Th. Pollmächer, T. C. Wetter, C. L. A. Bassetti, B. Högl, W. Randerath, A. Wiater (Hrsg.)
Handbuch Schlafmedizin
1. Auflage
Mit Beiträgen von: Antoine Adamantidis, Bern; Panagiotis Bargiotas, Bern und Nikosia; Claudio L. A. Bassetti, Bern; Konrad E. Bloch, Zürich; Serge Brand, Basel; Elisabeth Brandauer, Innsbruck; Bert Braumann, Köln; Christian Cajochen, Basel; Stefan Cohrs, Bremerhaven; Tatjana Crönlein, Regensburg; Heidi Danker-Hopfe, Berlin; Anelia Dietmann, Bern; Simone Duss, Bern; Ingo Fietze, Berlin; Birgit Frauscher, Montreal; Helmut Frohnhofen, Düsseldorf; Corrado Garbazza, Basel; Peter Geisler, Regensburg; Robert Göder, Kiel; Ludger Grote, Göteborg; Anna Heidbreder, Innsbruck; Elisabeth Hertenstein, Bern; Birgit Högl, Innsbruck; Brigitte Holzinger, Wien; Reto Huber, Zürich; Ulf Kallweit, Witten; Reinhold Kerbl, Leoben; Ramin Khatami, Barmelweid; Gerhard Klösch, Wien; Sylvia Kotterba, Leer; Tobias Klur, Köln; Mona Lichtblau, Zürich; Julian Lippert, Bern; Hagen Malberg, Dresden; Martin Meyer, Basel; Thomas Mitterling, Linz; Georg Nilius, Essen; Verena Nilius-Eliliwi, Bochum; Christoph Nissen, Bern; Christine Norra, Paderborn; Thomas Penzel, Berlin; Hans Pistner, Erfurt; Thomas Pollmächer, Ingolstadt; Roland Popp, Regensburg; Winfried Randerath, Solingen; Ville Rimpilä, Tampere und Turku; Andrea Rodenbeck, Göttingen; Dena Sadeghi Bahmani, Basel; Alexander Saletu, Wien; Michael Saletu, Graz; Markus Schmidt, Bern; Christoph Schöbel, Essen; Michael Schredl, Mannheim; Hartmut Schulz, Erfurt; Friederike Sixel-Döring, Kassel; Kai Spiegelhalder, Freiburg; Ambra Stefani, Innsbruck; Boris A. Stuck, Marburg; Claudia Trenkwalder, Kassel; Julia Wanschitz, Innsbruck; Franziska C. Weber, Regensburg; Thomas-Christian Wetter, Regensburg; Alfred Wiater, Köln; Anna Wings, Köln; Peter Young, Bad Feilnbach; Andrea Zahl, Ingolstadt; Rebekka Zimmermann, Bern; Frédéric Zubler, Bern
Mit Geleitworten von: Prof. Dr. P. Young, Vorsitzender der DGSM, Bad Feilnbach; Prof. Dr. R. Popovic, Präsident der ÖGSM/ASRA, Wien und Prof. Dr. M. Hatzinger, Präsident der SGSSC, Basel
F768-002 Bassetti, C.L. et al. Neurology and psychiatry: waking up to opportunities of sleep. State of the art and clinical/research priorities for the next decade. In: European Journal of Neurology 2015; 22 (10): 1337-1354. John Wiley & Sons.
H020-002 Frauscher, B. et al. A descriptive analysis of neck myoclonus during routine polysomnography. In: Sleep 2010; 33 (8): 1091–1096. Oxford University Press.
H053-004 Wolf, E. et al. Synaptic plasticity model of therapeutic sleep deprivation in major depression. In: Sleep Medicine Reviews 2016; 30: 53-62. Elsevier.
H054-001 Riemann, D. et al.: S3-Leitlinie Nicht erholsamer Schlaf/Schlafstörungen. Kapitel „Insomnie bei Erwachsenen“ (AWMF-Registernummer 063-003), Update 2016“. In Somnologie 2017; 21: 2-44. Springer.
H128 Buttgereit, F. et al. Clocking in: chronobiology in rheumatoid arthritis. In: Nature Reviews Rheumatology 2015; 11 (6): 349–356. Springer Nature.
H129-001 Arnulf, I. et al. Kleine-Levin syndrome: a systematic review of 186 cases in the literature. In: Brain 2005; 128 (12): 2763–2776. Oxford.
H130-001 Bargiotas, P. et al. Sleep-wake disturbances in the premotor and early stage of Parkinson’s disease. In: Current Opinion in Neurology 2016; 29 (6): 763-772. Wolters Kluwer Health, Inc.
