Gedächtniskonsolidierung

Etliche Studien haben gezeigt, daß während des nächtlichen Schlafes Erinnerungen im Langzeitgedächtnis verfestigt werden. Der genaue Ablauf dieses Vorgangs ist jedoch unbekannt. Nach neueren Untersuchungen spielt der schlafbedingte Konzentrationsabfall des Stresshormons Cortisol eine zentrale Rolle.

Prof. Dr. Jan Born und Dr. Werner Plihal

Während einer Nacht treten vier bis fünf Schlafzyklen auf, die jeweils etwa 100 Minuten dauern (Bild 1 oben). Jeder solche Zyklus endet in einer Traumphase, die durch rasche Augenbewegungen charakterisiert ist und als REM-Schlaf bezeichnet wird (nach englisch rapid eye movements). Die Non-REM-Phase davor, in der verschieden tiefe Schlafstadien durchlaufen werden, ist im ersten Zyklus am ausgeprägtesten und wird im Laufe der Nacht stetig kürzer und flacher. Dagegen verlängert sich die REM-Phase von etwa 5 bis 10 auf 20 bis 50 Minuten. Die erste Nachthälfte ist also durch einen besonders hohen Anteil an Tiefschlaf und die zweite maßgeblich durch die REM-Phasen geprägt.
Das frühe und späte Schlafstadium unterscheiden sich aber auch in anderer Hinsicht – so etwa in der Menge des Hormons Cortisol, das aus dem Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-System freigesetzt wird. Weil dieses System in der ersten Nachthälfte gehemmt ist, fallen die im Blut und Speichel meßbaren Cortisol-Konzentrationen auf ihren niedrigsten Wert im Tagesverlauf, während sie gegen Morgen ihr Maximum erreichen (Bild 1 unten).
Cortisol reguliert unter anderem die neuronale Aktivität des Hippocampus. Diese tiefliegende Hirnstruktur an der Innenseite des Schläfenlappens bildet den Kurzzeitspeicher des sogenannten deklarativen Gedächtnisses, das Erinnerungen an Ereignisse oder Erlebnisse (episodisches Gedächtnis) sowie neue Vokabeln, Namen oder Fakten (semantisches Gedächtnis) festhält; zur Langzeitspeicherung werden sie vom Hippocampus in sogenannte Assoziationsareale weitergeleitet, die über die gesamte Hirnrinde verstreut sind.
Das nondeklarative Gedächtnis umfaßt dagegen eine bunte Sammlung von automatisierten Fertigkeiten, die etwa durch das wiederholte Ausüben von Tätigkeiten wie Klavierspielen, Schreibmaschinenschreiben oder Radfahren entstehen. Neuroanatomisch basiert es auf Hirnstrukturen des motorischen Systems wie den Basalganglien, den frontalen motorischen Rindenfeldern und dem Kleinhirn.
In jüngster Zeit haben wir an der Universität Bamberg untersucht, inwieweit sich der frühe und späte nächtliche Schlaf selektiv auf die Verfestigung deklarativer und nondeklarativer Gedächtnisinhalte auswirken. Dabei definierten wir die beiden Schlafphasen über die gegenläufigen Verteilungen von Tief- und REM-Schlaf sowie über die unterschiedlichen Cortisol-Konzentrationen.
Wir stellten den Versuchsteilnehmern jeweils deklarative (zum Beispiel das Einprägen von Wortlisten) und nondeklarative Lernaufgaben (etwa Zeichnen bei spiegelverkehrtem visuellem Feedback), bevor wir sie drei Stunden schlafen ließen. Danach weckten wir sie und prüften, wie gut sie die Aufgaben nun meisterten. An einem Untersuchungstermin lernten die Teilnehmer abends vor dem Zubettgehen und wurden nach der ersten Schlafhälfte getestet. In einer anderen Untersuchungsnacht durften sie zunächst drei Stunden schlafen, wurden dann zum Lernen geweckt und nach weiteren drei Stunden Schlaf am folgenden Morgen getestet. Zusätzlich verglichen wir die Gedächtnisleistungen der Schläfer mit denen von Kontrollpersonen, die entsprechend in der ersten oder zweiten Nachthälfte durchgehend wach blieben.
Generell behielten die Schläfer das Gelernte besser als die Nichtschläfer. Allerdings wirkte sich der Zeitpunkt des Lernens und Testens darauf aus, welche Art von Gedächtnisinhalten stärker bewahrt wurde. So zeigten die Schläfer nach der ersten Nachthälfte höhere Leistungen in deklarativen, aber nicht in nondeklarativen Gedächtnistests; umgekehrt lösten sie nach der zweiten Nachthälfte nondeklarative Aufgaben besser als die Kontrollpersonen, deklarative dagegen nur genauso gut (Bild 2). Demnach scheinen deklarative Gedächtnisinhalte vorwiegend in der frühen, nondeklarative dagegen in der späten Phase des nächtlichen Schlafs konsolidiert zu werden.
