Fast jeder kennt dieses Gefühl. Nach einer Nacht mit schlechtem Schlaf fällt es schwerer, sich zu konzentrieren. Die Gedanken schweifen ab, die Reaktionszeiten verlangsamen sich und die geistige Klarheit lässt nach, gerade wenn man am meisten Aufmerksamkeit braucht. Neue Forschungsergebnisse des MIT geben Aufschluss darüber, was während dieser kurzen Konzentrationslücken im Gehirn vor sich geht. Die Studie zeigt, dass bei einem vorübergehenden Konzentrationsverlust Liquor (CSF) aus dem Gehirn abfließt, ein Prozess, der normalerweise während des Schlafs stattfindet und dabei hilft, Abfallstoffe zu beseitigen, die sich im Laufe des Tages angesammelt haben. Diese Reinigungsaktivität gilt als wichtig für die Gesundheit und Funktionsfähigkeit des Gehirns.

Der Körper versucht verlorenen Schlaf auszugleichen

Schlafmangel bezeichnet einen Zustand, in dem der Körper und das Gehirn über einen längeren oder kürzeren Zeitraum nicht ausreichend Schlaf erhalten, um sich vollständig zu erholen und normal zu funktionieren. Er kann entstehen, wenn die Schlafdauer regelmäßig unter dem individuellen Bedarf liegt oder wenn die Schlafqualität vermindert ist, etwa durch häufiges Aufwachen oder nicht-erholsamen Schlaf. Man unterscheidet zwischen akutem Schlafmangel, der nach einzelnen Nächten mit zu wenig Schlaf auftritt, und chronischem Schlafmangel, der sich über Wochen oder Monate erstreckt.

Wenn jemand unter Schlafmangel leidet, scheint der Körper zu versuchen, den verlorenen Schlaf auszugleichen, indem er während der Wachphase diese flüssigen Bewegungen auslöst. Diese Kompensation hat jedoch einen erheblichen Nachteil: eine stark verminderte Aufmerksamkeit. „Wenn man nicht schläft, dringen die CSF-Wellen in die Wachphase ein, wo man sie normalerweise nicht sehen würde. Allerdings gehen sie mit einem Aufmerksamkeitsverlust einher, da die Aufmerksamkeit in den Momenten, in denen diese Flüssigkeitswelle auftritt, nachlässt“, sagt Laura Lewis, Athinoula A. Martinos Associate Professor für Elektrotechnik und Informatik, Mitglied des MIT Institute for Medical Engineering and Science und des Research Laboratory of Electronics sowie assoziiertes Mitglied des Picower Institute for Learning and Memory. Lewis ist die leitende Autorin der Studie, die in Nature Neuroscience veröffentlicht wurde. Der Postdoktorand Zinong Yang vom MIT ist der Hauptautor.

Wie Schlaf das Gehirn reinigt

Schlaf ist überlebenswichtig, doch Wissenschaftler verstehen noch immer nicht vollständig, warum er eine so entscheidende Rolle spielt. Klar ist, dass Schlaf notwendig ist, um wachsam zu bleiben, und dass Schlafmangel die Aufmerksamkeit und andere geistige Fähigkeiten nachweislich beeinträchtigt. Auf körperlicher Ebene dient Schlaf der Regeneration: Zellen und Gewebe werden repariert, Wachstumshormone ausgeschüttet und das Immunsystem gestärkt. Zudem spielt Schlaf eine zentrale Rolle bei der Regulation von Hormonen und des Stoffwechsels, etwa bei der Steuerung von Hunger, Blutzucker und Energiehaushalt.

Eine wichtige Funktion des Schlafs betrifft die Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit, die das Gehirn umgibt und polstert. Während des Schlafs hilft die Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit dabei, Abfallstoffe auszuspülen, die sich während der Wachzeiten ansammeln. In einer Studie aus dem Jahr 2019 fanden Lewis und ihre Kollegen heraus, dass sich diese Flüssigkeit während des Schlafs in einem rhythmischen Muster bewegt, das eng mit Veränderungen in der Gehirnwellenaktivität zusammenhängt.

Diese frühere Entdeckung warf eine neue Frage auf: Was passiert mit diesem Flüssigkeitssystem, wenn der Schlaf gestört wird? Um dies herauszufinden, rekrutierten die Forscher 26 Freiwillige, die zweimal Tests absolvierten, einmal nach einer Nacht mit Schlafentzug im Labor und einmal nach einer Nacht mit ausreichender Erholung. Am nächsten Morgen führten die Teilnehmer eine Standardaufgabe durch, mit der die Auswirkungen von Schlafentzug bewertet werden, während die Forscher eine Vielzahl von Gehirn- und Körpersignalen verfolgten.

