Wie im Schlaf Understand article

Übersetzung von Angela Michel. Erholen wir uns im Schlaf einfach nur von einem langen, harten Tag, oder passiert da noch mehr? Angelika Börsch-Haubold über ein faszinierendes Forschungsgebiet, seine Bedeutung im Alltag und die Frage: Hatte ihre Großmutter doch recht? Finden Sie selbst…

Meine Großmutter behauptete immer, ausreichend Schlaf sei Voraussetzung fürs Lernen. Sie bestand sogar darauf, dass der Schlaf vor Mitternacht der beste sei. Doch während Kinder normalerweise anstandslos ins Bett gehen, wenn sie müde sind, sehen Teenager das lange Aufbleiben als Teil der Abnabelung von den Eltern. Und damit befinden sie sich im Einklang mit dem Rest der Gesellschaft: wir schlafen heute im Schnitt 20% weniger als unsere Vorfahren, was daran liegt, dass wir länger arbeiten und abends mehr unternehmen (Hargreaves, 2000).

Jeder weiß, dass unsere kognitive Leistung nach einer kurzen Nacht mit wenig Schlaf beeinträchtigt ist, dies gilt auch für zu wenig Schlaf über einen längeren Zeitraum. Übermüdung spielt bei einem Drittel aller Verkehrsunfälle eine Rolle und ist die Hauptursache bei Unfällen mit tödlichem Ausgang in der Altersgruppe der 18- bis 25-Jährigen. Doch Schlafmangel gefährdet nicht nur das eigene Leben. In einer anonymen Umfrage in einem Krankenhaus in San Francisco gaben über 40% des Personals zu, schon einmal den Tod eines Patienten durch einen Fehler verursacht zu haben, der auf Übermüdung zurückzuführen war.

Ein deutliches Anzeichen für Schlafmangel ist das überwältigende Bedürfnis nach Schlaf tagsüber, wenn z.B. Schüler während des Unterrichts, Studenten über ihren Lehrbüchern, Geschäftsleute während der Fahrt oder ältere Leute vor dem Fernseher einschlafen. Schlafmangel ist ein weit verbreitetes Phänomen und abgesehen davon, dass er potentiell tödlich sein kann, schränkt er unser Erinnerungsvermögen und damit unsere Lernfähigkeit stark ein.

Gedächtniskonsolidierung und Geistesblitze

Forscher haben in den letzten Jahren herausgefunden, dass sich nachts nicht nur die Nerven regenerieren, sondern auch der Lernprozess im Schlaf erneut aktiviert wird (Huber et al., 2004), was schließlich zu einer dauerhaften Speicherung im Langzeitgedächtnis führt. Die erste Erinnerung, die gespeichert wird, wenn wir etwas Neues lernen, ist noch leicht zu beeinflussen. Nach einer gewissen Zeit setzt dann automatisch der Prozess der Gedächtniskonsolidierung ein, wodurch die Erinnerung gefestigt wird. Dieser Prozess geht im Schlaf weiter und hat eine Steigerung der Gedächtnisleistung zur Folge. Aus diesem Grund funktioniert unser Gedächtnis besser nach einem kurzen Mittagsschlaf und noch besser nach einer Nacht mit ausreichend Schlaf (Stickgold, 2005). Auch die Suche nach einer Lösung für ein schwieriges Problem wird im Schlaf fortgesetzt, was unter Umständen dazu führt, dass wir einen Sachverhalt ganz plötzlich verstehen oder einen Geistesblitz haben, der durch einen Traum ausgelöst wurde. Im folgenden zeigen zwei Experimente den Zusammenhang von Schlaf und Gedächtniskonsolidierung.

Was passiert in unserem Gehirn, wenn wir schlafen?

