Gehirnaktivität im Schlaf: Die Atmung gibt den Takt vor

Im Takt des Atmens: Der Rhythmus unserer Atmung bestimmt darüber, wie sich unsere Hirnregionen im Schlaf synchronisieren, wie Experimente an Mäusen nahelegen. Demnach schwingen bestimmte Hirnwellen im Takt der Atemzüge. Ihr Rhythmus beeinflusst offenbar die Erregbarkeit neuronaler Schaltkreise und sorgt auf diese Weise dafür, dass Neuronen verschiedener miteinander verknüpfter Hirnregionen synchron feuern.

Während wir schlafen, synchronisiert sich die Aktivität in verschiedenen Regionen unseres Gehirns. Auf diese Weise können Informationen und Eindrücke, die wir während des Tages gesammelt haben, verarbeitet werden und ins Langzeitgedächtnis gelangen. Unwichtige Eindrücke und auch die nächtlichen Träume werden in dieser „Aufräum“-Phase gelöscht. Welche Mechanismen der nächtlichen Synchronisation des Gehirns zugrunde liegen, war allerdings bislang unklar.

Blick ins schlafende Gehirn

Ein Team um Nikolaos Karalis von der Ludwig-Maximilians-Universität München hat nun an Mäusen nachgewiesen, dass der Taktgeber dieser Synchronisation die Atmung ist. Dazu implantierten die Forscher den Mäusen Elektroden in verschiedene Regionen des Gehirns, die die jeweilige Aktivität der Nervenzellen maßen.

Zu den untersuchten Hirnregionen zählten der Hippocampus, der als Schnittstelle zwischen dem Kurzzeit- und dem Langzeitgedächtnis gilt, der Kortex, in dem stabile Nervenverbindungen das Langzeitgedächtnis bilden, sowie weitere Teile des limbischen Systems, die ebenfalls mit Erinnerungen in Verbindung gebracht werden. Eine weitere Elektrode im Riechkolben der Tiere zeichnete ihren Atemrhythmus auf.

Atmung als Taktgeber

Erwartungsgemäß zeigte sich, dass sich die untersuchten Hirnregionen synchronisierten, während die Mäuse schliefen. Bereits aus früheren Studien war bekannt, dass das Gehirn sich während des Schlafes in einem „Offline-Modus“ befindet, in dem es unabhängig von externen Reizen noch einmal Aktivitätsmuster durchspielt, die zuvor erlebte Eindrücke widerspiegeln und diese durch die Wiederholung festigen.

Viele Wissenschaftler gingen bislang davon aus, dass diese Prozesse durch interne neuronale Ereignisse gesteuert werden. Doch die Maus-Experimente zeigen: Der Taktgeber dieser Synchronisierung ist die Atmung. „Wir haben beobachtet, dass die Nervenzellen je nach Phase des Atemzyklus moduliert werden“, berichten die Autoren. „Die meisten modulierten Nervenzellen feuerten bevorzugt während des Einatmens.“

Unabhängig vom Geruchssinn

Ein möglicher Weg, wie die Atmung die Gehirnaktivität beeinflussen kann, wäre über den Geruchssinn. Um herauszufinden, inwieweit dies im vorliegenden Fall tatsächlich eine Rolle spielt, schalteten die Forscher den Geruchssinn bei einigen Mäusen mit Hilfe von Medikamenten aus. Dennoch konnten sie auch bei diesen Tieren weiterhin beobachten, dass der Atemrhythmus die Hirnwellen beeinflusste.

„Damit konnten wir die Existenz eines neuen nicht-olfaktorischen, intrazerebralen Mechanismus nachweisen, der für die Modulierung verteilter Schaltkreise durch die Atmung verantwortlich ist“, sagt Karalis. Sein Kollege Anton Sirota erklärt: „Unsere Ergebnisse belegen, dass es eine vormals unbekannte Verbindung zwischen den respiratorischen und limbischen Schaltkreisen gibt. Das bedeutet eine Abkehr von der üblichen Annahme, dass die Atmung die Hirnaktivität über olfaktorische Inputs moduliert.“

Immerwährender Rhythmus

Die Autoren sehen in ihren Ergebnissen den Beweis dafür, dass der Atemrhythmus als globaler Schrittmacher des Gehirns fungiert, der die Verarbeitung von Informationen im Offline-Modus steuert. Auch im Wachzustand scheint die Atmung ihren Beobachtungen zufolge einen Einfluss auf die Hirnwellen zu haben.

„Wir vermuten, dass dieser immerwährende Rhythmus nicht nur die Dynamik der Gedächtniskonsolidierung während Offline-Zuständen koordiniert, sondern wahrscheinlich auch die Integration verschiedener Sinneswahrnehmungen über mehrere mentale Zustände hinweg ermöglicht“, so die Forscher. (Nature Communications, 2022, doi: 10.1038/s41467-022-28090-5)

Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München