Wie wird der Schlaf erforscht?

Es wird der Schlaf von Tieren und Menschen erforscht. Hier können Sie etwas über die humane Schlafforschung erfahren, da dies mein Gebiet ist.

Es gibt verschieden Methoden, um den Schlaf zu untersuchen. Welche Methode man wählt, hängt von der Fragestellung ab. Meist werden mehrere Methoden kombiniert. 

Fragebögen
Man kann mit Fragebögen die Schlaf- und Lebensgewohnheiten, Schlafdauer und die Schläfrigkeit der Probanden erfragen. Meist will man auch etwas über die Gesundheit, allfällige Medikamenteneinnahme, Konsumation von stimulierenden Substanzen wie Kaffee, Schwarztee, Grüntee, Kakao und Energy drinks, von Alkohol und anderen Drogen wissen, weil sie alle einen Einfluss auf den Schlaf, die Lern- und Leistungsfähigkeit haben.

Für jede wissenschaftliche Studie gibt es Einschluss- und Ausschlusskriterien. Zum Beispiel verändert sich der Schlaf mit dem Alter, also beschränken wir uns vielleicht auf eine Alterskategorie, wenn wir nicht gerade die altersabhängige Veränderung untersuchen wollen. 

Aktigraphie
Wenn wir an den Schlafzeiten und an der Schlafdauer interessiert sind, benutzen wir die Aktigraphie. Der Aktigraph ist ein kleines Gerät, in der Grösse einer Uhr, der auch wie eine Uhr am Handgelenk getragen wird und die Aktivität eines Menschen aufzeichnet. Anhand der aufgezeichneten Aktivität sieht man von wann bis wann eine Person geschlafen beziehungsweise wach gewesen ist. Damit alle Versuchspersonen ausgeschlafen zu einem Versuch kommen, werden sie gebeten, in der Woche vor Versuchsbeginn einen regelmässigen Schlaf/Wach-Rhythmus einzuhalten, den man mit Aktigraphie überprüft.

Dieses Bild zeigt einen Ausschnitt aus einem Actogram. Es werden jeweils 2 Tage/Nächte nebeneinander gezeigt, so dass hier 4 Tage und 3 Nächte zu sehen sind. Sie erkennen, dass diese Person von 00:00 Uhr bis 08:00 kaum Aktivität zeigt: sie schläft. Am Mittwoch Abend ist von 19:00 bis 21:15 ist gar nichts zu sehen: der Aktigraph wurde abgelegt. Am Donnerstag Abend ist grosse Aktivität von 20:00 bis 21:15 und dann kurz nichts zu sehen: zuerst Sport und danach duschen. 

Polysomnographie
Mit der Polysomnographie, also EEG-, EOG-, EMG-Aufzeichnungen (lesen Sie auch unter Was ist Schlaf?) können wir den Schlaf selbst untersuchen und zwar sehr detailliert. Zu diesem Zweck kommen die Versuchspersonen ins Schlaflabor, wo die Schlafzimmer speziell eingerichtet sind. Nicht nur ist die nötige technische Apparatur vorhanden, sondern die Zimmer sind fensterlos, damit kein Licht eindringen kann, und gegen Geräusche, Temperaturschwankungen und Erschütterungen, kurz gegen alles, was den Schlaf stören könnte, abgeschirmt. Selbstverständlich sind auch keine Handys, Wecker und Uhren erlaubt. Die Forscher löschen das Licht, wenn geschlafen werden soll und machen es morgens wieder an, wenn die Schlafzeit endet. Bevor die Versuchsperson zu Bett gehen kann, werden ihr am Kopf EEG-Elektroden geklebt, um damit die Hirnströme aufzuzeichnen. Elektroden sind kleine gewölbte metallische Plättchen, die mit einer elektrisch leitenden Paste auf der Kopfhaut geklebt werden, und die mit einem dünnen Kabel an das Aufnahmegerät angeschlossen werden. Die Versuchpersonen können sich damit im Bett ganz normal bewegen und drehen, und also ungestört schlafen. 