H132-001 Duss et al. Sleep-Wake Disorders in Stroke— Increased Stroke Risk and Deteriorated Recovery? An Evaluation on the Necessity for Prevention and Treatment. Current Neurology and Neuroscience Reports 2018:18: 72. Springer
K408 Florian Dalik, Wien/Österreich
L138 Martha Kosthorst, Borken
L190 Gerda Raichle, Ulm
L231 Stefan Dangl, München
P741 Prof. Dr. rer. Thomas Penzel, Berlin
P493 Dr. phil. Roland Popp, Regensburg
P617
P742
P743
P744
P745
Dr. med. Alfred Wiater, Köln
Prof. Dr. med. Ludger Grote, Gothenburg/ Schweden
Prof. Dr. med. Winfried J. Randerath, Solingen
Prof. Dr. med. Claudio Bassetti, Bern/Schweiz
Prof. Dr. med. Peter Young, Bad Feilnbach
P746 Dr. Ambra Stefani, Innsbruck/Österreich
P747 Priv.-Doz. Dr. Andrea Rodenbeck, Göttingen-Weende
P748 Univ.-Prof. Dr. med. Birgit Högl, Innsbruck/ Österreich
P749 Prof. Dr. Antoine Adamantidis, Bern/Schweiz
P750 Prof. Dr. sc. nat. Reto Huber, Zürich/Schweiz
P751 Dr. Markus Schmidt, Bern/Schweiz
P752 Dr. med. Peter Geisler, Regensburg
P753 Prof. Dr. med. Ingo Fietze, Berlin
P754
Prof. Dr. med. Konrad E. Bloch, Zürich/ Schweiz
P755 Dr. med. Mona Lichtblau, Zürich/Schweiz
P756 Dr. med. Anelia Dietmann, Bern/Schweiz
P757 Priv.-Doz. Dr. med. Michael Saletu, Graz/ Österreich
P758 DDr. Alexander Saletu MSc., Wien/Österreich
P759 Dr. med. Dr. sc. nat. Frédéric Zubler, Bern/ Schweiz
P760 Dr. med. Rebekka Zimmermann, Bern/ Schweiz
P761 Dr. med. Birgit Frauscher, Quebec/Kanada
P762 Prof. Dr. med. Bert Braumann, Köln
P763 Dr. med. dent. Tobias Klur, Köln
P764
Prof. Dr. Dr. Hans Pistner, Erfurt
P765 Prof. Dr. med. Boris A. Stuck, Marburg
P766 Dr. med. Julian Lippert, Bern/Schweiz
P767 Dr. phil. Simone Duss, Bern/Schweiz
P768 Prof. Dr. Hartmut Schulz, Erfurt
P769
P770
Prof. (apl.) Dr. phil. Dr. med. Kai Spiegelhalder, Freiburg
Prof. Dr. med. Georg Nilius, Essen
T1086 Klinikum Ingolstadt GmbH
T1087
T1088
PD Dr. med., Dr. med. dent. Dominik Ettlin, Center of Dental Medicine, University of Zurich/Schweiz
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Planung: Ursula Jahn, München
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Redaktion: Monika Krumnow, Kasseedorf
Herstellung: Ute Landwehr-Heldt, Bremen
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Satz: Thomson Digital, Noida/Indien
Druck und Bindung: Drukarnia Dimograf Sp. z o. o., Bielsko-Biała/Polen
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Geleitwort
Das Handbuch Schlafmedizin fasst den aktuellen Wissensstand der Schlafforschung und Schlafmedizin im interdisziplinären Kontext hervorragend zusammen. Damit gibt es seit Jahrzehnten wieder ein Standardwerk in deutscher Sprache, das allen schlafmedizinisch Tätigen und Interessierten die Möglichkeit gibt, sich umfassend zu informieren. Das Handbuch beinhaltet für alle schlafmedizinisch relevanten Bereiche nicht nur die wissenschaftlichen Grundlagen, sondern auch praktisch zielführende Informationen, die für die schlafmedizinische Arbeit in Klinik und Praxis hilfreich sind. Beteiligt sind namhafte Autorinnen und Autoren, deren umfassende wissenschaftliche und klinischpraktische Erfahrungen den Leserinnen und Lesern zugute kommen.
Nachdem schlafmedizinische Themen mit unterschiedlichen Schwerpunkten in den vergangenen Jahren insbesondere in wissenschaftlichen Publikationen und in der Praxisliteratur berücksichtigt wurden, ist es mit dem Handbuch Schlafmedizin nun gelungen, die gemeinsamen Schnittmengen der Schlafmedizin mit nahezu allen medizinischen Fachdisziplinen zu präsentieren. Dadurch wird deutlich, dass schlafmedizinische Gesichtspunkte in fast allen medizinischen Bereichen zu berücksichtigen sind und dass die Diagnostik und Therapie von Schlafstörungen auf einem interdisziplinären Ansatz basiert. Damit ist die Schlafmedizin konträr zum Bestreben einer zunehmenden Subspezialisierung in der Medizin, die letztlich eine umfassende und individualisierte Patientenversorgung erschwert. Möglicherweise liegt darin begründet, dass die Schlafmedizin trotz hervor
ragender wissenschaftlicher Expertise gesellschaftlich bislang noch nicht den Stellenwert erreicht hat, der ihr nach fachlichen Gesichtspunkten zusteht.
Ein weiterer Aspekt der Schlafmedizin, der ebenfalls im vorliegenden Handbuch berücksichtigt wird, ist der Altersverlauf bei Erkrankungen. Symptomatik und klinische Befunde im Kindesalter, aber auch bei alten Menschen unterscheiden sich erheblich von den Gegebenheiten bei Menschen im mittleren Lebensalter. Wenn es nicht gelingt, die besonderen Krankheitsverläufe in unterschiedlichen Lebensabschnitten zu erkennen, werden Krankheitsfolgen, die bereits im Kindesalter entstehen, nicht oder spät behandelt und werden Krankheitsfolgen, die im mittleren Lebensalter ihren Ursprung haben, Menschen im hohen Lebensalter unnötig belasten. Die Schlafmedizin bietet so dem Geriater die Möglichkeit, vom Pädiater zu lernen und umgekehrt, um nur die äußersten Punkte der Altersspanne zu nennen. Somit beinhaltet das vorliegende Handbuch ein spannendes Potenzial für alle medizinischen Disziplinen.
Die Deutsche Gesellschaft für Schlafforschung und Schlafmedizin (DGSM) hofft, dass durch dieses grundlegende Werk die Schlafmedizin in Deutschland weiter gefestigt und auch weiter verbreitet werden kann, um die schlafmedizinische Versorgung der Betroffenen im gebotenen Umfang, zeitnah und dem State of the Art entsprechend zu gewährleisten.
