt oft eine riesige Diskrepanz zwischen objektiver Messung und subjektiver Wahrnehmung«, sagt der Genfer Schlafforscher Christoph Nissen, aus dessen Arbeitsgruppe eine 2025 publizierte Studie dazu stammt. »Und zwar auch bei gesunden Menschen, wie wir beobachteten: Wenn wir die Versuchspersonen aus dem NREM-Schlaf geweckt hatten, erklärten sie in 50 Prozent der Fälle, bereits wach gewesen zu sein.«

»Wir schalten im Schlaf nicht komplett ab, sondern nehmen noch Informationen wahr und können so eventuell noch auf Bedrohungen reagieren.Christoph Nissen, Schlafforscher

Der Wissenschaftler hat sich zusammen mit seinen Kolleginnen und Kollegen das Schlaf-EEG der Betroffenen genauer angeschaut. Dazu zerlegten die Forscher die Hirnstromkurven in ihre Frequenzanteile. Normalerweise überwiegen im NREM-Schlaf die langsamen Wellen mit niedriger Frequenz. Bei den Versuchspersonen, die sich als wach empfunden hatten, zeigte sich jedoch tatsächlich ein erhöhter Anteil an hochfrequenten Schwingungen. Einige Bereiche ihres Gehirns waren also wirklich in einem wachähnlicheren Zustand gewesen, auch wenn die EEG-Aufzeichnungen das auf den ersten Blick nicht vermuten ließen. »Das scheint durchaus normal, also nichts Pathologisches zu sein«, betont Nissen. »Wahrscheinlich hat sich das im Lauf der Evolution als sinnvoll herausgestellt: Wir schalten im Schlaf nicht komplett ab, sondern nehmen noch Informationen wahr und können so eventuell noch auf Bedrohungen reagieren.«

Im Hotel schläft nur die eine Hirnhälfte

Tatsächlich gibt es sogar Hinweise darauf, dass auch bei Menschen manchmal eine Hirnhälfte weniger tief schläft als die andere – nämlich, wenn wir zum ersten Mal in einer fremden Umgebung übernachten. Die Asymmetrie sei allerdings weniger ausgeprägt und auf kleinere Hirnregionen beschränkt als bei den Meeressäugern, betonen Wissenschaftler von der Brown University in Providence (USA), die das Phänomen untersuchten.

Bei Personen, die unter Insomnie (also lang anhaltender Schlaflosigkeit) leiden, scheint das System aus dem Ruder zu laufen – vielleicht, weil die Betroffenen sich so sehr um ihren Schlaf sorgen. Die Furcht triggert dann permanent einen Mechanismus, der es uns eigentlich erlauben soll, sogar in Morpheus’ Armen nach Gefahren Ausschau halten zu können. Verhaltenstherapien zielen daher unter anderem darauf ab, die Angst vor der Schlaflosigkeit zu verringern. Dabei kann auch das Wissen helfen, dass die Reaktion nicht krankhaft ist, sondern eine Folge ganz normaler lokaler Schlafmuster, die unseren Vorfahren vielleicht manches Mal das Leben gerettet haben.