Delta-Wellen im menschlichen REM-Schlaf und die verschwimmende Unterscheidung zwischen NREM- und REM-Schlaf

Schlaf ist universell, unwiderstehlich und heterogen. Bei Säugetieren wird der Schlaf traditionell in die Phasen der nicht schnellen Augenbewegungen (NREM) 1-4 und der schnellen Augenbewegungen (REM) unterteilt, die jeweils bestimmte Muster der Gehirnaktivität aufweisen. Insbesondere langsame, synchrone Deltawellen, Spindeln und isolierte negative Ausschläge definieren den NREM-Schlaf, während tonische, schnelle, unsynchronisierte Aktivität den REM-Schlaf kennzeichnet. Bi-stabile neuronale Aktivitätsmuster mit depolarisierten „Ein“- und hyperpolarisierten „Aus“-Zuständen führen zu Deltawellen und ermöglichen vermutlich, dass der NREM-Schlaf bei der Gedächtniskonsolidierung (Battaglia et al., 2004) und der synaptischen Homöostase (Tononi und Cirelli, 2014) funktioniert. Im Gegensatz dazu wird angenommen, dass die Aktivitätsmuster während des REM-Schlafs diese Phase besser für die Gedächtnisstabilisierung (Li et al., 2017) und -integration (Sterpenich et al., 2014) geeignet machen.

Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass sich das Verhalten nicht so leicht in hirnweite Zustände mit emblematischen neuronalen Aktivitätsprogrammen und Funktionen aufteilen lässt, wie bisher angenommen. Stattdessen können ultradiane Zyklen der neuronalen Synchronisation und Neuromodulation allgemeine, hirnweite Einflüsse haben, während derer die lokale Hirnaktivität heterogen ist und vom globalen Muster abweichen kann. So wurde beispielsweise eine lokale Aktivierung während des NREM-Schlafs (Nobili et al., 2011) und der Slow-Wave-Aktivität (im Folgenden „Aktivitäten im Delta-Bereich“) im wachen Gehirn (Vyazovskiy et al., 2011; Quercia et al., 2018) sowie in den primären Kortizes von Mäusen während des REM-Schlafs (Funk et al., 2016) dokumentiert; für eine ausführliche Übersicht über diese Themen siehe Siclari und Tononi (2017). Obwohl es also bequem ist, den menschlichen Schlaf in eine kleine Anzahl von leicht zu unterscheidenden Phasen zu unterteilen, könnte die Realität weitaus komplexer sein. In der Tat sind mehrere Fragen zu klären. Gibt es beim Menschen, wie bei Mäusen, lokale Deltawellen während des REM-Schlafs? Wenn ja, sind diese Wellen in ihrer Zusammensetzung dieselben wie die, die während des NREM-Schlafs beobachtet werden? Dienen Deltawellen in verschiedenen Erregungszuständen den gleichen oder unterschiedlichen Funktionen? Und verschwimmt die Unterscheidung zwischen NREM- und REM-Schlaf? Viele dieser Fragen werden durch die jüngsten Ergebnisse von Bernardi et al. (2019) beantwortet, die im Journal of Neuroscience veröffentlicht wurden.

Mithilfe von Elektroenzephalographie mit hoher Dichte versuchten Bernardi et al. (2019) herauszufinden, ob es beim Menschen regionale Deltawellen während des REM-Schlafs gibt, ähnlich denen, die kürzlich bei Mäusen nachgewiesen wurden (Funk et al., 2016). Tatsächlich unterschieden sie zwei Gruppen von Deltawellen, die während des REM-Schlafs auftreten: langsamere (<2 Hz) Wellen, die in medial-okzipitalen Regionen aufgezeichnet wurden und sowohl im NREM- als auch im REM-Schlaf vorkommen, und schnellere (2,5-3 Hz), ausschließlich im REM-Schlaf auftretende, fronto-zentral/okzipito-temporale „Sägezahn“-Wellen. Von diesen Wellen waren die medial-okzipitalen Deltawellen im REM-Schlaf häufig isoliert, hatten eine geringe Amplitude und waren auf die primären visuellen Kortizes begrenzt. Sägezahnwellen traten in Bursts auf, hatten eine hohe Amplitude und traten parallel zu Steigerungen im REM-Schlaf auf. Im Gegensatz zu den NREM-Schlaf-ähnlichen medial-okzipitalen Wellen, die mit einer Abnahme der neuronalen Aktivität verbunden waren, korrelierten die Sägezahnwellen positiv mit hochfrequenter Gamma-Aktivität und wurden daher als kortikal „aktivierend“ angesehen.