Prof. Dr. med. Peter Young
DGSMVorsitzender
Geleitwort
Der herausragenden Initiative von Thomas Pollmächer und Thomas Wetter ist es zu verdanken, dass dieses erste deutschsprachige umfassende Standardwerk unter der gemeinsamen Herausgeberschaft von Schlafmedizinern/innen und Schlafforscher/innen aus drei Ländern und aus den unterschiedlichsten Fachgebieten entstanden ist.
Den Autoren, alles namhafte Experten auf ihrem Gebiet, ist es gelungen, diese Bereiche umfassend und dennoch gut lesbar abzuhandeln. Dabei werden einerseits die klinischen Grundlagen übersichtlich dargestellt, andererseits aber auch neue wissenschaftliche Erkenntnisse eingebunden. So trägt das Buch in hohem Maße dazu bei, schlafmedizinisches Wissen umfangreich zu vermitteln. Die Grundlagen des Schlafs, die diagnostischen Möglichkeiten sowie die unterschiedlichen therapeutischen Optionen werden hier sehr übersichtlich und gut verständlich dargestellt.
Der Schlaf nimmt in unserem Leben eine zentrale Rolle ein, und die unterschiedlichsten Störungen des Schlafs müssen im Regelfall auch interdisziplinär abgehandelt werden. Schlafstörungen jeder Art können unbehandelt zu erheblichen Folgeerkrankungen führen und Krankheitsverläufe sowie Erholungsphasen negativ beeinflussen.
Gesunder Schlaf ist für alle Altersklassen und für alle Bevölkerungsschichten von grundlegender Bedeutung und stellt die Basis für ein erfolgreiches und ausgeglichenes Leben dar. Dementsprechend unterstreicht die Häufigkeit von Schlafstörungen mit einer
Prävalenz von bis zu etwa 10 % und mehr die Notwendigkeit einer praxisgerechten Abhandlung.
Das Buch beginnt mit den Grundlagen zur Erfassung und Beurteilung des Schlafs und führt über die Klassifikation und Einteilung schlafmedizinischer Krankheitsbilder in Anlehnung an die ICSD3 hin bis zu weniger bekannten Schlafstörungen und deren Therapieformen. Dabei kommen auch Fragebögen und Anamnesehilfen sowie Teilgebiete der Schlafmedizin mit rascher Entwicklung, wie der Telemedizin oder der Verhaltenstherapie, nicht zu kurz.
Das Handbuch Schlafmedizin bietet einen umfangreichen, aber auch wohlsortierten Überblick, sodass ohne Zuhilfenahme weiterer Literatur ein kompaktes Wissen für den deutschsprachigen Raum in kurzer Zeit aufgebaut werden kann. Das Buch dient somit dem klinisch tätigen Schlafmediziner wie auch dem Interessierten im Studium und in der ärztlichen Praxis, sollte in keinem Schlaflabor fehlen und kann mit gutem Gewissen als Basis für eine fundierte Ausbildung in der Schlafmedizin empfohlen werden.
Möge das Handbuch der Schlafmedizin den schlafmedizinisch interessierten Lesern als Grundlage und Nachschlagewerk bei ihrer täglichen Arbeit Freude und Nutzen bereiten.
Dr. Rainer Popovic Präsident der ÖGSM/ASRAA (Österreichische Gesellschaft für Schlafmedizin und Schlafforschung)
Geleitwort
Mit dem vorliegenden Handbuch zur Schlafmedizin liegt ein umfassendes und ausgereiftes Werk vor, das einen ausgezeichneten Überblick über dieses interdisziplinär breit abgestützte Fachgebiet gibt. Es ist den Herausgebern gelungen, eine hervorragende Autorenschaft zusammenzustellen, die sämtliche Facetten in diesem vielseitigen Fach der Medizin unter Einbezug des aktuellen Wissens darstellen konnte.
Beginnend mit den Grundlagen der Schlafphysiologie kommen auch forschungsmäßige Aspekte nicht zu kurz, ist es doch in den letzten Jahrzehnten aufgrund der modernen neurobiologischen Forschung gelungen, vertiefte Einblicke in das komplexe Regelwerk der Schlafregulation und der Chronobiologie zu gewinnen. Im Sinne des modernen translationalen Ansatzes wird – abgeleitet aus den pathophysiologischen Grundlagen – gekonnt der Bezug zur klinischen Anwendung hergestellt. Alle wesentlichen in der Schlafmedizin beteiligten Disziplinen kommen dabei zum Zuge: Beginnend mit schlafbezogenen Atmungsstörungen über neurologische oder internistische Erkrankungen bis hin zu psychischen Störungen erfolgt ein breiter Überblick mit Themen aus allen Fachgebieten. Auch die pädiatrischen Besonderheiten oder die besonderen Bedürfnisse in der Altersmedizin werden nicht vernachlässigt. Ausdrücklich hervorzuheben ist dabei der direkte Praxisbezug, welcher auch eine detaillierte Beschreibung der Untersuchungsmethodik einschließt.
