Warum schlafen Menschen? Wissenschaftler finden Hinweise zur Lösung dieses uralten Rätsels

Home » Warum schlafen Menschen? Wissenschaftler finden Hinweise zur Lösung dieses uralten Rätsels

Laut den Forschern fand diese Studie den deutlichsten Hinweis auf eine Wiedergabe des motorischen Kortex während des menschlichen Schlafs, der jemals beobachtet wurde.

Neue Einblicke in die Gehirnaktivität beim Schlafen können bei der Entwicklung von Werkzeugen für diejenigen helfen, die an neurologischen Erkrankungen oder Schäden leiden

Warum schlafen Menschen? Dieses Problem wird seit Hunderten von Jahren von Wissenschaftlern diskutiert, aber eine aktuelle Studie von Forschern des Massachusetts General Hospital (MGH), die in Zusammenarbeit mit Experten der Brown University, dem Department of Veterans Affairs und mehreren anderen Institutionen durchgeführt wurde, fügt neue Hinweise hinzu dieses Rätsel zu lösen. Ihre Forschung, die kürzlich in der veröffentlicht wurde Zeitschrift für Neurowissenschaften, kann helfen zu erklären, wie sich Personen an Dinge erinnern und neue Fähigkeiten erwerben. Es kann auch bei der Erstellung von Hilfsmitteln für Menschen mit neurologischen Erkrankungen oder Verletzungen helfen.

Laut dem Hauptautor der Forschung und Neurologen Daniel Rubin, MD, Ph.D., vom MGH Center for Neurotechnology and Neurorecovery wissen Wissenschaftler seit langem, dass während des Schlafs ein Phänomen stattfindet, das als „Replay“ bekannt ist. Es wird angenommen, dass Replay ein Mechanismus ist, der vom Gehirn verwendet wird, um neue Informationen abzurufen. Wenn einer Maus beigebracht wird, durch ein Labyrinth zu navigieren, können Überwachungsgeräte anzeigen, dass ein genaues Muster von Gehirnzellen oder Neuronen aufleuchtet, während sie dem richtigen Weg folgt. „Später, während das Tier schläft, können Sie sehen, dass diese Neuronen in derselben Reihenfolge erneut feuern“, sagt Rubin. Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Gehirn auf diese Weise neu erworbenes Wissen im Schlaf praktiziert, wodurch Erinnerungen konsolidiert werden können – das heißt, sie werden von Kurzzeiterinnerungen zu Langzeiterinnerungen.

Die Wiedergabe wurde jedoch nur bei Labortieren richtig gezeigt. „Es gab eine offene Frage in der neurowissenschaftlichen Gemeinschaft: Inwieweit ist dieses Modell dafür, wie wir Dinge lernen, beim Menschen wahr? Und gilt das für verschiedene Arten des Lernens?“ fragt Neurologe Sydney S. Cash, MD, Ph.D., Co-Direktor des Center for Neurotechnology and Neurorecovery am MGH und Co-Senior-Autor der Studie. Wichtig ist, sagt Cash, dass das Verständnis, ob es beim Erlernen motorischer Fähigkeiten zu Wiederholungen kommt, bei der Entwicklung neuer Therapien und Hilfsmittel für Menschen mit neurologischen Erkrankungen und Verletzungen hilfreich sein könnte.


Forscher haben in einer neuen Studie den ersten Hinweis auf Wiederholung im menschlichen motorischen Kortex gefunden, der willkürliche Bewegungen steuert. Dies könnte den Entwicklern von Hilfsmitteln für Menschen mit Lähmungen Einblicke geben und auch Informationen darüber liefern, wie wir lernen und Langzeiterinnerungen schaffen. Bildnachweis: Massachusetts General Hospital

Um zu untersuchen, ob Replay im menschlichen motorischen Cortex – der Gehirnregion, die die Bewegung steuert – stattfindet, haben Rubin, Cash und ihre Kollegen einen 36-jährigen Mann mit Tetraplegie (auch Quadriplegie genannt) angeworben, was bedeutet, dass er seinen Oberkörper nicht bewegen kann unteren Gliedmaßen, in seinem Fall aufgrund einer Rückenmarksverletzung. Der Mann, der in der Studie als T11 identifiziert wurde, ist Teilnehmer an einer klinischen Studie mit einem Gehirn-Computer-Schnittstellengerät, das es ihm ermöglicht, einen Computercursor und eine Tastatur auf einem Bildschirm zu verwenden. Das Prüfgerät wird vom BrainGate-Konsortium entwickelt, einer Zusammenarbeit von Klinikern, Neurowissenschaftlern und Ingenieuren an mehreren Institutionen mit dem Ziel, Technologien zur Wiederherstellung von Kommunikation, Mobilität und Unabhängigkeit für Menschen mit neurologischen Erkrankungen, Verletzungen oder Verlust von Gliedmaßen zu entwickeln. Das Konsortium wird von Leigh R. Hochberg, MD, Ph.D., von der MGH, Brown University, und dem Department of Veterans Affairs geleitet.

