MRT hilft, die Geheimnisse des Schlafes zu lüften

Magnetic resonance tomography

Der Bewusstseinszustand ändert sich in Phasen des Tiefschlafes erheblich, genau wie im Koma oder unter Vollnarkose. Wissenschaftler haben lange geglaubt, konnten aber nicht sicher sein, dass die Gehirnaktivität im Schlaf abnimmt. Die meisten Untersuchungen zum Schlaf werden mithilfe der Elektroenzephalographie (EEG) durchgeführt, einer Methode, bei der die Gehirnaktivität durch Elektroden gemessen wird, die entlang der Kopfhaut eines Patienten angebracht sind. Anjali Tarun, Doktorandin am Medical Image Processing Laboratory der EPFL an der School of Engineering, untersuchte jedoch die Gehirnaktivität im Schlaf mithilfe der Magnetresonanztomographie. Dimitri Van De Ville, Leiter des Labors, sagt: „MRT-Untersuchungen messen die neuronale Aktivität, indem 

 

sie die hämodynamische Reaktion von Strukturen im gesamten Gehirn erfassen und so neben EEGs wichtige Informationen liefern.“ Während dieser Experimente stützte sich Tarun auf das EEG, um festzustellen, wann die Studienteilnehmer eingeschlafen waren, und um die verschiedenen Schlafphasen zu bestimmen. Dann untersuchte sie die MRT Bilder zur Erzeugung räumlicher Karten neuronaler Aktivität und zur Bestimmung verschiedener Gehirnzustände.

Schwer zu beschaffende Daten

 Der einzige Haken war, dass es nicht einfach war, Gehirn-MRTs an Teilnehmern durchzuführen, während sie schliefen. Die Maschinen sind laut, was es den Teilnehmern schwer macht, einen tiefen Schlafzustand zu erreichen. In Zusammenarbeit mit Prof. Sophie Schwartz von der Universität Genf und Prof. Nikolai Axmacher von der Ruhr-Universität Bochum konnte Tarun simultane MRT- und EEG-Daten von rund 30 Personen nutzen. Die Gehirnaktivitätsdaten wurden über einen Zeitraum von fast zwei Stunden aufgezeichnet, während die Teilnehmer in einem MRT-Gerät schliefen. “Zwei Stunden sind eine relativ lange Zeit, was bedeutet, dass wir eine Reihe seltener, zuverlässiger Daten erhalten konnten”, sagt Tarun. “MRTs, die durchgeführt werden, während ein Patient eine kognitive Aufgabe ausführt, dauern normalerweise etwa 10 bis 30 Minuten.”

Gehirnaktivität im Schlaf

Nach dem Überprüfen, Analysieren und Vergleichen aller Daten war das, was Tarun fand, überraschend. “Wir haben genau berechnet, wie oft Netzwerke aus verschiedenen Teilen des Gehirns in jeder Schlafphase aktiv wurden”, sagt sie. “Wir haben festgestellt, dass in leichten Schlafphasen, dh zwischen dem Einschlafen und dem Eintritt in einen Tiefschlafzustand, die Gehirnaktivität insgesamt abnimmt. Die Kommunikation zwischen verschiedenen Teilen des Gehirns wird jedoch viel dynamischer. Wir glauben, dass dies der Fall ist.” aufgrund der Instabilität der Gehirnzustände während dieser Phase. “

Van De Ville fügt hinzu: “Was uns bei all dem wirklich überrascht hat, war das daraus resultierende Paradoxon. Während der Übergangsphase vom leichten zum tiefen Schlaf nahm die lokale Gehirnaktivität zu und die gegenseitige Interaktion ab. Dies weist auf die Unfähigkeit der Hirnnetzwerke hin, sich zu synchronisieren.”

Die Rolle von Netzwerken im Standardmodus und des Kleinhirns

Bewusstsein ist im Allgemeinen mit neuronalen Netzen verbunden, die mit unseren Selbstbeobachtungsprozessen, dem episodischen Gedächtnis und dem spontanen Denken verbunden sein können. “Wir haben gesehen, dass das Netzwerk zwischen der vorderen und hinteren Region zusammengebrochen ist, und dies wurde mit zunehmender Schlaftiefe immer deutlicher”, sagt Van De Ville. “Ein ähnlicher Zusammenbruch in neuronalen Netzen wurde auch im Kleinhirn beobachtet, was typischerweise mit der Motorsteuerung verbunden ist.” Derzeit wissen die Wissenschaftler nicht genau, warum dies geschieht. Ihre Ergebnisse sind jedoch ein erster Schritt zu einem besseren Verständnis der Bewusstseinszustände im Schlaf. “Unsere Ergebnisse zeigen, dass Bewusstsein das Ergebnis von Interaktionen zwischen verschiedenen Gehirnregionen ist und nicht von lokalisierter Gehirnaktivität”, sagt Tarun. “Indem wir untersuchen, wie sich unser Bewusstseinszustand in verschiedenen Schlafphasen verändert und was dies für die Netzwerkaktivität des Gehirns bedeutet, können wir das breite Spektrum der Gehirnfunktionen, die uns als Menschen charakterisieren, besser verstehen und erklären.”
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Das Gehirnnetzwerk treibt Bewusstseinsveränderungen an

Weitere Informationen: Anjali Tarun et al., NREM-Schlafstadien verändern spezifisch die dynamische Integration großer Hirnnetzwerke, iScience (2020). DOI: 10.1016 / j.isci.2020.101923
Journalinformationen: iScience