Diese ganzheitliche Darstellung aller in der internationalen Klassifikation abgebildeten Störungen
ist eine ausgesprochene Stärke dieses umfassenden Werkes; sie wird dazu beitragen, das epidemiologisch so bedeutende Fachgebiet der Schlafmedizin verstärkt ins Bewusstsein der Gesundheitsversorgungssysteme zu rücken. Auch wenn in den letzten beiden Dekaden gerade im deutschsprachigen Bereich hochkompetente, auf Schlafmedizin spezialisierte Zentren entstanden sind, so klaffen immer noch – je nach Region – größere Lücken in der schlafmedizinischen Grundversorgung: Patienten und Patientinnen müssen auch heute noch zum Teil Monate auf einen Abklärungstermin warten. Dies liegt nicht nur an den Versorgungsstrukturen, sondern auch am Mangel an entsprechenden Fachkräften. Gerade in dieser Hinsicht sind Initiativen wie dieses neue Standardwerk, das zu einer hoch qualifizierten Aus und Weiterbildung im Fachgebiet beitragen kann, sehr willkommen. Aufgrund des ausgesprochenen Praxisbezugs ist es dabei aber auch als Nachschlagewerk für NichtSpezialisten ausgesprochen geeignet.
Möge dieses Handbuch schlussendlich dazu beitragen, schlafbedingte Störungen früh zu erkennen und das dadurch verursachte Leiden in der Bevölkerung effizient zu lindern. Dafür wünsche ich diesem außerordentlich gelungenen Standardwerk viel Erfolg!
Prof. Dr. med. Martin Hatzinger
Präsident der SGSSC (Schweizerische Gesellschaft für Schlafforschung, Schlafmedizin und Chronobiologie)
Vorwort
In den ersten beiden Jahrzehnten dieses Jahrhunderts hat sich die Schlafmedizin im deutschsprachigen Raum enorm entwickelt. In Deutschland, Österreich und in der Schweiz sind große Fachgesellschaften entstanden, die Leitlinien konzipieren und erstellen, sowie in vielfacher Weise die klinische Schlafmedizin und die Fort- und Weiterbildung der in diesem Bereich professionell Tätigen unterstützen.
Die Etablierung der Schlafmedizin als wichtige medizinische Subspezialisierung hat erhebliche Fortschritte gemacht. In Deutschland gibt es seit 2004 eine offizielle Zusatzbezeichnung Schlafmedizin, die Fachärzten unterschiedlicher Richtungen offen steht. In der Schweiz gibt es seit 2019 einen offiziell vom Berufsverband der Schweizer Ärzte (FMH) anerkannten Fähigkeitsnachweis und seit 1. Januar 2019 kann auch in Österreich eine Spezialisierung Schlafmedizin bei entsprechendem Nachweis durch die Österreichische Ärztekammer verliehen werden.
Diese Entwicklungen zeigen, dass die Erforschung und Behandlung von Schlafstörungen nun wirklich in der Medizin angekommen sind. Dass dies doch einige Jahrzehnte gedauert hat, verwundert ein wenig, angesichts der immensen Häufigkeit von Schlafstörungen, die je nach der epidemiologischen Methode der Erhebung 10–30 % der Bevölkerung in irgendeiner Form betreffen, aber auch angesichts der erheblichen Folgen, die Schlafstörungen für die psychische und körperliche Gesundheit haben.
Obwohl sich das fachspezifische Wissen in den beiden vergangenen Dekaden drastisch vermehrt
hat und obwohl sich die Behandlungsmöglichkeiten für eine Vielzahl von schlafbezogenen Erkrankungen deutlich erweitert und verbessert haben, datiert der letzte Anlauf, das Fach in Form eines deutschsprachigen Lehrbuches umfassend darzustellen, auf das Jahr 1992, als Mathias Bergers „Handbuch des normalen und gestörten Schlafes“ erschien.
Die Herausgeber dieses Buches waren der Ansicht, dass es nun hohe Zeit war, ein solches Lehrbuch in aktueller Form vorzulegen. Es ist uns gelungen, so glauben wir, dafür die besten und erfahrensten Kollegen im gesamten deutschsprachigen Raum als Autoren zu gewinnen. Da die Schlafmedizin ein stark interdisziplinäres und multiprofessionelles Abenteuer darstellt, hoffen wir, mit diesem Buch allen, die in diesem Bereich tätig sind – also Ärzten und Psychologen, aber auch technischen Assistenten und klinisch Forschenden anderer Disziplinen – ein nützliches, gut verständliches und aktuelles Referenzwerk vorzulegen, das alle wichtigen Aspekte des Faches darstellt und dort, wo tiefergehende Informationen für den einen oder die andere wünschenswert sind, entsprechende weiterführende Literaturhinweise bereit hält.
Wir danken all unseren Autoren und darüber hinaus dem Verlag Elsevier, der das Buch möglich gemacht hat, und hier insbesondere Frau Jahn, Frau Stängle und Frau Krumnow.
Thomas Pollmächer
1 Einführung
Störungen von Schlafen und Wachen, die den Gegenstand der Schlafmedizin bilden, für die dieses Handbuch ein Referenzwerk darstellen soll, entstehen auf dem Boden der normalen Regulation von Schlafen und Wachen. Wir wissen heute, dass der Verhaltenszustand Schlaf auf komplexe Weise vom Gehirn selbst generiert wird, wobei die entsprechenden neuronalen Netzwerke eine Vielzahl von sensorischen Inputs (z. B. die Helligkeit der Umgebung, die Aktivität des peripheren autonomen Nervensystems), humorale Faktoren (z. B. periphere endokrine und immunologische Aktivität) und genuin zentralen neuronalen und humoralen Signalen (z. B. ARAS, das orexinerge System im lateralen Hypothalamus, das zirkadiane System im Ncl. suprachiasmaticus) integrieren, um uns zur rechten Zeit, am rechten Ort ausreichend tief und lange schlafen zu lassen. Die Kollegen Adamantidis, Schmidt und Huber von den Universitäten Zürich und Bern stellen diese Grundlagen der physiologischen Schlafregulation ausführlich und praxisnah dar (› Kap. 2).