Die Beobachtung eines Rhythmus, der traditionell als Bestandteil des NREM-Schlafs angesehen wird, in bestimmten Hirnregionen während des REM-Schlafs stützt sich auf Belege, die darauf hindeuten, dass der Schlaf lokal und nicht einheitlich hirnweit funktioniert (Siclari und Tononi, 2017). Ein solcher lokaler Schlaf wird vermutlich von quasi-globalen, zustandsspezifischen Einflüssen und Aktivitäten begleitet oder gesteuert. Das heißt, dass der NREM-Schlaf, von dem bereits angenommen wird, dass er den größten Teil der gesamten Schlafdauer ausmacht, vielleicht nicht die ganze Nacht hindurch vollständig ausgeschaltet wird, obwohl einige seiner Eigenschaften periodisch und regional durch den REM-Schlaf unterbrochen werden. Oder Aktivitäten, die traditionell als charakteristisch für den NREM-Schlaf gelten, wie z. B. Deltawellen, sind möglicherweise nicht stadienspezifisch, sondern treten lokal während des REM-Schlafs auf, wodurch die Unterscheidung zwischen diesen Stadien verwischt wird. Unabhängig davon ist klar, dass Erregungszustände nicht allein durch die Erkennung von Aktivitätsmustern unterschieden werden sollten, die traditionell als stufendiskrete Muster angesehen wurden. Stattdessen sind die spektrale Nettoleistung im Elektroenzephalogramm und periphere physiologische Messungen, wie Augenbewegungen oder Veränderungen des Muskeltonus, die Messgrößen, die bei der Definition und Unterscheidung von NREM- und REM-Schlaf verwendet werden sollten.

Die Erkennung von NREM-Schlaf-ähnlichen, medial-okzipitalen Deltawellen während des REM-Schlafs, neben aktivierenden Sägezahn-Delta-Bursts, ergänzt die Forschung, die darauf hinweist, dass Wellenformen, die innerhalb eines definierten Spektralbandes arbeiten, nicht auf einen einzigen Erregungszustand beschränkt sind (Siclari und Tononi, 2017) und in Struktur und Funktion nicht völlig homogen sind (Siclari et al, 2014). Wenn sie im REM-Schlaf auftreten, könnten die medial-okzipitale und die Sägezahn-Delta-Aktivität ähnliche Funktionen wie die des NREM-Schlaf-Deltas erfüllen, eine unbekannte, für den REM-Schlaf spezifische Funktion ausüben oder ganz allgemein zur Erhaltung des Schlafs beitragen.

Während des NREM-Schlafs ist die Hirnaktivität im Delta-Bereich an der Gedächtniskonsolidierung von Systemen (Maingret et al., 2016), der synaptischen Homöostase (Tononi und Cirelli, 2014) und der sensorischen Abschaltung beteiligt (Funk et al., 2016). Die von Bernardi et al. (2019) beobachteten medial-okzipitalen Deltawellen könnten im REM-Schlaf vergleichbare Funktionen erfüllen. Obwohl die tonische neuronale Aktivierung während des REM-Schlafs Synapsen stärkt (Li et al., 2017) und Assoziationen bilden könnte (Lewis et al., 2018), stört ein erhöhter cholinerger Tonus den hippocampalen-neokortikalen Dialog und verhindert wahrscheinlich, dass die Deltawellen in diesem Zustand eine Systemkonsolidierungsfunktion erfüllen (Gais und Born, 2004). Darüber hinaus wird angenommen, dass Aktivitäten im Delta-Bereich im NREM-Schlaf die Übertragung von Gedächtnisinformationen auf Systemebene von subkortikalen Bereichen an kortikale Orte erleichtern, indem sie depolarisierende Aufwärtszustände mit hippokampalen Rippeln und thalamokortikalen Spindeln phasenverknüpfen (Maingret et al., 2016). Die relative Beschränkung der mit der Gedächtnisreaktivierung verbundenen Ripples und Ripple-tragenden Spindeln auf den NREM-Schlaf untermauert die Annahme, dass die im REM-Schlaf beobachteten Deltawellen keine Systemkonsolidierungsfunktion erfüllen. Selbst wenn ein interregionaler Dialog stattfinden würde, könnten Aktivitäten im Delta-Bereich in den primären Kortizes (Funk et al., 2016; Bernardi et al., 2019) die Signalausbreitung behindern (Massimini et al., 2005) und die integrative Konsolidierung von Verbindungen zu Regionen, die den primären Kortizes nachgelagert sind und in denen sich typischerweise Erinnerungen befinden, verhindern (Binder et al., 2009).

