Die Wissenschaft des Schlafs: Was das Gehirn die ganze Nacht tut

Die meisten Menschen verbringen etwa ein Drittel ihres Lebens im Schlaf. Lange galt das als verlorene Zeit, als eine Art Abschalten. Heute wissen Forschende, dass der Schlaf zu den aktivsten und am sorgfältigsten organisierten Vorgängen im Körper gehört. Er ist ein Zustand verminderter geistiger und körperlicher Aktivität, in dem das Bewusstsein verändert ist und einige Sinne teilweise abgeschaltet sind. Die Muskeln entspannen sich, wir hören auf, mit unserer Umgebung zu interagieren, und dennoch arbeitet das Gehirn weiter in komplexen, rhythmischen Mustern.

Was genau ist Schlaf?

Schlaf ist nicht dasselbe wie Bewusstlosigkeit. Ein schlafender Mensch kann immer noch durch ein lautes Geräusch, ein helles Licht oder durch jemanden, der seinen Namen ruft, geweckt werden, und das Gehirn prüft eintreffende Geräusche im Stillen auf Wichtiges. Eine Mutter schläft vielleicht trotz Verkehrslärm, wacht aber sofort auf, wenn ihr Baby weint. Diese Fähigkeit, rasch wieder voll wach zu werden, unterscheidet den Schlaf vom Koma oder von einer Vollnarkose, bei denen das Gehirn nicht normal auf die Außenwelt reagiert.

Forschende beschreiben den Schlaf meist anhand einiger zentraler Merkmale:

• Verminderte Bewegung: Der Körper wird ruhig, die Muskeln entspannen sich.
• Eine typische Haltung und ein typischer Ort: Menschen legen sich hin, Vögel sitzen mitunter auf einem Ast, Fledermäuse hängen kopfüber.
• Schwächere Reaktion auf Reize: Es braucht ein stärkeres Signal, um unsere Aufmerksamkeit zu wecken.
• Leichte Umkehrbarkeit: Anders als ein Koma endet der Schlaf schnell, wenn man uns weckt.
• Regulation: Wenn wir Schlaf versäumen, versucht der Körper, ihn später nachzuholen.

Wie die Schlafphasen entdeckt wurden

Die längste Zeit der Geschichte blieb der Schlaf ein Rätsel, weil niemand sehen konnte, was in einem schlafenden Kopf vor sich geht. Das änderte sich mit dem Elektroenzephalogramm, kurz EEG, einem Gerät, das die elektrische Aktivität des Gehirns über kleine, auf der Kopfhaut angebrachte Sensoren aufzeichnet. Der deutsche Psychiater Hans Berger zeichnete in den 1920er-Jahren das erste EEG eines Menschen auf, und Forschende bemerkten bald, dass die Hirnwellen im Schlaf ganz anders aussehen als im Wachzustand.

Der größte Durchbruch gelang 1953 an der University of Chicago. Eugene Aserinsky, ein Doktorand, und sein Betreuer Nathaniel Kleitman beobachteten, dass sich die Augen von Schlafenden zu bestimmten Zeiten der Nacht unter den geschlossenen Lidern rasch hin und her bewegten. Weckte man die Menschen in diesen Phasen, berichteten sie meist von lebhaften Träumen. Diese Phase erhielt den Namen REM-Schlaf, nach dem englischen „rapid eye movement“, also schnelle Augenbewegungen. Alles Übrige wurde als Non-REM-Schlaf bekannt.

Heute wird der Schlaf in Laboren mit einer Untersuchung namens Polysomnographie erforscht. Sie zeichnet Hirnwellen, Augenbewegungen, Muskelaktivität, Herzfrequenz und Atmung gleichzeitig auf und liefert so eine detaillierte Karte einer ganzen Nacht.

Der Schlafzyklus: eine Nacht in Phasen

Schlaf ist kein einheitlicher Zustand. Im Lauf der Nacht durchläuft das Gehirn einen Zyklus von Phasen, der etwa 90 Minuten dauert und sich rund vier- bis sechsmal wiederholt.

Non-REM-Phase 1 (N1)

Das ist die leichte, schläfrige Phase an der Schwelle zum Schlaf, die nur wenige Minuten dauert. Die Atmung verlangsamt sich, die Muskeln beginnen sich zu entspannen, und man lässt sich leicht wecken. Viele Menschen spüren in diesem Moment ein plötzliches Zucken, die sogenannte Einschlafzuckung, manchmal zusammen mit dem Gefühl zu fallen.

