Kieler und Frankfurter Wissenschaftler korrigieren jahrelange Fehlannahme der Hirnforschung

Ein Forschungsprojekt hat wichtige Erkenntnisse über die Auswirkungen von Schlaf auf die funktionelle Architektur des Gehirns gewonnen. Die Ergebnisse könnten die Neuroforschungspraxis grundlegend beeinflussen. Die Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift „Neuron“ veröffentlicht.

Eine Studie mit Beteiligung von Forschern des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein (UKSH), Campus Kiel, und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) sowie des Universitätsklinikums Frankfurt belegt, dass sich die Kommunikation zwischen den verschiedenen Hirnarealen ändert, wenn man einschläft. Diese Erkenntnis stellt die aktuell übliche Praxis von Hirnuntersuchungen im Ruhezustand in Frage. Dabei wird die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) dazu genutzt, die Arbeitsweise des Gehirns von Patientinnen und Patienten mit der von gesunden Kontrollpersonen zu vergleichen. Bisher wurden die Unterschiede zwischen diesen Gruppen als mögliche Indikatoren einer Erkrankung interpretiert. Allerdings schlafen Menschen in der Regel innerhalb weniger Minuten ein, wenn sie in einem Magnetresonanztomografie im Rahmen solcher Studien untersucht werden. Die neuen Forschungserkenntnisse zeigen, dass auch der Schlaf- oder Wachzustand bereits für Differenzen der Hirnfunktion verantwortlich sein kann. „Die Ergebnisse werfen ein ganz neues Licht auf die bestehenden Hirnuntersuchungen im Ruhezustand mithilfe der fMRT“, erläutern die verantwortlichen Forscher Enzo Tagliazucchi von der Klinik für Neuorologie am Universitätsklinikum Frankfurt und Privatdozent Dr. Helmut Laufs von der Klinik für Neurologie am UKSH, wo er seine Studien im Rahmen des Neuroimaging Schwerpunkts fortsetzt.

Schlaf reduziert Interaktion zwischen Hirnarealen
Laufs und Tagliazucchi arbeiten gemeinsam in einem Projekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (Förderung 01 EV 0703) und dem LOEWE-Schwerpunkt Neuronale Koordination Forschungsschwerpunkt Frankfurt (NeFF) finanziert wird. Die beiden Neurowissenschaftler haben 71 Probandinnen und Probanden parallel mit Hirnstrommessung und fMRT untersucht. Die Hirnstrommessung mittels Elektroenzephalografie (EEG) stellt den graduellen Wach- oder Schlafzustand fest. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass Unterschiede zwischen Patientinnen und Patienten und der Kontrollgruppe physiologisch und durch den Wachheitszustand verursacht sein können und nicht notwendigerweise durch pathophysiologische, das heißt krankheitsbedingte Differenzen. Beispielsweise können Patientinnen und Patienten, die Müdigkeit verursachende Medikamente nehmen, leichter einschlafen als gesunde Kontrollpersonen, und dadurch wird das Ergebnis verzerrt.

Bestehende Forschung muss neu bewertet werden
Mit den Ergebnissen konnten die Forscher einen enzyklopädischen Atlas der funktionellen Hirnstruktur im Ruhezustand erstellen, der zwischen Wachzustand, leichtem und tiefem Schlaf differenziert. Sie haben herausgefunden, dass bei leichtem Schlaf die Kommunikation zwischen den inneren, subkortikalen, und den äußeren, kortikalen Gehirnarealen vermindert wird. Bei tiefem Schlaf ist sogar die Interaktion der äußeren Areale untereinander eingeschränkt.

Auf dieser Grundlage haben die Wissenschaftler ein Kategorisierungssystem für Schlafzustände entwickelt. Dabei handelt es sich um einen Ansatz, dank dessen man in bereits bestehenden Daten aus fMRT-Untersuchungen im Ruhezustand erkennen kann, ob die Probandinnen und Probanden bei der Untersuchung wach waren oder geschlafen haben. Diese Methode haben die Wissenschaftler auf 1147 Datensätze angewendet, die im Internet verfügbar sind. Auch für diese Daten konnten die Forscher bestätigen, dass zahlreiche Probandinnen und Probanden während der MRT-Untersuchung rasch eingeschlafen waren: Ein Drittel ist nicht länger als drei Minuten wach geblieben. „Aufgrund der spezifischen funktionalen Veränderungen im Gehirn, die sich durch den Übergang vom Wach- in den Schlafzustand ergeben, müssen künftige Studien diesen Wechsel berücksichtigen“, so Laufs‘ Fazit. „Außerdem muss die bestehende Literatur zu diesem Thema auf Basis unserer Erkenntnisse in einem neuen Licht betrachtet werden“, ergänzt Tagliazucchi.

Das Ziel dieser „Ruhezustandsmessungen“ ist es, sogenannte Biomarker zu finden, die zur Krankheitserkennung beziehungsweise Früherkennung (insbesondere Alzheimer und andere Demenzen) oder Symptomeinordnung (insbesondere Schizophrenie) beziehungsweise Krankheitsspezifizierung (zum Beispiel Klassifizierung einer Epilepsie) dienen können. „Unsere Forschungsergebnisse könnten perspektivisch dazu beitragen, Patienten vor Fehldiagnosen zu bewahren, beispielsweise indem vermeintlich harmlose Schlafmuster im Hirn als Hinweis auf eine – weniger harmlose – Erkrankung erkannt werden könnten. Momentan ist das allerdings noch Zukunftsmusik“, erklärt Dr. Laufs. Die Wissenschaftler streben an, durch die Schlaferkennung die Empfindlichkeit der Methode weiter zu erhöhen. „Wenn zukünftig wach und schlafend besser differenziert werden können, ist die Chance erwartungsgemäß höher, dass wir aus den unterschiedlichen Hirnaktivitätsmustern für die Krankheitserkennung wichtige Biomarker ableiten werden“, so Dr. Laufs.

Originalpublikation:
Tagliazucchi and Laufs, Decoding Wakefulness Levels from Typical fMRI Resting-State Data Reveals Reliable Drifts between Wakefulness and Sleep, Neuron (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2014.03.020 sowie
http://www.cell.com/neuron/abstract/S0896-6273%2814%2900250-5

Ein Foto steht zum Download zur Verfügung unter www.uksh.de/pi_140508_schlafforschung_laufs.html

Für Rückfragen steht zur Verfügung:
Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Campus Kiel, und Christian-Albrechts-Universität Kiel
Klinik für Neurologie, PD Dr. Helmut Laufs
Tel.: 0431 597-8550, E-Mail: h.laufs@neurologie.uni-kiel.de

Verantwortlich für diese Presseinformation:
Oliver Grieve, Pressesprecher des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein, Mobil: 0173 4055 000,
E-Mail: oliver.grieve@uksh.de
Campus Kiel Arnold-Heller-Straße 3, Haus 31 24105 Kiel Tel.: 0431 597-5544 Fax: -42 18
Campus Lübeck Ratzeburger Allee 160, 23538 Lübeck Tel.: 0451 500-5544 Fax: -21 61

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de