Die Messung von Schlaf und Schläfrigkeit bilden die Grundlage für objektive Befunde zu gesundem und gestörtem Schlaf. Wie in › Kap. 3 Penzel von der Charité in Berlin ausführlich darlegt, haben sich in den letzten Jahren die Messmethoden erheblich weiterentwickelt. „Goldstandard“ der Messung von Schlafen und Wachen bleibt allerdings weiterhin die Polysomnografie, die es durch die integrierte Messung einer Reihe von Biosignalen erlaubt, Wachen von Schlafen zu unterscheiden und im Schlaf NREM- von REM-Schlafstadien zu differenzieren. Zusätzlich werden heutzutage eine Vielzahl von Biosignalen erfasst, die v. a. die nächtliche Atmung und die nächtliche Motorik betreffen. Darüber hinaus hat die digitale Revolution eine Vielzahl neuer Messmethoden hervorgebracht, die sich langsam ihren Platz in Forschung und Klinik erobern und in erster
Linie technisch einfacher und handhabbarer sind als die Polysomnografie, aber z. T. eben auch weniger detaillierte Informationen über den Schlaf liefern.
Die innere Uhr, zentralisiert im Ncl. suprachiasmaticus des Hypothalamus, aber cum grano salis in jeder einzelnen Körperzelle angelegt, synchronisiert die gesamte Physiologie des Körpers über Tag und Nacht hinweg mit dem äußeren Taktgeber des HellDunkel-Rhythmus. Das zirkadiane System interagiert auf engste Weise mit der Schlaf-wach-Regulation und ist damit wesentlich an Positionierung und Qualität des Schlafs, aber auch am Verlauf der Vigilanz am Tage beteiligt. Die entsprechenden Zusammenhänge werden ausführlich von Cajochen von der Universität Basel dargestellt (› Kap. 4).
Auch wenn die Physiologie des REM-Schlafs, auch Traumschlaf genannt, eng mit den Träumen verbunden sind, stellen der Traum des Menschen und seine Inhalte ein wichtiges eigenes Grundlagenthema dar. Dieses Thema bearbeitet Schredl vom Zentralinstitut für seelische Gesundheit in Mannheim einschließlich seiner Randgebiete, z. B. der luziden Träume (› Kap. 5).
Schließlich darf in einem Referenzwerk wie dem hier vorliegenden als Grundlage zum Verständnis der aktuellen Situation von Schlafforschung und Schlafmedizin auch ein historisches Kapitel nicht fehlen. Dessen Anfertigung hat Schulz aus Erfurt übernommen, der ausgehend von den antiken Vorstellungen zu Schlafen und Wachen über die frühen schlafphysiologischen Vorstellungen zum Schlaf im 19. Jahrhundert die Entwicklung bis hin zur Differenzierung der Schlafmedizin als eigenständigem Fach in den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts nachzeichnet (› Kap. 6).
Markus H. Schmidt, Julian Lippert, Antoine Adamantidis und Reto Huber
2 Die normale Schlafphysiologie
Kernaussagen
• Dieses Kapitel gibt eine Übersicht zur normalen Schlafphysiologie, Erfassung von Schlaf in einem Schlaflabor und Aussagekraft elektrophysiologischer Befunde über eine normale Schlafstruktur.
• Das Gehirn als übergeordnete Schaltzentrale koordiniert die Wach- und Schlafmechanismen und reguliert zahlreiche biologische Funktionen sowohl der zentralen als auch peripheren Organe, die mit dem Schlaf gekoppelt sind.
2.1 Der normale Schlaf
2.1.1 Polysomnografische Schlafaufzeichnung
In einem klinischen Labor wird der Schlaf mithilfe der Polysomnografie (PSG) unter Verwendung zahlreicher physiologischer Messparameter in Kombination mit einer Videoüberwachung aufgezeichnet (› Kap. 3.2). Die PSG gilt als Goldstandard zur Beurteilung der Schlaf-wach-Regulation. Eine typische PSG umfasst die Elektroenzephalografie (EEG) zur Aufzeichnung der Hirnaktivität, eine Elektrookulografie (EOG) zur Registrierung der Augenbewegung und eine Elektromyografie (EMG) zur Aufzeichnung des Muskeltonus am Kinn. Diese Kanäle sind erforderlich, um Schlaf- und Wachzyklen genau zu erfassen. Mit zusätzlichen Elektroden z. B. über dem M. flexor digitorum an den Unterarmen und des M. tibialis an den Unterschenkeln können weitere wichtige Informationen wie Bewegungen an den Gliedmaßen während des Schlafs erfasst werden.
Ein Zwei-Kanal-EKG wird zur Registrierung der Herzaktivität verwendet. Mehrere Kanäle zeichnen kontinuierlich das Atemmuster auf, darunter ein Sensor zur Erfassung des Nasen- und Mundluftstroms sowie ein Gürtel über Brust und Bauch zur
• Durch Schlafentzug sowie Schlafstörungen ergeben sich zahlreiche pathologische Konsequenzen.
• Anhand des Zwei-Prozess-Modells der Schlafregulation wird gezeigt, wie Schlafdauer und -intensität homöostatisch reguliert werden.
• Wichtige Theorien der Schlaffunktion werden diskutiert.
Aufzeichnung der Atemarbeit. Hierzu wurden standardisierte Kriterien für die PSG-Aufzeichnung und Bewertung durch die American Academy of Sleep Medicine (AASM) festgelegt (Berry et al. 2017). Diese Richtlinien behandeln alle Aspekte der PSGAufzeichnung, einschließlich der zu verwendenden Elektrodentypen, der Elektrodenplatzierung, der Geschwindigkeit der digitalen Erfassung und der Filterung von Signalen. Zudem werden Kriterien zur Auswertung von Schlaf- und Wachstadien sowie zur Beurteilung von Ereignissen bei Atem- oder Gliedmaßenbewegungen definiert, von denen einige im Folgenden besprochen werden.