Scoring
Wenn in der Nacht keine Probleme aufgetaucht sind, haben wir am Morgen die Datenaufzeichnung und die Arbeit kann losgehen. Zuerst macht man das Scoring, d. h. man bestimmt das Schlafstadium für jeden 20- oder 30-Sekunden-Abschnitt der Nacht. Damit kann man ein Schlafprofil erstellen, das uns über die Abfolge und Dauer der verschiedenen Schlafstadien und Wachzeiten Auskunft gibt. Ein solches Profil sehen Sie auf den Bildern B der Figur 2 in einer open-access Publikation. Damit wissen wir, ob der Schläfer einen normalen Schlaf hat oder zu oft und zu lange wach gewesen ist. Denn für ein Experiment ist es wichtig, dass die Versuchpersonen einen guten gesunden Schlaf haben, ausser wir wollen eine bestimmte Störung untersuchen. Das heisst auch, dass jede Person eine Nacht im Labor schläft, bevor wir wissen, ob sie am Experiment teilnehmen kann. Jedes Experiment besteht aus mindestens 3 Nächte, nämlich eine Angewöhnungsnacht, weil man die erste Nacht an einem fremden Ort weniger gut schläft, dann gibt es eine Kontrollnacht, die als Vergleichsbasis dient, und eine (oder mehrere) experimentelle Nacht. Manchmal müssen die Versuchspersonen eine Nacht lang (oder auch länger) wach bleiben, dann wird die folgende (oder mehrere) Nacht zu einer Erholungsnacht. 

Spektralanalyse
Die EEG-Daten werden auch rechnerisch, z. B. mit Fast-Fourier transform, und statistisch verarbeitet, um präzise kleinste Effekte der experimentellen Anordnung nachweisen zu können. Zuerst werden die Anteile der verschiedenen Frequenzen, die zum EEG-Signal beitragen, für jede 4 Sekunden-Epoche einer Nacht bestimmt, wenn man eine Auflösung von ¼ Hz will. Das nennt sich Spektralanalyse. Die verschiedenen Frequenzbänder verhalten sich unterschiedlich im Laufe einer Nacht. Die langsamwellige Aktivität (=SWA, d.h. Aktivität im Bereich von 0.75 Hz- 4.75 Hz) ist am Anfang einer Nacht hoch und nimmt im Laufe der Nacht ab. Dabei ist diese Aktivität nicht kontinuierlich, sondern nimmt in Abhängigkeit der Schlafstadien zu und ab, wie auf der Figur 3C meiner Publikation zu sehen ist. Hoch ist sie in den Stadien 3 und 4 und niedrig im REMS. Sie entspricht dem Process S des 2 Process Models und ist die Signatur des Schlafdrucks, d. h. in einer Erholungsnacht nach Schlafentzug ist sie gegenüber einer Kontrollnacht erhöht, wohingegen sie nach einem Nachmittagsschlaf erniedrigt ist. Die Spindelfrequenzaktivität (11.75 Hz – 15.5 Hz) nimmt parallel mit dem Stadium 2 im Laufe einer Nacht zu. Die Schlafspindeln und K-Komplexe sind typische Merkmale dieses Stadiums. 

Bildgebende Verfahren: PET und MRI
Manchmal lässt man die Versuchspersonen auch in einem Positron-Emissionstomographen (PET) oder in einem Kernspinresonanztomographen (MRI) schlafen. Diese bildgebenden Verfahren erlauben einen etwas anderen Blick ins Gehirn als das EEG. Die räumliche Auflösung ist grösser, d. h. man sieht, wo genau im Hirn die Aktivität erhöht oder erniedrigt ist. Diese Bilder werden immer in Kombination mit dem EEG aufgezeichnet. Den grössten und interessantesten Beitrag auf diesem Gebiet haben bisher der Neurologe Pierre Maquet und der Psychologe Philippe Peigneux am Centre de Recherches du Cyclotron, Université de Liège geleistet. Sie befassen sich insbesondere mit dem Thema Lernen und Schlaf. 

Und ganz wichtig...
Schlafforscher wie alle Forscher verbringen viel Zeit damit, Anträge zu schreiben, um Geld einzuwerben. Es haben nur wenige Forscher eine feste Anstellung. Alle anderen müssen beim Schweizerischen Nationalfond, einer Stiftung oder anderswo für ihren Lebensunterhalt und ihre Projekte Geld beantragen. Dabei gilt es, viele Bedingungen zu erfüllen, z. B. muss man eine feste Anstellung haben, um gewisse Forschungsmittel beantragen zu können, oder man darf ein gewisses Alter (meist 33-35 Jahre) nicht überschreiten, das Projekt darf nicht risikoreich sein, d. h. man muss im Voraus wissen, welches Ergebnis zu erwarten ist, oder man muss für danach schon eine feste Stelle in der Forschung haben und man muss gute Forschung gemacht haben. Um gute Forschung zu machen, benötigt man Geld, das man beantragen muss...