In der Studie wurde T11 gebeten, eine Gedächtnisaufgabe ähnlich dem elektronischen Spiel Simon durchzuführen, bei der ein Spieler ein Muster blinkender farbiger Lichter beobachtet und sich dann an diese Sequenz erinnern und sie reproduzieren muss. Er steuerte den Cursor auf dem Computerbildschirm, indem er einfach über die Bewegung seiner eigenen Hand nachdachte. Sensoren, die in den motorischen Kortex von T11 implantiert wurden, maßen Muster neuronaler Feuerungen, die seine beabsichtigte Handbewegung widerspiegelten, was es ihm ermöglichte, den Cursor auf dem Bildschirm zu bewegen und ihn an den gewünschten Stellen anzuklicken. Diese Gehirnsignale wurden aufgezeichnet und drahtlos an einen Computer übertragen.

In dieser Nacht, während T11 zu Hause schlief, wurde die Aktivität in seinem motorischen Kortex aufgezeichnet und drahtlos an einen Computer übertragen. „Was wir fanden, war ziemlich unglaublich“, sagt Rubin. „Er hat das Spiel praktisch über Nacht im Schlaf gespielt.“ Bei mehreren Gelegenheiten, sagt Rubin, stimmten die neuronalen Feuermuster von T11 während des Schlafs genau mit den Mustern überein, die auftraten, als er früher an diesem Tag das Gedächtnis-Matching-Spiel durchführte.

„Dies ist der direkteste Beweis für die Wiedergabe des motorischen Kortex, der je beim Menschen im Schlaf beobachtet wurde“, sagt Rubin. Die meisten der in der Studie festgestellten Wiederholungen traten während des Slow-Wave-Schlafs auf, einer Phase des Tiefschlafs. Interessanterweise war es viel unwahrscheinlicher, dass Wiederholungen erkannt wurden, während sich T11 im REM-Schlaf befand, der Phase, die am häufigsten mit Träumen in Verbindung gebracht wird. Rubin und Cash sehen diese Arbeit als Grundlage, um mehr über Wiederholung und ihre Rolle beim Lernen und Gedächtnis beim Menschen zu erfahren.

„Wir hoffen, dass wir diese Informationen nutzen können, um beim Aufbau besserer Gehirn-Computer-Schnittstellen zu helfen und Paradigmen zu entwickeln, die Menschen helfen, schneller und effizienter zu lernen, um nach einer Verletzung die Kontrolle wiederzuerlangen“, sagt Cash und weist auf die Bedeutung hin, dies zu verschieben Untersuchungslinie von Tieren zu Menschen. „Diese Art von Forschung profitiert enorm von der engen Interaktion, die wir mit unseren Teilnehmern haben“, fügt er mit Dankbarkeit gegenüber T11 und anderen Teilnehmern der klinischen BrainGate-Studie hinzu.

Hochberg stimmt zu. „Unsere unglaublichen BrainGate-Teilnehmer geben nicht nur hilfreiches Feedback zur Schaffung eines Systems zur Wiederherstellung von Kommunikation und Mobilität, sondern geben uns auch die seltene Gelegenheit, grundlegende menschliche Neurowissenschaften voranzubringen – zu verstehen, wie das menschliche Gehirn auf der Ebene individueller Schaltkreise funktioniert Neuronen“, sagt er, „und diese Informationen zu nutzen, um restaurative Neurotechnologien der nächsten Generation zu entwickeln.“

Rubin ist außerdem Dozent für Neurologie an der Harvard Medical School (HMS). Cash ist außerordentlicher Professor für Neurologie an der HMS. Hochberg ist Senior Lecturer für Neurologie an der HMS und Professor für Ingenieurwissenschaften an der Brown University.

Die Studie wurde vom National Institute of Neurologic Disease and Stroke, der American Academy of Neurology, dem National Institute of Mental Health, Conquer Paralysis Now, dem Department of Veterans Affairs, dem MGH-Deane Institute und dem Howard Hughes Medical Institute finanziert Universität in Stanford.

Referenz: „Erlernte motorische Muster werden im menschlichen Motorkortex während des Schlafs wiedergegeben“ von Daniel B. Rubin, Tommy Hosman, Jessica N. Kelemen, Anastasia Kapitonava, Francis R. Willett, Brian F. Coughlin, Eric Halgren, Eyal Y. Kimchi, Ziv M. Williams, John D. Simeral, Leigh R. Hochberg und Sydney S. Cash, 22. Juni 2022, Zeitschrift für Neurowissenschaften.
DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2074-21.2022