Als wichtigstes Steuerungszentrum des vegetativen Nervensystems ist der Hypothalamus für die Regulierung der circadianen Rhythmen (der „inneren Uhr“) zuständig, die unsere Körpertemperatur, die Hormonfreisetzung, unseren Appetit sowie den Schlaf steuern. Er enthält einen „Neuronenschalter“, der auf die „Wachnerven“ und die „Schlafnerven“ einwirkt. Ein plötzlicher Übergang vom Wach- in den Schlafmodus („einschlafen“) bedeutet, dass die Schlafnerven die Wachnerven blockieren. Der Schalter wird stabilisiert durch eine dritte Gruppe von Neuronen, da wir sonst nachts immer wieder aufwachen würden (Saper et al., 2005). Man kann sich diesen neuronalen Mechanismus ungefähr wie eine Wippe mit drei Kindern vorstellen, bei der an jedem Ende des Balkens ein Kind sitzt und auf und ab wippt – der Schalter. Das dritte Kind sitzt oben auf der Achse. Und je nachdem, wie es sein Gewicht nach links oder rechts verlagert, blockiert es die Auf- oder Abwärtsbewegung eines der beiden anderen Kinder – der Stabilisator.

Dieses dynamische System erzeugt die verschiedenen Schlafphasen, wie wir sie schon seit längerem kennen: die sog. REM-Phase (rapid eye-movement sleep), die durch schnelle Augenbewegungen gekennzeichnet ist und während der wir träumen, sowie die Phasen I und II des leichten Schlafs und schließlich die Phasen III und IV des Tiefschlafs. Das nächtliche Schlafmuster gliedert sich in 90-minütige Zyklen, die sowohl aus Tiefschlafphasen als auch aus Phasen leichten Schlafs bestehen. Der Schlaf beginnt mit einer relativ langen Zeitspanne der Phasen III und IV, gefolgt von einer kurzen REM-Phase und den Phasen I und II des leichten Schlafs. Im Laufe der Nacht werden die Tiefschlafphasen kürzer und die Traumphasen länger.

Der Schlaf erfüllt scheinbar eine doppelte physiologische Funktion: So ist die Stoffwechselrate während der NREM-Phase gering, in der die Adenosintriphosphat-Speicher aufgefüllt werden, die über den Tag hinweg aufgebraucht wurden. Das ATP-Abbauprodukt Adenosin fungiert als physiologischer Schlafwirkstoff, indem es direkt auf die schlaffördernden Neuronen einwirkt. Darüberhinaus spielt der Schlaf eine Schlüsselrolle bei der neuronalen Plastizität. Während wir schlafen, werden wichtige Verbindungen zwischen Neuronen verstärkt und gleichzeitig zufällige Verbindungen gekappt. So sind alle Schlafphasen am schlafabhängigen Lernen beteiligt.

Schlafabhängige Steigerung der Gedächtnisleistung

Der Einfluss von Schlaf auf das Lernen läßt sich am ehesten quantitativ bestimmen, indem man das unbewußte Lernen misst. Dies geschieht zum einen durch die Untersuchung motorischer Fähigkeiten, wie z.B. Fingerübungen auf einer Tastatur oder das Nachzeichnen einer Linie auf dem Computerbildschirm, zum andern durch Testen der Wahrnehmungsfähigkeit, wobei die Probanden zwischen diagonalen Streifen im Vordergrund und horizontalen Streifen im Hintergrund eines Bildes unterscheiden müssen.

Bei der Fingerübung geben die Probanden so schnell wie möglich mehrmals hintereinander die Zahlenfolge 4-1-3-2-4 über die Tastatur ein (siehe Versuchsprotokoll). Die Leistung der Probanden steigert sich in den ersten fünf Übungsminuten kontinuierlich, danach nähert sie sich einer Asymptote von ca. 60% Steigung über zwölf Testphasen von je 30-Sekunden Länge (Stickgold, 2005). Ein erneuter Test 4 bis 12 Stunden später am selben Tag zeigt keine weitere Verbesserung. Nach einer Nacht mit ausreichend Schlaf jedoch nehmen sowohl Geschwindigkeit als auch Treffsicherheit im Durchschnitt um 20% zu. Nach zwei weiteren Nächten kann eine nochmalige Zunahme um 26% verzeichnet werden. Diese Daten verdeutlichen klar den Zusammenhang von steigender Gedächtnisleistung und Schlaf.

