Wie das Gehirn im Schlaf auf Geräusche reagiert

LONDON (IT BOLTWISE) – Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass das Gehirn während des Schlafs weiterhin auf Geräusche reagiert, jedoch auf unterschiedliche Weise je nach Schlafstadium. Diese Erkenntnisse könnten erklären, wie das Gehirn wichtige Geräusche erkennt, während es gleichzeitig die notwendige Ruhe bewahrt.

Die Verarbeitung von Geräuschen im Gehirn verändert sich während des Schlafs erheblich, wie eine neue Studie zeigt. Während des Nicht-REM-Schlafs bleibt die grundlegende Geräuschverarbeitung im Hirnstamm aktiv, schwächt sich jedoch im auditorischen Kortex ab, je tiefer der Schlaf wird. Diese Entdeckung könnte erklären, wie das Gehirn im Schlaf wichtige Geräusche erkennt und gleichzeitig die notwendige Ruhe bewahrt.

Der Schlaf besteht aus verschiedenen Stadien, die jeweils durch spezifische Muster der Gehirnaktivität gekennzeichnet sind. Die Nicht-REM-Schlafstadien N1, N2 und N3 reichen von leichtem bis zu tiefem Schlaf. Im N3-Stadium, auch als Tiefschlaf bekannt, zeigt das Gehirn große, langsame Wellen und wird weniger empfänglich für äußere Reize.

Im Gegensatz dazu ist der REM-Schlaf durch aktivere Gehirnwellen und Träume gekennzeichnet, war jedoch nicht der Fokus der aktuellen Studie. Wissenschaftler wussten bereits, dass bestimmte Gehirnreaktionen auf Geräusche im tieferen Schlaf abnehmen, aber wie sich diese Veränderungen auf verschiedenen Ebenen des auditiven Systems entfalten, war bisher unklar.

Um dies zu untersuchen, zeichneten die Forscher Hugo R. Jourde und Emily B. Coffey die Gehirnaktivität gesunder Erwachsener während des Schlafs auf, um zu untersuchen, wie frühe auditive Signale in verschiedenen Schlafstadien verarbeitet werden. Ihr Ziel war es zu verstehen, ob die Schwächung der auditiven Reaktionen ein einheitlicher Prozess im gesamten Gehirn ist oder ob sie höhere und niedrigere Teile des auditiven Systems unterschiedlich betrifft.

Die Forscher konzentrierten sich auf eine spezifische Art von auditiver Reaktion, die als Frequenzfolgereaktion (FFR) bekannt ist. Diese Reaktion spiegelt wider, wie genau Neuronen die Tonhöhe eines Geräuschs verfolgen, und ist bekannt dafür, dass sie in mehreren Teilen des Gehirns, einschließlich des Hirnstamms, des Thalamus und des auditorischen Kortex, entsteht.

Um festzustellen, woher die FFR-Signale stammen, verwendete das Team Magnetenzephalographie (MEG), eine Bildgebungsmethode, die magnetische Signale von neuronaler Aktivität mit hoher räumlicher Auflösung erfasst, zusammen mit Elektroenzephalographie (EEG), die elektrische Aktivität von der Kopfhaut aufzeichnet. Durch den Vergleich dieser Signale in verschiedenen Schlafstadien konnten sie feststellen, wie jede Gehirnregion auf Geräusche reagierte, während der Schlaf tiefer wurde.

Die Studie umfasste 14 junge Erwachsene, die eine 2,5-stündige Napsession in einem MEG-Scanner durchführten. Alle Teilnehmer hatten normales Hörvermögen und regelmäßige Schlafmuster. Während des Nickerchens hörten sie ein wiederholtes Sprachgeräusch – speziell eine synthetisierte Silbe „da“ – die auf einem leisen, aber deutlich hörbaren Niveau geliefert wurde. Dieses spezielle Geräusch wird häufig in der auditiven Forschung verwendet, da es zuverlässig starke FFRs erzeugt und natürliche Sprachfrequenzen nachahmt.

Die EEG-Aufzeichnungen ermöglichten es den Forschern festzustellen, wann jeder Teilnehmer wach oder in einem bestimmten Schlafstadium war. Darüber hinaus verfolgten sie kurze Ereignisse in der Schlafarchitektur des Gehirns, wie Schlafspindeln und langsame Oszillationen. Diese Phänomene sollen den Schlaf stabilisieren und möglicherweise eingehende sensorische Informationen steuern, aber ihre genaue Rolle in der auditiven Verarbeitung wird noch diskutiert.

Die Schlüsselentdeckung war, dass die Stärke der FFR in subkortikalen Regionen – dem Cochlear-Nucleus, dem Inferior-Colliculus und dem Medial-Geniculate-Body – selbst im Tiefschlaf (Stadium N3) stabil blieb. Dies deutet darauf hin, dass der Hirnstamm und der Thalamus weiterhin Tonhöheninformationen während des Nicht-REM-Schlafs verarbeiten. Im Gegensatz dazu nahm die FFR-Stärke im auditorischen Kortex ab, je tiefer der Schlaf wurde. Der Rückgang der Signalstärke war während des N3-Schlafs am ausgeprägtesten und schien mit der Schlafintensität progressiv zuzunehmen.