2.1.2 Die normale Schlafarchitektur
Die Weiterentwicklung früher elektrophysiologischer Aufnahmetechniken aus den 1930er Jahren führte 1953 zu der bahnbrechenden Entdeckung, dass während des normalen Schlafs zwischen zwei sehr verschiedenen Zuständen unterschieden werden kann. Neben dem ruhigen Schlaf, der mit langsamen EEGWellen mit hoher Amplitude einhergeht, entdeckten Aserinsky und Kleitman einen neuen Schlafzustand, der durch schnelle Augenbewegungen und ein relativ desynchronisiertes EEG-Muster gekennzeichnet ist (Aserinsky und Kleitman 1953). Aserinsky und Kleit-
mann waren die Erstautoren zur Beschreibung des REM-Schlafs (Rapid Eye Movement), einem Zustand, der mit Erinnerung an Träume in Verbindung gebracht wird und daher auch den umgangssprachlichen Namen „Traumschlaf“ trägt. Sechs Jahre später, im Jahr 1959, entdeckte der französische Forscher Michel Jouvet, dass REM-Schlaf spezifisch mit einem Muskeltonusverlust einhergeht (Jouvet und Michel 1959). Jouvet sowie weitere Autoren zeigten später, dass der Mensch und alle bisher untersuchten Säugetierarten während des REM-Schlafs gelähmt sind. Trotz dieses generalisierten Muskeltonusverlusts wird während des REM-Schlafs häufig ein Zucken der Extremitäten beobachtet. Darüber hinaus werden thermoregulatorische Reaktionen wie Schwitzen, Piloerektion und Zittern im REM-Schlaf ausgesetzt. Charles Fischer und Ismet Karacan konnten Mitte der 1960er Jahre unabhängig voneinander zeigen, dass Peniserektionen regelhaft während des REM-Schlafs auftreten (Fisher 1965, Fisher et al. 1965).
Mit der Entdeckung des REM-Schlafs und den damit verbundenen Phänomenen konnte erstmals gezeigt werden, dass Schlaf ein aktiver biologischer Prozess ist. Dies widersprach der bis dahin gängigen medizinischen Sicht, dass Schlaf ein passiver Zustand mit reduzierter Stoffwechselaktivität sei.
Diese frühen Arbeiten der 1960er Jahre zeigten auch, dass Schlaf stark strukturiert ist und der Wechsel zwischen REM-Schlaf und NREM-Schlaf auf vorhersehbare Weise zyklisch abläuft. In der Regel tritt nach der ersten Schlafphase die erste REM-Schlaf-Periode mit einer Latenz von ungefähr 80 Minuten auf und dauert ungefähr 15–20 Minuten an, wonach die weiteren NREM- und der REMSchlafzyklus ungefähr alle 90 Minuten während der restlichen Nacht erfolgen. Dieser Wechsel zwischen NREM- und REM-Schlaf führt zu etwa 4–5 Schlafzyklen während einer normalen Nacht im Schlaf eines Erwachsenen.
Der NREM-Schlaf ist ebenfalls stark strukturiert und wird in drei unterschiedliche NREM-Schlafstadien unterteilt (› Abb. 2.1):
• Stadium N1 markiert den Beginn des Schlafs aus dem Wachzustand und ist charakterisiert durch das Verschwinden der Wach-EEG-Alpha-Aktivität (8–11 Hz) und das Auftreten eines vorherrschenden EEG-Theta-Musters (4–7 Hz).
• Stadium N2 wird durch das Auftreten von Spindeln (8–12 Hz) und K-Komplexen definiert.
• Mit Zunahme langsamer und höheramplitudiger Signale (> 75 µV; 0,5–4 Hz) geht schließlich Stadium N2 in Stadium N3 über, das als Tiefschlaf bezeichnet wird.
Die ersten Kriterien zur Beurteilung von Schlafstadien wurde 1968 von Alan Rechtschaffen und Anthony Kales veröffentlicht (Rechtschaffen und Kales 1968), gefolgt von einer Wissensexpansion im Bereich der Schlafforschung innerhalb der letzten fünf Jahrzehnte. Die heute verbindlichen Kriterien zur Beurteilung der Schlafstadien wurden später von der American Academy of Sleep Medicine (AASM) etabliert.
Der stark strukturierte physiologische Schlaf enthält wichtige klinische Informationen. So ist während der ersten Nachthälfte der Tiefschlafanteil (Stadium N3) prozentual am höchsten, wobei die Amplitude der EEG-Signale sowie die Aktivität der langsamen Welle mit fortschreitender Nacht abnehmen. Im Gegensatz dazu nimmt die Dauer des REM-Schlafs bei jedem Schlafzyklus tendenziell zu, sodass insgesamt die Dauer des REM-Schlafs in der zweiten Nachthälfte zunimmt.
Kenntnisse sowie ein Grundverständnis der physiologischen Schlafstruktur kann Ärzten bei der Beurteilung von Patienten mit Schlafstörungen helfen. So treten z. B. unerwünschte Verhaltensstörungen während des Schlafs, die als Parasomnien bezeichnet werden, entweder in der ersten oder in der zweiten Nachthälfte auf.