Hängt dieser Unterschied mit der sich ändernden Ausprägung von Tief- und REM-Schlaf oder aber mit den schwankenden Cortisol-Konzentrationen zusammen? Um dies zu prüfen, führten wir die geschilderten Experimente noch einmal durch, verabreichten den Versuchspersonen aber diesmal zusätzlich Pharmaka, welche die Cortisol-Wirkung aufheben oder nachahmen, indem sie die Rezeptoren für das Stresshormon im Hippocampus blockieren oder aktivieren. Es gibt zwei verschiedene Arten solcher Andockstellen, die als Mineralocorticoid- (MR) und Glucocorticoid-Rezeptor (GR) bezeichnet werden.
In einem der neuerlichen Versuche verabreichten wir den Wirkstoff Dexamethason, der wie Cortisol den Glucocorticoid-Rezeptor aktiviert. Die Folge war erstaunlich. Obwohl die Substanz das Ausmaß des Tiefschlafes nicht beeinflußt, unterband sie die Konsolidierung deklarativer Gedächtnisinhalte in der frühen Schlafphase. Dagegen blieb die Verfestigung nondeklarativer Lernleistungen in der zweiten Nachthälfte unbeeinträchtigt, obwohl Dexamethason den REM-Schlaf erheblich reduziert.
Dies war bereits ein deutlicher Hinweis darauf, daß die elektrophysiologisch definierten Schlafstadien von geringerer Bedeutung für die Gedächtniskonsolidierung sind als bislang angenommen. Den gleichen Schluß legten Experimente mit dem Wirkstoff Canrenoat nahe, der den Mineralocorticoid-Rezeptor blockiert. Obwohl die Substanz den Tiefschlaf in der ersten Nachthälfte deutlich beeinträchtigt, wirkte sie sich nicht negativ auf die Konsolidierung des deklarativen Gedächtnisses in dieser Schlafphase aus.
Wie sind nun die Ergebnisse dieser Versuchsserie zu deuten? Tierexperimentelle Befunde lassen vermuten, daß deklarative Informationen, die im Wachzustand tagsüber in Neuronen der sogenannten CA1-Schicht des Hippocampus gespeichert werden, im nächtlichen Schlaf in hochverdichteter Weise in die Assoziationsareale überspielt werden. Dabei kommt es in der CA3-Schicht des Hippocampus zu hochfrequenten Neuronenentladungen (sharp wave bursts), deren Erregung sich über den restlichen Hippocampus ausbreitet und über Neuronennetze zur Großhirnrinde geleitet wird. Matthew A. Wilson vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und Bruce L. McNaughton von der Universität von Arizona in Tucson konnten das synchronisierte Feuern der beteiligten Nervenzellen des Hippocampus im Rattengehirn beobachten, indem sie mit Anordnungen von Mikroelektroden das Zellpotential ableiteten.
Unsere Befunde deuten nun darauf hin, daß in der ersten Schlafhälfte wegen des geringen Cortisolspiegels im Blut die Glucocorticoid-Rezeptoren abgeschaltet sind. Ihre Inaktivierung ist offenbar die Voraussetzung dafür, daß das Überspielen des Gedächtnisinhaltes aus dem Hippocampus in die Hirnrinde reibungslos abläuft. Aus diesem Grunde stört Dexamethason, das wie Cortisol die Rezeptoren erregt, den Konsolidierungsprozeß, während Canrenoat, das sie abschaltet, keinen negativen Einfluß hat.
Für diese Schlußfolgerung sprechen auch die Ergebnisse einer weiteren Studie, bei der in unserem Labor akustisch hervorgerufene Hirnrindenpotentiale abgeleitet wurden. Danach scheint der Hippocampus während der ersten Nachthälfte "off-line" geschaltet zu sein, also keine Informationen von außen zu verarbeiten, damit die Konsolidierung des Gedächtnisinhaltes nicht durch neue Reize gestört wird.
Über die Mechanismen, die in der zweiten Schlafhälfte die Verfestigung des nondeklarativen Gedächtnisses unterstützen, liefern unsere Ergebnisse allerdings keine Informationen. Aufschluß darüber können nur weitere Experimente geben.