Forscher der University of Texas at Austin haben ein weiches, tragbares Pflaster entwickelt, das den REM-Schlaf gezielt beeinflussen kann. Das als NEUSLeeP bezeichnete Gerät kombiniert sanfte fokussierte Ultraschallstimulation mit Elektroden, die gleichzeitig die elektrische Aktivität des Gehirns aufzeichnen. Das Besondere daran: Das Pflaster wird direkt auf der Haut getragen und soll während des natürlichen Schlafs tiefer liegende Bereiche des Gehirns erreichen. Gleichzeitig kann es die Hirnaktivität überwachen.

In einer ersten Studie mit 28 Personen gelangten die Teilnehmer nach der Stimulation im Durchschnitt rund 43 Minuten früher in die REM-Schlafphase und verbrachten dort etwa 16 Minuten länger. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Die Forscher sehen in der Technologie vor allem einen möglichen neuen Ansatz, um Schlafprozesse besser zu untersuchen und langfristig möglicherweise Menschen mit bestimmten Schlaf- oder psychischen Erkrankungen zu unterstützen. Für eine medizinische Anwendung sind allerdings noch deutlich größere Studien notw

Was ist das Besondere an dem Schlafpflaster?

NEUSLeeP steht für ein nicht-invasives System, das elektrophysiologische Messungen und fokussierten Ultraschall in einem tragbaren Pflaster kombiniert. Während herkömmliche Systeme zur Untersuchung oder Beeinflussung tiefer Hirnregionen häufig große Geräte benötigen, wurde NEUSLeeP so entwickelt, dass es während des Schlafs direkt auf der Haut getragen werden kann.

Das Pflaster verfügt über Elektroden, die unter anderem EEG-Signale erfassen. Dadurch können die Forscher feststellen, in welcher Schlafphase sich eine Person befindet. Gleichzeitig erzeugt ein speziell entwickeltes Ultraschallmodul fokussierte Schallwellen, mit denen eine tiefer liegende Hirnregion gezielt stimuliert werden kann.

Im Mittelpunkt der Untersuchung stand der subthalamische Kern (STN), eine tief im Gehirn liegende Struktur, die Teil komplexer Netzwerke ist und unter anderem mit Bewegungssteuerung und verschiedenen Funktionen der Basalganglien verbunden ist. Die Forscher vermuten, dass die gezielte Stimulation dieses Bereichs Netzwerke beeinflussen kann, die an der Regulation des REM-Schlafs beteiligt sind.

Das Gerät wiegt nach Angaben der Forscher etwa 103 Gramm und wurde speziell für die Anwendung über Nacht entwickelt. Durch die flexible Konstruktion soll es sich an die Haut anpassen und auch während des Schlafs getragen werden können.

REM-Schlaf beginnt deutlich früher

Für die erste Untersuchung wurden 28 Personen einbezogen. 16 Teilnehmer galten nach einem standardisierten Schlaf-Fragebogen als gesunde Schläfer, während 12 Personen erhöhte Werte für Schlafprobleme aufwiesen. Die Teilnehmer waren zwischen 19 und 38 Jahre alt.

Die Untersuchung erfolgte über zwei aufeinanderfolgende Nächte. In der ersten Nacht wurde eine Scheinbehandlung durchgeführt, in der zweiten Nacht kam die Ultraschallstimulation zum Einsatz. Dadurch konnten die Forscher die Veränderungen innerhalb derselben Personen vergleichen.

Das Ergebnis war vor allem beim REM-Schlaf auffällig. Die Zeit bis zum ersten Auftreten der REM-Phase verkürzte sich insgesamt um rund 43 Minuten. Gleichzeitig nahm der Anteil des REM-Schlafs an der gesamten Schlafzeit um etwa 4,6 Prozent beziehungsweise rund 16 Minuten zu. Die Veränderungen wurden sowohl bei den gesunden Teilnehmern als auch bei der Gruppe mit Schlafproblemen beobachtet.

Dabei veränderte die Stimulation nach Angaben der Forscher nicht grundsätzlich die gesamte Schlafarchitektur. Schlafstadien wie N1, N2 und N3 sowie die allgemeine Schlafeffizienz zeigten keine wesentlichen Veränderungen. Auch die Zahl der nächtlichen Aufwachreaktionen blieb weitgehend unverändert. Die Ergebnisse deuten deshalb darauf hin, dass die Stimulation möglicherweise relativ gezielt den REM-Schlaf beeinflussen kann, ohne den gesamten Schlafrhythmus deutlich zu verändern.

Warum ist der REM-Schlaf so wichtig?

Der REM-Schlaf ist die Schlafphase, in der besonders häufig lebhafte Träume auftreten. Gleichzeitig ist er weit mehr als nur die Phase, in der wir träumen. Während des REM-Schlafs ist das Gehirn in vielerlei Hinsicht aktiv. Die Forschung bringt diese Schlafphase unter anderem mit der Verarbeitung emotionaler Erfahrungen, Gedächtnisprozessen und der Anpassung an Stress in Verbindung.

Deshalb interessiert sich die Wissenschaft zunehmend dafür, ob Veränderungen des REM-Schlafs auch mit psychischer Gesundheit zusammenhängen. Störungen des REM-Schlafs werden unter anderem bei Depressionen, Angststörungen und einer posttraumatischen Belastungsstörung (PTBS) beobachtet.

Die neue Studie zeigt allerdings nicht, dass eine Verlängerung des REM-Schlafs automatisch Depressionen, Angststörungen oder PTBS behandelt. Sie liefert zunächst einen technischen Nachweis dafür, dass sich diese Schlafphase mit einem nicht-invasiven tragbaren System gezielt beeinflussen lässt.