Interessant dabei ist, dass Schlafen nur dann zu einer Gedächtnissteigerung führt, wenn nicht zuviel auf einmal mit derselben Art von „Speicher“ gelernt wurde. Wird nämlich im Laufe des Experiments eine zweite, unabhängige Zahlenfolge unmittelbar nach der ersten Übungseinheit erlernt, verbessern sich nach dem Schlafen lediglich die Ergebnisse der zweiten Zahlenreihe (Walker et al., 2003). Unterschiedliche Zeitvorgaben zum Üben und ein erneuter Test zeigen, dass die erste Stabilisierungsphase zur Gedächtniskonsolidierung zwischen 10 Minuten und 6 Stunden nach dem Lernen einsetzt und erst danach nicht mehr durch konkurrierende Erinnerungen beeinflussbar ist. Kurze Wiederholungsphasen (wie z.B.weitere Tests in kurzen Abständen) führen diesen labilen Zustand, in dem das Gedächtnis für Einflüsse konkurrierender und zu konsolidierender motorischer Muster anfällig ist, jedoch erneut herbei.

Der wissenschaftliche Nachweis für schlafabhängige Gedächtniskonsolidierung von Ereignissen (des gestrigen Tages) und Fakten (Namen von Arbeitskollegen) fällt dagegen schwächer aus, obwohl Testpersonen, die sich Nonsens-Silben merken oder Wortpaar-Assoziationen herstellen sollten, sich bei der Stabilisierung des deklarativen Gedächtnisses leichter taten, wenn sie früh zu Bett gegangen waren und dadurch eine lange Tiefschlafphase hatten (Stickgold, 2005).

Geistesblitze

Geistesblitze sind eine Form des komplexen kognitiven Lernens. Ein berühmtes Beispiel dafür, wie durch Schlaf Geistesblitze ausgelöst werden können, liefert James Watson, der Entdecker der Doppelhelix. Als dieser im Jahr 1953 am Prinzip der Basennpaarung arbeitete – eine wichtige Voraussetzung zur Aufschlüssung der DNA-Struktur – glaubte er zunächst, ein Modell zur Paarung der vier Basen Adenin, Guanin, Zytosin und Thymin gefunden zu haben: als zueinander komplementäre Strukturen, die durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Doch sehr bald schon wiesen ihn seine Kollegen aus der Kristallographie darauf hin, dass dieses Modell aus zwei Gründen nicht stimmen konnte: Erstens, bekam er zu hören, sei es wahrscheinlicher, dass Guanin und Thymin Teil der Ketokonfiguaration seien (anders als in den Lehrbüchern angegeben, wo eine Enolkonfiguration abgebildet war). Zweitens wurde er an die Chargaff’sche Regel erinnert, nach der in allen DNA-Molekülen Adenin gleich Thymin und Guanin gleich Zytosin ist.

Ausgestattet mit diesem neuen Wissen gelang es Watson dennoch nicht, am selben Tag noch eine Lösung zu finden, obwohl er sich aus Karton ein Modell der Basen gebastelt hatte.Am darauffolgenden Morgen schreibt er jedoch: „Plötzlich ging mir auf, dass ein Adenin-Thymin-Paar, das von zwei Wasserstoffbrücken zusammengehalten wird, in seiner Form identisch ist mit einem Guanin-Zytosin-Paar […] Die Form der Wasserstoffbrücken schien darauf ganz natürlich […] Die logische Konsequenz der Chagraff’schen Regel war eine doppel-spiralförmige Struktur der DNA“ (Watson, 1980). Dies war die Geburtsstunde der Watson-Crick Doppelhelix.

Wagner und seine Kollegen haben einen Test entwickelt, mit dem sich genau bestimmen läßt, wann solche abstrakten Erkenntnisse im Lernprozess auftreten (Versuchsprotokoll; Wagner et al., 2004). Mit Hilfe eines Standardalgorithmus (bestehend aus zwei einfachen Regeln) sollen die Versuchspersonen die Lösung für eine achtstellige Ziffernfolge finden. Dass es für diese Aufgabe eine einfache Abkürzung gibt, wissen sie allerdings nicht. Der Prozentsatz der Versuchspersonen, die diese Abkürzung bzw. „versteckte Regel“ bei einem erneuten Test finden, liegt bei 22% in der wachgebliebenen Gruppe und bei 60% in der Gruppe, die inzwischen geschlafen hatte. Die Entdeckung einer komplexen Regel – eine der anspruchvollsten kognitiven Leistungen überhaupt – wird also durch eine Nacht mit ausreichend Schlaf wesentlich erleichtert, auch dann, wenn die Testperson nicht weiß, dass es überhaupt eine Regel zu entdecken gibt.