Non-REM-Phase 2 (N2)

Die Herzfrequenz sinkt, und die Körpertemperatur fällt leicht. Das EEG zeigt kurze Ausbrüche schneller Aktivität, die Schlafspindeln, und große einzelne Wellen, die K-Komplexe. Forschende nehmen an, dass Spindeln den Schlaf vor Geräuschen schützen und beim Lernen eine Rolle spielen. Erwachsene verbringen etwa die Hälfte der Nacht in dieser Phase.

Non-REM-Phase 3 (N3)

Diese Phase, auch Tiefschlaf oder Slow-Wave-Schlaf genannt, wird von großen, langsamen Hirnwellen beherrscht. Aus ihr ist man am schwersten zu wecken, und wer aus ihr geweckt wird, fühlt sich oft eine Weile benommen und verwirrt. Der meiste Tiefschlaf findet in der ersten Nachthälfte statt. Schlafwandeln und Nachtschreck, die bei Kindern häufiger vorkommen, beginnen meist in dieser Phase.

REM-Schlaf

Im REM-Schlaf wird das Gehirn fast so aktiv wie im Wachzustand. Die Augen bewegen sich schnell, Atmung und Herzschlag werden unregelmäßig, und die meisten lebhaften, geschichtenartigen Träume entstehen. Zugleich sind fast alle Muskeln des Körpers vorübergehend gelähmt, mit Ausnahme derjenigen, die Augen und Atmung steuern. Diese Lähmung soll vermutlich verhindern, dass wir unsere Träume ausleben. Die REM-Phasen werden im Lauf der Nacht länger, weshalb man am frühen Morgen oft aus einem Traum erwacht.

Die zwei Kräfte, die den Schlaf steuern

Warum werden wir abends müde und morgens wach? Schlafforschende erklären das oft mit dem Zwei-Prozess-Modell, das der Schweizer Wissenschaftler Alexander Borbély Anfang der 1980er-Jahre vorschlug. Es beschreibt zwei Systeme, die zusammenwirken.

Schlafdruck

Je länger wir wach bleiben, desto stärker wird das Bedürfnis zu schlafen. Ein Stoff, der mit diesem Druck in Verbindung steht, ist Adenosin, das sich im Wachzustand im Gehirn anreichert und im Schlaf abgebaut wird. Koffein, das in Kaffee, Tee und vielen Erfrischungsgetränken steckt, macht uns vor allem deshalb wacher, weil es die Adenosinrezeptoren des Gehirns blockiert. Es überdeckt die Müdigkeit eine Zeit lang, beseitigt aber nicht das Schlafbedürfnis.

Die innere Uhr

Das zweite System ist der zirkadiane Rhythmus, eine innere Uhr, die in einem Zyklus von ungefähr 24 Stunden läuft. Das Wort stammt vom lateinischen circa diem, „ungefähr ein Tag“. Die Hauptuhr ist eine winzige Ansammlung von Nervenzellen im Hypothalamus, der Nucleus suprachiasmaticus, der Lichtsignale direkt von den Augen erhält. Wird es dunkel, schüttet die Zirbeldrüse das Hormon Melatonin aus, das dem Körper meldet, dass die Nacht gekommen ist. Morgenlicht unterdrückt Melatonin und hilft, die Uhr jeden Tag neu zu stellen.

Die Bedeutung dieser Uhr wurde 2017 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin gewürdigt, der an Jeffrey Hall, Michael Rosbash und Michael Young ging. In Versuchen mit Fruchtfliegen entschlüsselten sie die Gene und Proteine, mit denen Zellen die Zeit messen. Fast jede Zelle des menschlichen Körpers besitzt ihre eigene kleine Uhr, und alle werden von der Hauptuhr im Gehirn koordiniert.

Der Jetlag zeigt, was geschieht, wenn die beiden Systeme aus dem Takt geraten. Nach einem langen Flug über mehrere Zeitzonen folgt die innere Uhr noch dem alten Zeitplan, sodass Reisende mittags müde und nachts hellwach sind, bis sich die Uhr allmählich an das örtliche Tageslicht anpasst.

Warum wir Schlaf brauchen

Die Wissenschaft erforscht noch immer alle Funktionen des Schlafs, doch mehrere sind durch Studien gut belegt.