Interessanterweise nahm die Latenz der kortikalen FFR im tieferen Schlaf leicht zu, was auf eine langsamere Verarbeitung von Geräuschen im Kortex hinweist. Die zeitliche Abfolge subkortikaler Signale schien sich jedoch nicht zu ändern.

Um besser zu verstehen, warum die kortikale Geräuschverarbeitung reduziert wurde, untersuchten die Forscher, wie stark der Thalamus und der Kortex während des Schlafs kommunizierten. Sie maßen eine Form der funktionellen Konnektivität, die als imaginäre Kohärenz bezeichnet wird und den Grad widerspiegelt, in dem zwei Regionen ihre Aktivität synchronisieren. Während des N3-Schlafs nahm die Konnektivität zwischen dem auditorischen Thalamus und dem auditorischen Kortex ab, insbesondere während des mittleren Teils des FFR-Signals. Diese reduzierte Koordination zwischen den Regionen könnte ein Faktor für die geschwächten kortikalen Reaktionen im tieferen Schlaf sein.

Eine unerwartete Entdeckung war, dass Schlafspindeln – Aktivitätsausbrüche, die im Thalamus entstehen und zum Kortex wandern – die Klangkodierung nicht zu stören schienen. Frühere Studien hatten vorgeschlagen, dass diese Ereignisse wie ein „Tor“ wirken könnten, das sensorische Informationen daran hindert, den Kortex zu erreichen. Das Team erwartete einen Rückgang der FFR-Stärke, wenn Geräusche während der Spindeln auftraten, aber ein solcher Effekt trat nicht auf.

Die Ergebnisse zeigen eine klare Unterscheidung zwischen Thalamus und Kortex, erklärte Coffey. Es hätte möglich sein können, einen allmählichen Rückgang der Amplitude zu beobachten, wenn man die auditive Hierarchie hinaufgeht, oder umgekehrt, die Tonhöhenrepräsentation hätte bis zum Kortex erhalten bleiben können, wobei der Schlaf nur die höherstufige, spätere auditive Verarbeitung beeinflusst, wie die, die an der Bedeutungsextraktion aus Sprach- und Musikströmen beteiligt ist.

Obwohl die thalamokortikale Disconnection offensichtlich war, schien es nicht der Fall zu sein, dass neuronale Ereignisse, die als thalamokortikale Schlafspindeln bekannt sind, dafür verantwortlich waren, dass Klangrepräsentationen den Kortex nicht erreichten. Stattdessen war es die allgemeine Schlaftiefe, die einen Unterschied machte.

Diese Studie zeigt, dass unser Gehirn Geräusche unterschiedlich verarbeitet, je nachdem, wie tief wir schlafen, und überraschenderweise verhalten sich verschiedene Teile unseres auditiven Systems auf entgegengesetzte Weise. Unser Hirnstamm arbeitet normal weiter, aber unser Kortex scheint die Lautstärke herunterzudrehen – die kortikale Konnektivität zwischen Thalamus und Kortex wird schwächer, und die Amplitude der FFR, die am Kortex gemessen wird, nimmt ab.

Im Schlaf balanciert unser Gehirn aktiv zwei konkurrierende Bedürfnisse: wachsam genug zu bleiben, um bei wirklich wichtigen Geräuschen aufzuwachen (wie einem weinenden Baby oder einem Rauchmelder), während es schläft, um die notwendigen Rollen des Schlafs zu erfüllen, wie die Wiederherstellung von Körper und Gehirn und die Gedächtniskonsolidierung. Dies scheint Teil dieses Mechanismus zu sein. Die Studie fand erhebliche Unterschiede zwischen den Menschen, wie stark der Schlaf ihre Repräsentation von Geräuschen abschwächt, was auch erklären könnte, warum Menschen unterschiedlich empfindlich auf nächtliche Geräusche reagieren. Es deutet auch darauf hin, dass, da Geräusche weiterhin bis zu einem gewissen Grad verarbeitet werden, die Aufrechterhaltung einer ruhigen Schlafumgebung wahrscheinlich eine gute Idee für eine gute Schlafqualität ist.

Die Forscher hoffen, auf dieser Arbeit aufzubauen, indem sie untersuchen, wie Geräusche verwendet werden können, um die Gehirnaktivität während des Schlafs zu beeinflussen. Sie sind sowohl daran interessiert, wie der Schlaf die Geräuschverarbeitung beeinflusst, als auch daran, wie Geräusche die anderen Arten von kognitiven Prozessen beeinflussen, die während des Schlafs ablaufen. Insbesondere interessieren sie sich dafür, wie Geräusche als Mittel zur Modulation der Gedächtniskonsolidierung verwendet werden können.

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