Schlußfolgerung

Die neuesten Forschungsergebnisse haben die Behauptung meiner Großmutter auf eine solide wissenschaftliche Basis gestellt. In Verbindung mit der Tatsache, dass es unserer Gesellschaft weithin an ausreichend Schlaf mangelt, geben sie dazu Anlass, unsere Schlafgewohnheiten zu überdenken. Und da wir unser Leben lang von effizienten Lernstrategien profitieren, können uns Einblicke in die Schlafbedürfnisse unseres Gehirns zeigen, wie wir effektiv lernen, arbeiten und spielen und dies alles im Einklang mit unseren neurophysiologischen Anlagen. Also: schlafen Sie mal drüber!

Versuchsprotokoll: Fingerübung

Durchführung der
Fingerübung

Für die Fingerübung laden Sie zunächst das Excel-Arbeitsblatt „FingerTap.xlsw1herunter. Bevor Sie das Arbeitsblatt verteilen, kopieren Sie es und speichern Sie die Kopie unter dem Namen des betreffenden Schülers.

Es arbeiten jeweils zwei Schüler zusammen, wobei einer von ihnen – ein Rechtshänder – vier Finger der linken Hand wie abgebildet auf die Tastatur des Computers legt. Beginnend bei der Spalte „Durchgang 1“ gibt der Schüler mehrmals so schnell und exakt wie möglich die aus fünf Ziffern bestehende Zahlenfolge ein, die oben auf dem Arbeitsblatt steht. Die eingegebene Sequenz wird nicht in den Zellen angezeigt. Nach jeder Sequenz drückt der Schüler die Eingabetaste mit der rechten Hand, um damit den Cursor eine Zelle nach unten zu bewegen. Der Partner stoppt dabei die Zeit.

Jeder Durchgang dauert 30 Sekunden, gefolgt von 30 Sekunden Pause. Die gesamte Übungsphase besteht aus 12 Durchgängen (einem in jeder mit ‘Übungstest’ bezeichneten Spalte ‘Durchgang 1’ bis ‘Durchgang 12’). Der Wiederholungstest besteht aus 6 Runden (Spalte ‘Wiederholungstest’, ‘Durchgang 1’ bis ‘Durchgang 6’) und wird unter denselben Bedingungen entweder 6-8 Stunden später am gleichen Tag (Gruppe ohne Schlaf) oder am nächsten Tag nach einer Nacht mit ausreichend Schlaf durchgeführt (Gruppe mit Schlaf).

Das erste Excel-Arbeitsblatt ist so programmiert, dass es alle korrekt eingegebenen Zahlenfolgen erfasst. Das Ergebnis wird in der Zeile „Punktzahl/Auswertung angezeigt“ (Zeile 56). Das zweite Blatt analysiert automatisch die Daten, indem zunächst die verschiedenen Durchläufe mit den jeweiligen Ergebnissen und dann die Übungsergebnisse mit den Ergebnissen des Wiederholungstests verglichen werden. Um den Unterschied zwischen der Gruppe mit Schlaf und der Gruppe ohne Schlaf quantitativ zu bestimmen, wird der Durchschnittswert der korrekten Zahlenfolgen mit den Durchschnittswerten des Wiederholungstests verglichen; die Durchschnittswerte für jeden Probanden werden auf dem Arbeitsblatt automatisch errechnet.

Ein bereits ausgefülltes Musterarbeitsblatt ist als Download auf der Science in School Webseite verfügbarw1.

 

Versuchsprotokoll: Ziffernfolgen kürzen

Die Schüler lernen zunächst einen Standardalgorithmus, mit dessen Hilfe sie eine achtstellige Ziffernfolge (bestehend aus den Ziffern 1, 4 und 9) auf eine einzige Ziffer zurückführen sollen (s. Abbildung). Dabei müssen zwei einfache Regeln angewandt werden:

Versuchsprotokoll:
Ziffernfolgen kürzen
  1. Die ‘Gleich-Regel’ besagt, dass das Ergebnis zweier identischer Ziffern gleich dieser Ziffer ist (z.B. 1 und 1 ergibt 1)
  2. Die ‘Anders-Regel’ besagt, dass das Ergebnis zweier unterschiedlicher Ziffern gleich dem der verbleibenden dritten Ziffer ist (z.B. 1 und 4 ergibt 9).