Messung der Aufmerksamkeit und des Flüssigkeitsflusses im Gehirn

Während des Experiments trug jeder Teilnehmer eine Elektroenzephalogramm-Kappe (EEG), um die Gehirnaktivität zu überwachen, während er in einem funktionellen Magnetresonanztomographen (fMRT) lag. Das Team verwendete eine spezielle Version des fMRT, mit der sowohl der Blutsauerstoffgehalt als auch die Bewegung der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit (CSF) in und aus dem Gehirn verfolgt werden konnte. Herzfrequenz, Atemfrequenz und Pupillengröße wurden ebenfalls aufgezeichnet.

Die Teilnehmer absolvierten zwei Aufmerksamkeitstests im Scanner, einen visuellen und einen auditiven. Bei der visuellen Aufgabe beobachteten sie ein feststehendes Kreuz auf einem Bildschirm, das sich gelegentlich in ein Quadrat verwandelte. Sie wurden angewiesen, bei jeder Veränderung einen Knopf zu drücken. Bei der auditiven Aufgabe wurde das visuelle Signal durch einen Ton ersetzt. Wie erwartet schnitten die Teilnehmer mit Schlafmangel deutlich schlechter ab als die ausgeruhten Teilnehmer. Ihre Reaktionen waren langsamer, und in einigen Fällen nahmen sie das Signal überhaupt nicht wahr.

Als diese kurzen Aufmerksamkeitsausfälle auftraten, beobachteten die Forscher mehrere physiologische Veränderungen, die gleichzeitig auftraten. Am auffälligsten war, dass sich der Liquor während des Ausfalls aus dem Gehirn nach außen bewegte und dann wieder zurückfloss, sobald die Aufmerksamkeit zurückkehrte. „Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass in dem Moment, in dem die Aufmerksamkeit nachlässt, diese Flüssigkeit tatsächlich aus dem Gehirn nach außen ausgestoßen wird. Und wenn die Aufmerksamkeit wieder zurückkehrt, wird sie wieder nach innen gezogen“, sagt Lewis.

Das Team glaubt, dass dieses Muster den Versuch des Gehirns widerspiegelt, den Schlafmangel auszugleichen, indem es einen Reinigungsprozess aktiviert, der normalerweise nachts stattfindet, auch wenn dies vorübergehend die Aufmerksamkeit stört. „Eine Möglichkeit, diese Ereignisse zu erklären, ist, dass Ihr Gehirn so sehr Schlaf benötigt, dass es sein Bestes versucht, in einen schlafähnlichen Zustand zu gelangen, um einige kognitive Funktionen wiederherzustellen“, sagt Yang. „Das Flüssigkeitssystem Ihres Gehirns versucht, die Funktion wiederherzustellen, indem es das Gehirn dazu bringt, zwischen Zuständen hoher Aufmerksamkeit und hohem Durchfluss zu wechseln.“

Ein zusammenarbeitendes System aus Gehirn und Körper

Die Studie ergab auch, dass Aufmerksamkeitslücken mit Veränderungen außerhalb des Gehirns selbst zusammenhängen. In diesen Momenten verlangsamten sich die Atmung und die Herzfrequenz, und die Pupillen verengten sich. Die Pupillenverengung begann etwa 12 Sekunden bevor die Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit aus dem Gehirn abfloss und kehrte sich um, nachdem die Aufmerksamkeit zurückgekehrt war. „Interessant ist, dass dies offenbar nicht nur ein Phänomen im Gehirn ist, sondern ein Vorgang, der den gesamten Körper betrifft. Das deutet darauf hin, dass diese Systeme eng miteinander koordiniert sind. Wenn die Aufmerksamkeit nachlässt, spürt man das zwar wahrnehmungsmäßig und psychologisch, aber es spiegelt auch einen Vorgang wider, der im gesamten Gehirn und Körper stattfindet“, sagt Lewis.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein einziges Kontrollsystem sowohl die Aufmerksamkeit als auch grundlegende Körperfunktionen wie Flüssigkeitsfluss, Herzfrequenz und Wachsamkeit koordinieren könnte. „Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass es einen einheitlichen Kreislauf gibt, der sowohl die Funktionen des Gehirns steuert, die wir als sehr hochentwickelt betrachten – unsere Aufmerksamkeit, unsere Fähigkeit, die Welt wahrzunehmen und auf sie zu reagieren –, als auch ganz grundlegende physiologische Prozesse wie die Flüssigkeitsdynamik des Gehirns, den Blutfluss im gesamten Gehirn und die Verengung der Blutgefäße“, sagt Lewis. Die Forscher konnten zwar nicht den spezifischen Schaltkreis identifizieren, der daran beteiligt ist, weisen jedoch auf das noradrenerge System als starken Kandidaten hin. Dieses System, das den Neurotransmitter Noradrenalin zur Regulierung der Kognition und der Körperfunktionen nutzt, schwankt bekanntermaßen während des normalen Schlafs.