Warum schlafen wir? Massachusetts General Hospital entdeckt erstes menschliches Motorkortex-Replay-Phänomen

„Dies ist der bisher direkteste Beweis für die Wiedergabe von Daten aus dem Motorkortex während des Schlafs beim Menschen.“

—Daniel Rubin, PhD, Zentrum für Neurotechnologie und Neurorestauration, Massachusetts General Hospital

Warum schlafen wir?

Wissenschaftler haben diese Frage seit Tausenden von Jahren diskutiert, doch eine neue Studie von Forschern des Massachusetts General Hospital in Zusammenarbeit mit Kollegen der Brown University, des Department of Veterans Affairs und anderer Institutionen liefert neue Hinweise zur Lösung des Rätsels.

Ihre im Journal of Neuroscience veröffentlichten Erkenntnisse könnten dazu beitragen zu erklären, wie Menschen Erinnerungen bilden und lernen und könnten letztendlich zur Entwicklung von Hilfsmitteln für Menschen beitragen, die von neurologischen Erkrankungen oder Verletzungen betroffen sind.

Wissenschaftler entdeckten bei der Untersuchung von Labortieren schon vor langer Zeit ein Phänomen namens „Replay“, erklärte der leitende Autor der Studie, Dr. Daniel Rubin, ein Neurologe am Massachusetts General Hospital Center for Neurotechnology and Neurorestoration.

Theoretisch ist die Wiederholung eine Strategie, die das Gehirn verwendet, um sich neue Informationen zu merken. Wenn eine Maus darauf trainiert wird, durch ein Labyrinth zu navigieren, kann ein Überwachungsgerät zeigen, dass ein bestimmtes Muster von Gehirnzellen oder Neuronen aufleuchtet und feuert, wenn die Maus den richtigen Weg beschreitet.

„Später, als das Tier schlief, konnte man sehen, wie diese Neuronen aufleuchteten und in der gleichen Reihenfolge wieder feuerten“, sagte Dr. Rubin.

Wissenschaftler glauben, dass diese Wiederholung neuronaler Aktivität während des Schlafs eine Möglichkeit für das Gehirn ist, neu erlernte Informationen einzuüben, wodurch die Erinnerung gefestigt oder vom Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis umgewandelt werden kann.

Dr. Daniel Rubin

Allerdings konnte die Wiedergabe nur bei Labortieren überzeugend nachgewiesen werden.

„In der Neurowissenschaft gibt es eine offene Frage: Inwieweit trifft dieses Modell unseres Lernverhaltens auf uns Menschen zu? Und gilt es auch für verschiedene Arten des Lernens?“ fragte Sydney S. Cash, PhD, Co-Direktor des Center for Neurotechnology and Neurorestoration am Massachusetts General Hospital und Co-Leitautor der Studie.

Wichtig sei, so Cash, dass das Verständnis, ob das Replay-Phänomen beim Erlernen motorischer Fähigkeiten auftritt, bei der Entwicklung neuer Behandlungsmethoden und Hilfsmittel für Patienten mit neurologischen Erkrankungen und Verletzungen hilfreich sein könne.

Sydney S. Cash, Ph.D.

Um zu untersuchen, ob die Wiedergabe im menschlichen Motorkortex stattfindet – dem Bereich des Gehirns, der die Bewegung steuert – rekrutierten Rubin, Cash und ihre Kollegen einen 36-jährigen Mann, der aufgrund einer Rückenmarksverletzung Tetraplegiker war, was bedeutete, dass er seine oberen und unteren Gliedmaßen nicht bewegen konnte. Der Patient mit der Identifikationsnummer T11 nahm an einer klinischen Studie zu einem Gerät zur Gehirn-Computer-Schnittstelle teil, das ihm die Verwendung eines Computercursors und einer Tastatur auf einem Bildschirm ermöglichte.

In der Studie wurde T11 gebeten, eine Gedächtnisaufgabe ähnlich dem Videospiel „Simon“ durchzuführen, bei dem die Spieler ein Muster aus blinkenden farbigen Lichtern beobachten und sich dann an die Sequenz erinnern und sie reproduzieren müssen. Er kann den Cursor auf dem Computerbildschirm steuern, indem er einfach an die Bewegung seiner Hand denkt.

In T11s Motorkortex implantierte Sensoren maßen die Aktivierungsmuster der Neuronen, die seine beabsichtigten Handbewegungen widerspiegelten, und ermöglichten ihm, den Cursor auf dem Bildschirm zu bewegen und ihn an die gewünschte Stelle zu klicken. Diese Gehirnsignale werden aufgezeichnet und drahtlos an einen Computer übertragen.

In dieser Nacht, während T11 zu Hause schlief, wurde die Aktivität in seinem Motorkortex aufgezeichnet und drahtlos an einen Computer übertragen. „Was wir herausfanden, war ziemlich unglaublich. Er spielte das Spiel praktisch die ganze Nacht im Schlaf“, sagte Dr. Rubin. Während mehrerer Schlafphasen waren die Aktivierungsmuster der Neuronen in T11 genau dieselben wie jene, die während des Gedächtnisspiels früher am Tag auftraten.

„Dies ist der bislang direkteste Beweis für das Replay-Phänomen im Motorkortex während des Schlafs beim Menschen“, sagte Rubin. Die meisten der in der Studie festgestellten Wiederholungen ereigneten sich während des Tiefschlafs, einer Phase des Tiefschlafs. Interessanterweise war die Wahrscheinlichkeit einer Wiederholung wesentlich geringer, wenn sich T11 im REM-Schlaf (Rapid Eye Movement) befand, der Phase, die am häufigsten mit Träumen in Verbindung gebracht wird. Rubin und Cash sind davon überzeugt, dass diese Arbeit für das Verständnis des Replay-Phänomens und seiner Rolle beim menschlichen Lernen und Gedächtnis von grundlegender Bedeutung ist.

„Wir hoffen, dass wir diese Informationen nutzen können, um bessere Gehirn-Computer-Schnittstellen zu entwickeln und Paradigmen zu erarbeiten, die Menschen dabei helfen, nach einer Verletzung schneller und effektiver zu lernen, die Kontrolle wiederzuerlangen.“ Dr. Cash sagte: „Diese Forschung hat sehr von der engen Interaktion profitiert, die wir mit unseren Teilnehmern haben, und er ist T11 und den anderen Teilnehmern der klinischen BrainGate-Studie dankbar.“

Originallink:

https://www.massgeneral.org/news/press-release/clues-brain-activity-sleep-could-aid-people-neurologic-disease