03411 1. Biologische Grundlagen VI.1 Circadiane Rhythmik, Wachen und Schlafen

Circadiane Rhythmik

• „24h Rhythmus“ des Menschen
• Körpertemperatur, Leistungsfähigkeit, Empfindlichkeit für Sinnesempfindungen und der Spiegel der verschiedenen Hormone variieren über den 24-Stunden- Tag
• Endogen gesteuert
• Stellt sich ohne äußere Taktgeber (Tag-Nacht, Uhren) ein auf Rhythmus von ca. 25 h Länge
• Exogene Bedingungen können Rhythmus stören: Schichtarbeit, Reisen, Feiern
• Vermittelt über Nucleus suprachiasmatikus

Nucleus suprachiasmaticus des Hypothalamus

• vermittelt circadiane Rhytmik
•  erhält über Kollaterale der Sehbahn Informationen über die Hell-Dunkel-Verhältnisse
• wirkt als endogener Taktgeber
• bewirkt über gepulste Freisetzungen von Hormonen und rhythmische Entladungen seiner Neuronen die Rhythmizität anderer Hirnstrukturen
• Mittelbar wird auch die Zirbeldrüse zur Ausschüttung von Melatonin angeregt (verursacht verschiedene periphere Begleiterscheinungen des circadianen Rhythmus)

Welche Bedeutung hat der circadiane Rhythmus?

• Alle Lebewesen oszillieren um ihren Sollwert -> es gibt daher unterschiedliche Rhythmen die sich überlagern
• Bsp. Basic-Rest-Activity Cycle (BRAC): stabiler Rhythmus verschiedener Vitalfunktionen wie Bedürfnisse nach Nahrung/Flüssigkeit
• Circadiane Rhythmik überlagert alle Einzelrhythmen, passt Organismus an 24h an, legt Ruhephasen in Dunkelheit

Wachen

• Mensch ist meiste Zeit wach, reagiert auf Reize aus der Umwelt
• Kann sich seinem körperlichen Zustand bewusst machen

Aufmerksamkeit

• Selektionsmechanismus, Auswahl der als wichtig/relevant bewerteten Reize aus der Anzahl aller
• Nicht gen ganzen Tag über gleich: schwankt tonisch bzw. phasisch auf bestimmte Anforderungssituationen hin
• Top-down: bei der Erwartung auf einen Reiz kann die Aufmerksamkeit auf ihn gerichtet werden
• Bottom-Up: übersteigt unerwarteter Reiz bestimmte Intensitätsschwelle/ist von vitaler Bedeutung für das Individuum wird die Aufmerksamkeit auf ihn gerichtet

Formatio reticularis

• zentrale Bedeutung für Wachzustand
• hält durch absteigende Bahnen zu spinalen Motoneuronen die tonische Muskelaktivität aufrecht, die eins der Kennzeichen für den Wachzustand ist

aufsteigendes retikuläres Aktivierungs- system = ARAS

• Von der For-matio reticularis aufsteigende Bahnen
• erreichen über den dorsalen Thalamus fast alle kortikalen Hirnbereiche
• projizieren auch in den Nucleus reticularis des Thalamus,

Nucleus reticularis des Thalamus

• ist nicht nur eine Umschaltstation, in ihn projizieren auch kortikale Bahnen, somit findet  Verarbeitung statt, auch, was die Regulation des Schlafens und Wachens betrifft
• wird mit der selektiven Aufmerksamkeitsfunktion in Verbindung gebracht, in dem er weitere Kerne des Thalamus aktiviert oder hemmt
• seine tonische Aktivität bedingt die allgemeine Aktivierungsfunktion
• Thalamus ist keine reine Relaisstation, sondern ein wichtiger Modulator kortikaler Netzwerke, z. B. was die variable Größe rezeptiver Felder angeht.

Gate Funktion

• Aufgabe dieser Struktur, das für eine optimale Leistung notwendige, mittlere Aktivierungsniveau aufrechtzuerhalten und nur wichtige Reize an höhere Regionen weiter zu leiten.

Reiz-Bewertung

• erfolgt anhand von Zuflüssen aus dem präfrontalen und orbitofrontalen Kortex sowie dem limbischen System

Reizverarbeitungsprozesse

• Während des Wachseins zeigt sich im EEG das β-Band -> indiziert weitestgehend desynchronisierte Aktivierung des Kortex
• Vor einem (erwarteten) Reiz kommt es zu einer Depolarisation der beteiligten Hirnareale, die dann zu einer Positivierung mit γ-Aktivität im EEG während der Verarbeitung führt
• In den ersten 100 ms nach dem Reiz findet die noch unbewusste, primäre Reizverarbeitung statt, die gegebenenfalls zu einer Bewusstwerdung des Reizes führen und damit eine bewusste Reaktion vorbereiten kann.