• Gedächtnis und Lernen: Im Schlaf spielt das Gehirn das tagsüber Gelernte erneut ab und festigt es. Der Hippocampus, eine für die Bildung neuer Erinnerungen wichtige Region, gibt Informationen offenbar zur Langzeitspeicherung an die Hirnrinde weiter. Schülerinnen und Schüler, die nach dem Lernen schlafen, behalten in der Regel mehr als jene, die aufbleiben.
• Reinigung des Gehirns: Eine Studie an Mäusen aus dem Jahr 2013 ergab, dass sich die Zwischenräume zwischen den Gehirnzellen im Schlaf weiten, sodass Flüssigkeit Abfallstoffe effizienter abtransportieren kann. Dieses Reinigungsnetz heißt glymphatisches System.
• Wachstum und Reparatur: Ein großer Teil des Wachstumshormons wird im Tiefschlaf ausgeschüttet, was vor allem für Kinder und Jugendliche wichtig ist. Auch Gewebe und Muskeln regenerieren sich.
• Immunabwehr: Wer zu wenig schläft, steckt sich meist leichter mit Infektionen an, und Impfungen können bei Menschen mit Schlafmangel schwächer wirken.
• Emotionales Gleichgewicht: Der REM-Schlaf scheint dem Gehirn zu helfen, emotionale Erlebnisse zu verarbeiten. Nach einer schlechten Nacht sind Menschen meist gereizter und kommen mit Stress schlechter zurecht.

Wie viel Schlaf brauchen wir?

Wie viel Schlaf ein Mensch braucht, ändert sich mit dem Alter erheblich. Schlafmedizinische Fachgesellschaften geben allgemeine Richtwerte wie diese an:

• Neugeborene schlafen den größten Teil des Tages, etwa 14 bis 17 Stunden, in vielen kurzen Abschnitten.
• Kinder von 6 bis 12 Jahren brauchen etwa 9 bis 12 Stunden pro Nacht.
• Jugendliche von 13 bis 18 Jahren brauchen etwa 8 bis 10 Stunden.
• Erwachsene brauchen mindestens 7 Stunden pro Nacht.

Jugendliche stehen vor einer besonderen Herausforderung. In der Pubertät verschiebt sich die innere Uhr nach hinten, sodass Melatonin abends später ausgeschüttet wird. Viele Jugendliche können wirklich nicht früh einschlafen, doch die Schule beginnt oft früh am Morgen. Deshalb sprechen sich viele Schlafforschende für einen späteren Schulbeginn für ältere Schülerinnen und Schüler aus.

Babys verbringen außerdem einen viel größeren Teil ihres Schlafs im REM-Schlaf als Erwachsene: Bei Neugeborenen ist es etwa die Hälfte, bei Erwachsenen ungefähr ein Fünftel bis ein Viertel. Forschende vermuten, dass dies die rasche Entwicklung des jungen Gehirns unterstützt.

Was passiert, wenn Schlaf fehlt

Schon eine einzige kurze Nacht hat Folgen. Aufmerksamkeit, Reaktionszeit und Urteilsvermögen verschlechtern sich, und es kann zu Sekundenschlaf kommen, kurzen Aussetzern von wenigen Sekunden, in denen das Gehirn einschläft, ohne dass die Person es bemerkt. Sekundenschlaf ist besonders für Autofahrer gefährlich. Manche Studien fanden heraus, dass Fahren nach langer Zeit ohne Schlaf die Leistung ungefähr so stark beeinträchtigen kann wie Fahren nach Alkoholkonsum.

Auf lange Sicht ist regelmäßiger Schlafmangel mit einem höheren Risiko für Übergewicht, Typ-2-Diabetes, Herzkrankheiten und Depressionen verbunden. Schlafmangel beeinflusst auch die Appetithormone, was ein Grund dafür ist, dass müde Menschen oft Heißhunger auf Süßes oder Fettiges haben.

Ein berühmter Fall ist der von Randy Gardner, einem 17-jährigen Schüler aus San Diego, der Ende 1963 und Anfang 1964 für ein Projekt bei einem Wissenschaftswettbewerb etwa 11 Tage lang wach blieb. Mit jedem Tag fiel es ihm schwerer, sich zu konzentrieren, sich zu erinnern und deutlich zu sprechen. Nach seinem Rekord schlief er etwa 14 Stunden und erholte sich. Guinness World Records nahm später keine Versuche mehr an, wach zu bleiben, weil sie die Gesundheit gefährden.

Häufige Schlafstörungen

Die Schlafmedizin kennt Dutzende Schlafstörungen. Zu den bekanntesten gehören:

• Insomnie: Schwierigkeiten beim Ein- oder Durchschlafen, oft verbunden mit Stress, Sorgen oder unregelmäßigen Gewohnheiten.
• Obstruktive Schlafapnoe: Die Atemwege verengen oder verschließen sich im Schlaf immer wieder, wodurch die Atmung unterbrochen wird. Lautes Schnarchen und Tagesmüdigkeit sind typische Anzeichen.
• Narkolepsie: eine Erkrankung, bei der Menschen tagsüber plötzlich einschlafen. Sie wird meist durch den Verlust von Gehirnzellen verursacht, die einen Botenstoff namens Orexin, auch Hypocretin genannt, bilden, der uns wach hält.
• Restless-Legs-Syndrom: ein unangenehmer Drang, die Beine zu bewegen, der meist abends stärker wird.
• Schlafwandeln und Nachtschreck: Episoden, die aus dem tiefen Non-REM-Schlaf heraus entstehen. Sie sind im Kindesalter häufig und verschwinden meist mit zunehmendem Alter.