Hinweise auf Auswirkungen auf Stress und emotionale Verarbeitung

Die Forscher untersuchten deshalb nicht nur den Schlaf selbst. Bei den gesunden Teilnehmern beobachteten sie nach der Stimulation auch Veränderungen der Herzfrequenzvariabilität (HRV). Die Herzfrequenzvariabilität beschreibt die zeitlichen Schwankungen zwischen einzelnen Herzschlägen. Sie wird häufig als Maß dafür verwendet, wie flexibel das autonome Nervensystem auf unterschiedliche Anforderungen reagieren kann. In der gesunden Gruppe stieg die HRV nach der Stimulation an. Bei den Teilnehmern mit Schlafproblemen zeigte sich dieser Effekt dagegen nicht eindeutig. Zusätzlich führten die Forscher nach der Schlafuntersuchung bildgebende Untersuchungen des Gehirns durch. Dabei zeigten sich Veränderungen der Aktivität in bestimmten Hirnregionen, die an der Verarbeitung emotionaler Reize beteiligt sind.

Diese Ergebnisse sind interessant, müssen aber vorsichtig interpretiert werden. Die Untersuchung war klein und nicht darauf ausgelegt, nachzuweisen, dass NEUSLeeP psychische Erkrankungen behandeln kann. Gregory Fonzo, einer der Co-Projektleiter, bezeichnete den REM-Schlaf als wichtigen Bestandteil der emotionalen Verarbeitung und Stressanpassung. Die Forscher hoffen deshalb, dass eine gezielte Beeinflussung dieser Schlafphase künftig neue Möglichkeiten für die Behandlung bestimmter Beschwerden eröffnen könnte.

Kein Medikament und kein chirurgischer Eingriff

Ein möglicher Vorteil der Technologie besteht darin, dass sie ohne Medikamente und ohne chirurgischen Eingriff auskommt. Bei klassischen Verfahren zur gezielten Stimulation tiefer Hirnregionen kommen teilweise implantierte Elektroden zum Einsatz. Solche Verfahren können sehr präzise sein, sind aber mit einem operativen Eingriff verbunden. NEUSLeeP verfolgt dagegen einen nicht-invasiven Ansatz: Die Ultraschallenergie wird von außen auf eine bestimmte Hirnregion fokussiert.

Das könnte langfristig besonders für Anwendungen interessant sein, bei denen eine wiederholte Behandlung notwendig wäre. Gleichzeitig ist genau diese nicht-invasive Stimulation eine der Fragen, die in weiteren Studien noch genauer untersucht werden müssen.

In der aktuellen Untersuchung berichteten die Teilnehmer das Pflaster als komfortabel, und es wurden nur wenige Nebenwirkungen beobachtet. Die Studie war allerdings klein und lief nur über zwei Nächte. Daraus lassen sich noch keine Aussagen über die Sicherheit einer langfristigen oder regelmäßigen Anwendung ableiten.

Was die Forscher noch herausfinden müssen

Die Ergebnisse sind deshalb vor allem als erster Machbarkeitsnachweis zu verstehen. Die Forscher müssen nun untersuchen, ob sich die beobachteten Effekte auch in größeren und unterschiedlich zusammengesetzten Patientengruppen bestätigen lassen. Besonders interessant ist die Frage, ob eine gezielte Verbesserung des REM-Schlafs tatsächlich zu langfristigen gesundheitlichen Vorteilen führt. Dafür reicht es nicht aus, lediglich zu zeigen, dass Menschen schneller in die REM-Phase gelangen oder etwas länger darin bleiben.

Künftige Studien müssen deshalb auch untersuchen, ob sich dadurch beispielsweise Schlafqualität, Tagesbefinden, Stressverarbeitung oder bestimmte Symptome psychischer Erkrankungen verbessern. Das Team plant weitere Untersuchungen unter anderem bei Menschen mit chronischer Schlaflosigkeit, Depressionen und PTBS. Die Wissenschaftler sehen darüber hinaus mögliche Einsatzbereiche in der Schlafüberwachung zu Hause, in der neurowissenschaftlichen Forschung und bei individuell angepassten Schlafbehandlungen.

Noch kein fertiges Schlafmittel aus dem Pflaster

So vielversprechend die ersten Ergebnisse sind, sollte NEUSLeeP derzeit nicht als fertige Behandlung für Schlafstörungen verstanden werden. Die Studie umfasste nur 28 Personen, und die eigentliche Schlafintervention wurde über eine einzelne Nacht mit Ultraschallstimulation im Vergleich zu einer Scheinbedingung untersucht. Auch ist noch nicht vollständig geklärt, warum die Stimulation den REM-Schlaf verändert. Die Forscher gehen davon aus, dass die Wirkung über komplexe Netzwerke des Gehirns vermittelt wird. Der genaue Mechanismus ist jedoch noch Gegenstand weiterer Untersuchungen.

Dennoch zeigt die Studie, dass sich moderne tragbare Technologien zunehmend nicht mehr nur darauf beschränken, Schlaf zu messen. Sie könnten künftig möglicherweise auch dazu eingesetzt werden, bestimmte Hirnaktivitäten während des Schlafs gezielt zu beeinflussen. Für Menschen mit Schlafproblemen ist das Gerät damit noch keine verfügbare Therapie. Für die Schlafforschung stellt NEUSLeeP jedoch einen interessanten neuen Ansatz dar – insbesondere, weil Messung und gezielte Stimulation in einem tragbaren System miteinander verbunden werden. Die nächsten Studien müssen nun zeigen, ob aus diesem technischen Durchbruch tatsächlich eine sichere und wirksame Behandlung für Menschen mit Schlafstörungen oder psychischen Erkrankungen werden kann.