Grundaktivierung

• wird benötigt damit Mensch im Wachzustand Reize erkennen und darauf reagieren kann
• steht mit gewissen Schwankungen über ganze Wachzeit hinweg bereit

Selektion

• erfolgt „unbewusst“ durch verschiedene Selektionsmechanismen
• auch aktiv wenn Reize erwartet werden
• Reize müssen nach Bedeutung selegiert werden, sonst Reizüberflutung

Schlafen

• Mensch nicht aktiv, reagiert nicht auf externe Reize (außer so stark dass sie ihn aufwecken)
• Lässt sich in Stadien einteilen, darunter die der des Weckreizes der zum aufwecken nötig ist
• Wellenfrequenzmuster im EEG -> stellen verschiedene Stadien dar

Wachzustand

• β-Wellen herrschen vor, im entspannten Wachzustand α-Wellen,

Schlafstadium 1

• nur noch wenige α-Wellen
• niedrigamplitudige β- und θ-Wellen.
• Dieses Stadium lässt sich als Übergang vom Wachen zum Schlafen bezeichnen

Stadium 2

• neben den θ- Wellen auch so genannte Schlafspindeln -> kurze, hochfrequente Veränderungen, sowie plötzliche Veränderungen hoher Amplituden (K- Komplexe)
• Ihr Auftreten markiert den eigentlichen Einschlafzeitpunkt

Stadien 3 und 4

• Tiefschlafstadien
• Stadium 3: zwischen 20% und 50% der EEG-Aktivität besteht aus δ-Wellen
• Stadium 4: über 50%, -> weswegen man auch von Deltaschlaf oder slow wave sleep spricht

REM-Phasen

• Augen bewegen sich bei geschlossenen Lidern rasch hin und her bewegen (Rapid Eye Movements = REM)
• haben Ähnlichkeit mit dem Schlafstadium 1, im Unterschied dazu ist jedoch die Weckschwelle hoch
• Muskeltonus deutlich herabgesetzt -> kleine Muskelzuckungen können auftreten 

Schlafzyklen

• Phasen 1-4 und REM laufen in gewisser Regelhaftigkeit ab
• Schlafzyklus ca 90min, spiegelt BRAC wieder
• Erste Schlafzyklus der Nacht: S1-S2-S3-S4-S3-S2-S1-REM

Träume

• können in allen Stadien auftreten, in REM wird mehr geträumt
• werden als Versuch kortikaler Assoziationsfelder erklärt, inkohärente Informationen aus den verschiedenen Kanälen zu deuten

Schlafen und die Zeit des Schlafens

• werden sowohl durch das Schlafbedürfnis als auch die circadiane Rhythmik gesteuert
• Schlafentzug -> vor allem bei Mangel an Phasen 3 und 4 wird Schlafbedürfnis immer größer

Steuerorgane Schlaf

• Formatio retikulars steuert wie bereits erwähnt den Aktivierungszustand der Hirnrinde
• von Zirbeldrüse ausgeschüttete Hormon Melatonin wirkt aktivitätssenkend und schlaffördernd
• verschiedenen Schafstadien scheinen die Aktivität unterschiedlicher Hirnregionen abzubilden.
• REM-Schlaf wird durch Strukturen der Formatio retikularis „an“- und „ausgeschaltet“
• langsamen Wellen des Tiefschlafs bilden die Schrittmacherfunktion des Thalamus ab

Aufgaben des Schlafs

• kann als Erholungs- und Reparaturphase interpretiert werden, in der zahlreiche, die Vitalfunktionen erhaltenden Prozesse wie Zellteilung oder Verdauung ablaufen
• kortikale Verarbeitungsprozesse und Konsolidierungsprozesse laufen während des Schlafes ab
• Vor allem während der REM-Phasen scheinen sich gelernte Inhalte zu verfestigen, und besonders Inhalte des prozeduralen Wissens
• Schlafentzug: immer stärkerer Müdigkeit, zu Einbußen in der psychischen und physischen Leistungsfähigkeit und zu Schlafattacken („Sekundenschlaf“). Ein dauerhafter Schlafentzug führt zum Tod