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An der ETH Zürich hat ein Team erstmals die Pupille von Probanden während des Schlafs beobachten können und die Studie zeigt: Das Hirn ist nachts deutlich aktiver als bisher gedacht.
Wenn wir schlafen, haben wir in der Regel die Augen geschlossen, weshalb bisher nicht klar war, was tatsächlich nachts passiert. Einem Team des Neural Control of Movement Lab der ETH Zürich ist es nun mit einer neuen Art der Lidfixierung gelungen, die Pupille während des Schlafs zu beobachten – mit erstaunlichen Ergebnissen: Die Größe der Pupille schwankt innerhalb von Sekunden, was laut Team auf einen hohen Erregungszustand, respektive auf ein hohes Aktivierungsniveau von bestimmten Hirnregionen hindeutet, die für die Schlaf-Wach-Regulation verantwortlich sind. „Unsere Beobachtungen widersprechen der bisherigen Annahme, dass das Erregungsniveau im Schlaf grundsätzlich niedrig ist“, sagt Studienleiterin Studienleiterinnen Caroline Lustenberger
Vielmehr zeigen die Pupillenschwankungen, dass sich das Gehirn auch im Schlaf in einem ständigen Wechsel zwischen einem höheren und niedrigeren Aktivierungsniveau befindet. Die neuen Erkenntnisse bestätigen bei Menschen zudem, was andere Forschergruppen kürzlich in Studien an Nagetieren herausgefunden haben: Auch bei ihnen treten langsame Schwankungen des Aktivierungsniveaus – in der Fachsprache Arousal genannt – auf. Die Studie der ETH-Forscher ist soeben in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen.
Neue Methode für altes Rätsel
Da tief liegende Hirnregionen im Hirnstamm das Aktivierungsniveau steuern, ist es bisher schwierig, diese Prozesse beim Menschen im Schlaf direkt zu messen. Bestehende Verfahren sind technisch anspruchsvoll und wurden in diesem Zusammenhang noch nicht etabliert. Die Studie der ETH-Forscher setzt deshalb auf die Messung der Pupillen. Von den Pupillen ist bekannt, dass sie im Wachzustand das Aktivierungsniveau anzeigen. Sie dienen somit als Marker für die Aktivität tiefer liegender Hirnregionen.
Um die Pupillenveränderungen am schlafenden Menschen zu untersuchen, entwickelte das Team eine neue Methode: Dank einer speziellen Klebetechnik sowie eines durchsichtigen Pflasters konnten sie das Auge der Versuchspersonen über mehrere Stunden offen halten.
„Unsere größte Sorge war, dass die Probanden nicht mit offenem Auge schlafen können. Aber in einem dunklen Raum vergessen die meisten, dass das Auge noch offen ist und können trotzdem schlafen“, erklärt der weitere Erstautor der Studie Manuel Carro Domínguez, der diese Messtechnik entwickelt hat.
Muster bei Hirnaktivität
Die Auswertung der Daten zeigte, dass die Pupillendynamik nicht nur mit den verschiedenen Schlafstadien zusammenhängt, sondern auch mit spezifischen Mustern der Hirnaktivität wie Schlafspindeln und ausgeprägten Tiefschlafwellen – Hirnwellen, die für die Gedächtniskonsolidierung und die Schlafstabilität wichtig sind. Darüber hinaus deckten die Forscher auf, dass das Gehirn unterschiedlich stark auf Geräusche reagiert, je nach Aktivierungsniveau, das sich in der Pupillengröße widerspiegelt.
Ein zentraler Regulator des Aktivierungsniveaus ist eine kleine Region im Hirnstamm, der sogenannte Locus coeruleus. Bei Tieren konnten Wissenschaftler bereits zeigen, dass dieser für die Regulation der Schlafstadien sowie das Aufwachen wichtig ist. Ob der Locus coeruleus direkt für die Pupillenveränderungen verantwortlich ist, konnten die ETH-Forschenden in dieser Studie jedoch noch nicht nachweisen. „Wir sehen einfach Pupillenveränderungen, die mit dem Aktivierungsniveau des Gehirns und der Herztätigkeit zusammenhängen“, erklärt Lustenberger nüchtern.
In einer Folgestudie will das Team deshalb als nächstes die Aktivität des Locus coeruleus medikamentös beeinflussen und damit untersuchen, wie sich dies auf die Pupillendynamik auswirkt. So wollen sie herausfinden, ob diese Hirnregion tatsächlich für die Steuerung der Pupillen im Schlaf verantwortlich ist und wie sich Veränderungen des Aktivierungsniveaus auf den Schlaf und seine Funktionen auswirken.
Krankheiten anhand Pupillendynamik erkennen
Das Verständnis der Pupillendynamik während des Schlafs könnte dennoch bereits wichtige Hinweise für die Diagnose und Behandlung von Schlafstörungen und anderen Erkrankungen liefern. Deshalb wollen die Forschenden untersuchen, ob sich aus den Pupillenveränderungen im Schlaf Hinweise auf Störungen des Aktivierungssystems ableiten lassen. Dazu zählen Erkrankungen wie Insomnie, posttraumatische Belastungsstörungen und möglicherweise auch Alzheimer. „Das sind nur Vermutungen, denen wir künftig nachgehen wollen“, sagt Schlafforscherin Lustenberger.
Ein weiteres Ziel ist es, die Technik auch außerhalb des Schlaflabors einsetzbar zu machen, zum Beispiel in Spitälern. Dort könnte sie helfen, das Aufwachen von Komapatienten zu überwachen oder Schlafstörungen genauer zu diagnostizieren. Die Pupille als Fenster zum Gehirn könnte so der Schlafmedizin und den Neurowissenschaften neue Möglichkeiten eröffnen.