Informationen werden im Wachzustand durch die Stärkung von Synapsen kodiert. Gestärkte Synapsen werden mit größerer Wahrscheinlichkeit aktiviert und verstärken sich weiter, so dass diese Verbindungen anfällig für eine Sättigung sind. Es wird angenommen, dass die Aktivität im Delta-Spektrum während des NREM-Schlafs eine adaptive Renormalisierung der verstärkten Synapsen bewirkt (Tononi und Cirelli, 2014). Die Beschränkung der Spitzen der Delta-Aktivität während des REM-Schlafs auf kortikale Regionen niedrigerer Ordnung (Bernardi et al., 2019), die typischerweise nicht mit der Gedächtnisspeicherung in Verbindung gebracht werden, macht es jedoch unwahrscheinlich, dass die Synapsen-Homöostase die Hauptfunktion der Deltawellen in diesem Zustand ist. Daher sind die Konsolidierung des Systemgedächtnisses und die Renormalisierung der Synapsen wahrscheinlich weniger wichtige Funktionen der Deltawellen im REM-Schlaf als im NREM-Schlaf.

Während des NREM-Schlafs wird angenommen, dass die Hemmung der thalamokortikalen Relais und der Deltawellen-Off-Zustände das Gehirn von der Außenwelt abkoppeln (Lewis et al., 2015; Siclari et al., 2018). Funk et al. (2016) haben vorgeschlagen, dass die Aktivität im Delta-Bereich, die während des REM-Schlafs in den primären, aber nicht in den sekundären sensorischen Kortizes beobachtet wird, dafür sorgt, dass diese Trennung im REM-Schlaf bestehen bleibt. Die nicht-aktivierenden Deltawellen, die sowohl im primären visuellen Kortex von Menschen als auch von Nagetieren während des REM-Schlafs vorhanden sind, könnten verhindern, dass visuelle Reize und aktivierende Wellenformen übermäßige Erregung und Verhaltenszustandsübergänge hervorrufen. Zu solchen aktivierenden Wellenformen könnten Sägezahn- (Bernardi et al., 2019) und ponto-geniculo-occipitale (PGO) Wellen (Stuart und Conduit, 2009) gehören, die weiter unten besprochen werden. Auf diese Weise können die medial-okzipitalen Deltawellen sicherstellen, dass Erinnerungen, die während des REM-Schlafs reaktiviert, verstärkt, geschwächt oder integriert werden, nicht durch die äußere Umgebung verzerrt oder kontaminiert werden, wie dies bei häufigen Mikroarousals oder Erwachen der Fall wäre.

Lebensnahe, immersive, phänomenologische Erfahrungen sind ein Markenzeichen des REM-Schlafs beim Menschen. Der Reichtum der Träume hängt zum Teil von der tonischen kortikalen Aktivierung ab, was durch die Beobachtung belegt wird, dass wiederkehrende Off-States im NREM-Schlaf das bewusste Erleben vermindern (Siclari et al., 2018) und die Kürze der Träume verursachen. Wie können dann Traumbilder während des REM-Schlafs so lebhaft sein, wenn Delta-Wellen in den primären visuellen Kortizes vorhanden sind? Träume sind oft in multimodalen Arealen höherer Ordnung des Kortex lokalisiert und gehen mit einer niedrigen Delta-Leistung in diesen Regionen einher (Siclari et al., 2017), obwohl auch visuelle Areale niedrigerer Ordnung involviert sind. Die aktivierenden PGO-Wellen, die bei nicht-menschlichen Spezies beobachtet werden, sind ein vorgeschlagenes Gehirnsubstrat von Traumbildern (Stuart und Conduit, 2009). Die von Bernardi et al. (2019) beschriebenen Sägezahn-Delta-Bursts sollen den PGO-Wellen ähneln und möglicherweise ein menschliches Korrelat davon sein. Daher könnten diese Deltawellen direkt mit einem der wichtigsten Merkmale des menschlichen REM-Schlafs, den Träumen, verbunden sein.

Durch den Nachweis lokaler Delta-Aktivität während des REM-Schlafs beim Menschen haben Bernardi et al. (2019) neue Beweise gegen die Vorstellung von global homogenen Schlafstadien mit stufendiskreten Aktivitäten geliefert. Diese Ergebnisse tragen zu einer wachsenden Zahl von Veröffentlichungen bei, die darauf hinweisen, dass der Schlaf weitgehend lokal ist und dass relevante Aktivitäten, wie z. B. Deltawellen, oft nicht so monolithisch in Struktur und Funktion oder so spezifisch für einen einzigen, hirnweiten Zustand sind, wie früher angenommen wurde. Diese Entdeckungen markieren einen aufregenden Moment für die Schlafforschung und bilden den Auftakt für künftige Forschungen, die sich mit den Unterschieden zwischen NREM- und REM-Schlaf und deren Überschneidungen sowie mit der Rolle der Deltawellen im REM-Schlaf befassen.