Nach dem ersten Lösungsschritt wird das vorangegangene Ergebnis mit der nächsten Ziffer verglichen (d.h. den eingekreisten Ziffern; der Pfeil zeigt auf das korrekte Ergebnis). Der siebte Lösungsschritt gibt das Endergebnis an. Aufgezeichnet wird die Zeit, die benötigt wird, um die gesamte Ziffernfolge zu bearbeiten.

Was die Schüler nicht wissen, ist, dass es hierbei eine „versteckte Regel“ gibt: die Ziffernfolgen wurden so generiert, dass der zweite Lösungsschritt jeder Versuchsreihe identisch ist mit der endgültigen Lösung. Das Wissen um diese versteckte Regel verringert drastisch die Zeitspanne, die für die Lösung des Problems benötigt wird.

Vor Beginn des Experiments üben die Schüler die fehlerfreie Durchführung des Experiments an verschiedenen Ziffernfolgen (bei denen es jedoch keine versteckte Regel gibt), um sicherzugehen, dass die „Gleich-“ und die „Anders-Regel“ verstanden wurden. Ein Word-Dokument mit Übungenssequenzen (NumberRed.doc) ist als Download verfügbarw1.

Das Experiment besteht aus einer anfänglichen Übungsphase (drei Aufgabenblöcke mit jeweils 30 Ziffernfolgen), gefolgt von 8 Stunden Schlaf oder Wachbleiben und einem Wiederholungstest (zehn Aufgabenblöcke). Am Ende des Experiments wird der Prozentsatz derer berechnet, die der versteckten Regel auf die Spur gekommen sind und die „Schlafgruppe“ mit der „wachgebliebenen“ Gruppe verglichen. In der ursprünglichen Publikation reduzierten die Probanden, die die versteckte Regel erkannt hatten, die Zeit zur Lösung der einzelnen Ziffernfolgen abrupt von 8,7 auf 2,4 Sekunden.

Achten Sie bei der Vorbereitung des Experiments darauf, dass die Schüler hinsichtlich der „Abkürzung“ keinen Verdacht schöpfen. Entdeckt ein Schüler die versteckte Regel innerhalb der anfänglichen Trainingsphase, sollten seine bzw. ihre Daten nicht in die Auswertung mit einfliessen.

Danksagung

Bedanken möchte ich mich bei Robert Stickgold (Harvard Medical School, Boston, MA, USA) und Ullrich Wagner (Universität Lübeck, Germany), deren Forschung die Grundlage für diesen Artikel bildete, für ihre Anregungen bei der Erstellung und Ausarbeitung der Arbeitsblätter und Tests.

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References

  • Hargreaves S (2000) Health, happiness, and a good night’s sleep. The Lancet 355: 155
  • Huber R, Ghilardi MF, Massimini M, Tonomi G (2004) Local sleep and learning. Nature 430: 78-81. doi:10.1038/nature02663.
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  • Saper CB, Scammell TE, Lu J (2005) Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms. Nature 437: 1257-1263. doi:10.1038/nature04284.
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  • Stickgold R (2005) Sleep-dependent memory consolidation. Nature 437: 1272-1278. doi:10.1038/nature04286.
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  • Wagner U, Gais S, Haider H, Verleger R, Born J (2004) Sleep inspires insight. Nature 427: 352-355. doi:10.1038/nature02223.
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  • Walker MP, Brakefield T, Hobson JA, Stickgold R (2003) Dissociable stages of human memory consolidation and reconsolidation. Nature 425: 616-620. doi:10.1038/nature01930.
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  • Watson J (1980) The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA. New York, NY, USA: W. W. Norton & Company

Web References

w1 – Alle für die Durchführung der Übungen benötigten Arbeitsblätter können unter folgender Adresse heruntergeladen werden:

Review

Dieser Artikel wird sicher das Interesse von Schülern und Lehrern wecken, da hier komplexe wissenschaftliche Forschung in einfachen Worten dargestellt wird. Eingesetzt werden kann er im Rahmen der neuen GCSE-Kurse (Altersgruppe der 14-16-Jährigen) in England, aber auch bei Schülern verschiedener Altersgruppen in anderen Ländern.


Clara Seery, Großbritannien




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