Bei einer Schlaf-Verhaltensstörung, die hauptsächlich in der ersten Nachthälfte auftritt, handelt es sich eher um eine NREM-Parasomnie, während es sich bei einer Schlaf-Verhaltensstörung in der zweiten Nachthälfte überwiegend um eine REM-SchlafParasomnie handelt (› Kap. 3.8). Darüber hinaus sind direkte Übergänge vom Wachzustand in den REM-Schlaf hinweisend auf eine pathologische Schlaf-wach-Regulation wie sie z. B. bei Patienten mit Narkolepsie zu beobachten ist (› Abb. 2.2). Des Weiteren ist das Auftreten des Tiefschlafstadiums N3 während der zweiten Nachthälfte ein Indikator für einen erhöhten Schlafdruck oder Schlafbedarf. Dies sind nur einige Beispiele für Auffälligkeiten und Störungen der physiologischen Schlafarchitektur, die wertvolle klinische Informationen liefern können.
Abb. 2.1 Definition der Schlafstadien nach elektrophysiologischen Kriterien. Während des Wachseins besteht im okzipitalen O2-M1-Kanal eine Persistenz der EEG-Alpha-Aktivität (8–11 Hz, links oben, roter Kasten). Augenbewegungen oder Blinzeln mit erhöhter Kinn-EMG-Aktivität (nicht gezeigt) sind häufig auch während des Wachseins sichtbar. Nach einem Verlust der EEG-Alpha-Aktivität und dem Übergang in das Schlafstadium N1 wird das Schlafstadium N2 durch das Auftreten von Spindeln (rechts oben, roter Kasten) und K-Komplexen (rechts oben, roter Pfeil) angezeigt. Der Schlaf im Stadium N3 wird durch langsame EEGWellen mit hoher Amplitude (> 75 µV) (0,5–4 Hz), mit niedrigem Kinn-EMG-Tonus und regelmäßigen Herz- und Atemfrequenzen definiert. REM-Schlaf ist gekennzeichnet durch schnelle Augenbewegungen (rechts unten, roter Kasten), Kinnmuskelatonie, ein relativ aktives EEG-Muster, intermittierende Zuckungen der Gliedmaßen (rechts unten, roter Pfeil) sowie unregelmäßige Atmung und Herzfrequenz. [P749/P750/P751]
Abb. 2.2 Klinische Erkenntnisse aus der Schlafstruktur.
a) Narkolepsie-Phänotyp mit deutlich verkürzter REM-Latenz, verkürzter Schlaflatenz und Fragmentierung des Schlafs.
b) Idiopathische Hypersomnie mit verlängerter Schlafdauer (total sleep time [TST] von ca. 11 Stunden) und ansonsten relativ normaler Schlafstruktur. Dieses Hypnogramm zeigt einen normalen Zyklus von NREM- mit REM-Schlaf. Der größte Anteil des REM-Schlafs wurde in der zweiten Nachthälfte beobachtet. [P749/P750/P751]
2.2 Die Ontogenese des Schlafs
Struktur und Zusammensetzung des Schlafs ändern sich im Laufe des Lebens, insbesondere innerhalb der ersten Lebensjahre, erheblich. So ist die Gesamtdauer des Schlafs während der Kindheit im Vergleich zum Erwachsenen deutlich länger. Darüber hinaus ändert sich auch die Schlafarchitektur während der Entwicklung. So ist während des ersten Lebensjahrs die prozentuale REM-Schlafdauer mehr als doppelt so hoch wie im Erwachsenenalter (Roffwarg et al. 1966). Tatsächlich entfallen etwa 50 % der gesamten Schlafdauer bei Neugeborenen auf den REM-Schlaf. In diesem Alter sind häufig Übergänge direkt vom Wachzustand in den REM-Schlaf zu beobachten. Der zyklische Wechsel von NREM- und REM-Schlaf tritt von Geburt an auf, jedoch mit einem viel kürzeren REM-zu-REM-Schlaf-Intervall von 50 Minuten anstelle von 80 Minuten im Erwachsenenalter. Die REM-Schlafdauer nimmt im Laufe der Kindheit und Jugend allmählich ab und erreicht im Erwachsenenalter eine Dauer von etwa 20–25 % gemessen an der Gesamtschlafdauer. Während der frühen Entwicklung des Gehirns fehlen die typischen EEG-Muster des NREM-Schlafs. Physiologische Schlafelemente wie Schlafspindeln, K-Komplexe sowie langsame hochamplitudige Signale treten erst nach den ersten 2–6 Lebensmonaten auf. Der Tiefschlafanteil (Stadium N3) erreicht bei kleinen Kindern eine maximale Dauer und nimmt mit zunehmendem Alter ab. Schließlich ist der Schlaf in der Kindheit im Allgemeinen am stärksten konsolidiert. Mit zunehmendem Alter ist der Schlaf durch kurze Unterbrechungen, sog. Arousals, immer stärker fragmentiert.
2.3 Schlafphysiologie
Während des Schlaf-wach-Zyklus treten deutliche physiologische Veränderungen sowohl im zentralen Nervensystem als auch peripher auf. Mehrere physiologische Mechanismen koordinieren während des Schlafs das Verhalten mit der Aktivität der peripheren Organe. Dies führt zu einer Synchronisation des zentralen Nervensystems mit inneren Organen. Diese Mechanismen umfassen:
• Eine direkte absteigende Innervation sämtlicher peripherer Gewebe durch das autonome Nervensystem (ANS)
• Spezifische Änderungen der Hormonfreisetzung durch das endokrine System
• Eine molekulare zirkadiane Regulation, die in peripheren Geweben zahlreiche Stoffwechselvorgänge kontrolliert
Das Zusammenspiel dieser unterschiedlichen Mechanismen bewirken spezifische physiologische Veränderungen des gesamten Organismus während des Schlafs (› Abb. 2.3).