Schlaf im Tierreich

Schlaf oder etwas sehr Ähnliches wurde bei Säugetieren, Vögeln, Reptilien, Fischen und sogar bei Insekten wie Fruchtfliegen beobachtet. 2017 berichteten Forschende von einem schlafähnlichen Zustand bei der Mangrovenqualle Cassiopea, einem Tier ganz ohne Gehirn. Das deutet darauf hin, dass der Schlaf entwicklungsgeschichtlich äußerst alt ist.

Tiere haben erstaunliche Arten zu schlafen entwickelt:

• Delfine und andere Wale lassen jeweils eine Gehirnhälfte ruhen. Das nennt man unihemisphärischen Schlaf, und er erlaubt ihnen, weiterzuschwimmen und zum Atmen an die Oberfläche zu kommen.
• Manche Vögel, etwa Enten, können ebenfalls mit einer Gehirnhälfte schlafen und dabei ein Auge offen halten, um nach Fressfeinden Ausschau zu halten. Bei Fregattvögeln wurde kurzer Schlaf im Flug nachgewiesen.
• Giraffen und Elefanten schlafen in freier Wildbahn nur wenige Stunden am Tag.
• Fledermäuse und Koalas gehören zu den schläfrigsten Säugetieren und verbringen den größten Teil des Tages schlafend oder ruhend.

Schlaf in Geschichte und Kultur

Die Menschen haben sich schon immer über den Schlaf Gedanken gemacht. In der griechischen Mythologie war Hypnos der Gott des Schlafes und der Zwillingsbruder von Thanatos, dem Gott des Todes. Als einer der Söhne des Hypnos galt oft Morpheus, der die Träume formte, und das Schmerzmittel Morphin wurde wegen seiner einschläfernden Wirkung nach ihm benannt. Die Römer nannten den Gott des Schlafes Somnus, und auf ihn gehen Wörter wie Insomnie zurück.

Auch die Schlafgewohnheiten haben sich im Lauf der Zeit verändert. Der Historiker Roger Ekirch fand in alten europäischen Schriften viele Hinweise auf einen ersten Schlaf und einen zweiten Schlaf, getrennt durch eine Wachphase mitten in der Nacht. Bevor künstliches Licht verbreitet war, gingen die Menschen oft bald nach Einbruch der Dunkelheit zu Bett und standen mitunter für etwa eine Stunde auf, um zu beten, zu lesen, das Feuer zu schüren oder sich zu unterhalten, bevor sie wieder einschliefen. Elektrisches Licht und später Bildschirme verschoben die Schlafenszeit nach hinten und machten den Schlaf für die meisten Menschen zu einem einzigen Block.

Einfache Gewohnheiten für besseren Schlaf

Schlafforschende sind sich über mehrere praktische Gewohnheiten einig, die den meisten Menschen zu besserem Schlaf verhelfen:

1. Einen regelmäßigen Rhythmus einhalten: Wer jeden Tag, auch am Wochenende, zu ähnlichen Zeiten ins Bett geht und aufsteht, hält die innere Uhr stabil.
2. Morgens Tageslicht tanken: Helles Licht früh am Tag hilft, den zirkadianen Rhythmus einzustellen.
3. Bildschirme vor dem Schlafen begrenzen: Helle Bildschirme können die Ausschüttung von Melatonin verzögern, und spannende Inhalte halten den Geist wach.
4. Auf Koffein achten: Seine Wirkung kann mehrere Stunden anhalten, sodass ein Getränk am Nachmittag den Schlaf in der Nacht noch stören kann.
5. Das Schlafzimmer dunkel, ruhig und kühl halten: Ein etwas kühlerer Raum hilft, weil die Körpertemperatur beim Einschlafen natürlicherweise sinkt.
6. Tagsüber aktiv sein: Regelmäßige Bewegung hilft, schneller einzuschlafen und tiefer zu schlafen.

Schlaf ist keine Pause im Leben, sondern ein lebenswichtiger Teil davon. Jede Nacht, während wir still daliegen, sortiert das Gehirn Erinnerungen, der Körper repariert sich, und die innere Uhr bereitet uns auf einen neuen Tag vor.