2.3.1 Autonomes Nervensystem
Zahlreiche physiologische Veränderungen des HerzKreislauf- und Atmungssystems werden während des Schlafs vorwiegend durch das autonome Nervensystem gesteuert. So sind z. B. während des NREMSchlafs Anteile des parasympathischen Nervensystems vermehrt aktiviert, während gleichzeitig der Tonus des sympathischen Nervensystems vermindert ist. Dies führt zu einer allgemeinen autonomen Stabilität und einer sinusförmigen Modulation der Herzfrequenzvariabilität, die gleichzeitig mit dem Atemzyklus gekoppelt ist. So beschleunigt sich während der Inspiration die Herzfrequenz, um dem erhöhten venösen Rückfluss Rechnung zu tragen, was wiederum zu einer geringen Erhöhung des Herzzeitvolumens führt.
Darüber hinaus sinkt während des Schlafs der Blutdruck im Vergleich zum Wachzustand signifikant ab, was als nächtliches Dipping bekannt ist. Eine kardiorespiratorische Kopplung während des Tiefschlafs sowie ein nächtliches Dipping sind physiologische Zeichen eines gesunden kardiorespiratorischen Systems.
Im Gegensatz dazu ist der REM-Schlaf durch ausgeprägte Schwankungen der parasympathischen und sympathischen Aktivität gekennzeichnet, die zu einer fluktuierenden Herz- und Atemfrequenzvariabilität führt. Ein Anstieg der parasympathischen Aktivität kann zu Bradykardie oder sogar zu kurzen Asystolien während des REM-Schlafs führen. Im Gegensatz dazu sind tachykarde Episoden während des REM-Schlafs Folge eines hohen Sympathikotonus.
Letztendlich ist die Aktivierung und Dominanz des sympathischen und parasympathischen Nerven-
Abb. 2.3 Schlaf-wach-Physiologie und die Kopplung vieler Funktionen mit Wachheit oder Schlaf. Drei Hauptmechanismen synchronisieren den Verhaltenszustand (Gehirn) mit der Funktion peripherer Organe. Dazu gehören autonome Innervation peripherer Gewebe (a), das neuroendokrine System (b) sowie eine zirkadiane Regulation (c) in praktisch allen peripheren Geweben, die Stoffwechselprozesse auf lokaler Ebene und auf Ebene der Endorgane steuern. SCN = Ncl. suprachiasmaticus, ACTH = adrenokortikotropes Hormon, ANS = autonomes Nervensystem [L231]
systems während des REM-Schlafs jeweils spezifisch für das Endorgan. Hierbei kommt es z. B. im HerzKreislauf-System phasenweise zu einem Wechsel der parasympathischen und sympathischen Aktivität, wohingegen das erektile Gewebe im Urogenitalbereich während des REM-Schlafs in erster Linien einer Dominanz des parasympathischen Systems unterliegt.
2.3.2
Endokrines System
Das endokrine System unterliegt einer Vielzahl von Veränderungen während des Schlaf-wach-Zyklus.
So werden z. B. einige Hormone fast nur während des Schlafs freigesetzt, und zwar unabhängig von der Tageszeit. Hierzu gehören Wachstumshormone und Prolaktin, die kurz nach Einsetzen des Schlafs freigesetzt werden und deren Konzentration mit dem Tiefschlafanteil korreliert (Copinschi et al. 2010). Zusätzlich werden luteinisierendes Hormon und follikelstimulierendes Hormon pulsatil aus der Hypophyse mit Schlafbeginn freigesetzt. Der Testosteronspiegel steigt während des Schlafs an und ist abhängig von der Dauer des REM-Schlafs. So konnte gezeigt werden, dass die Testosteronsekretion während des Schlafs bei REM-Schlafentzug abgeschwächt wird (Luboshitzky et al. 1999). Die schlaf-
abhängige Freisetzung anaboler Hormone lässt seit Langem vermuten, dass Wachstums-, Regenerationsund Reparaturprozesse vorwiegend während der Schlafenszeit ablaufen.
Wachstumshormon hat weitreichende Auswirkungen auf das periphere Gewebe, einschließlich der Förderung der Protein- und RNA-Synthese. Im Vergleich zu allen anderen Hypophysenhormonen zeigt Prolaktin eine starke Wirkung auf das zentrale und periphere Gewebe (Bole-Feysot et al. 1998). Hierzu zählt u. a. seine Rolle bei Immunfunktionen, dem Zellwachstum sowie bei der Mitose in zahlreichen peripheren Geweben wie Haut, Leber, Darm, glatten Gefäßmuskeln sowie Beta-Zellen der Bauchspeicheldrüse. Die Wirkungen des Testosterons umfassen die Skelettmuskelproteinsynthese sowie den Knochenumund -aufbau.
Neben der oben beschriebenen Freisetzung schlafabhängiger Hormone unterliegt die Freisetzung weiterer Hormone einem zirkadianen Rhythmus, der unabhängig vom Schlaf-wach-Zyklus ist. Typisches Beispiel hierbei ist die kortikotrope Achse. Dieses neuroendokrine System, das eng mit Stressreaktionen assoziiert ist, wird peripher durch die Plasmaspiegel des adrenokortikotropen Hormons (ACTH) und des Cortisols, dessen Sekretion direkt durch ACTH-Stimulation gesteuert wird, gemessen. Die Sekretion dieser Hormone nimmt während der zweiten Nachthälfte zu, erreicht tagsüber ein Maximum und ist jeweils unabhängig von der Verteilung der Schlafstadien (Balbo et al. 2010).
Ein weiteres Beispiel ist die Melatoninfreisetzung am Abend kurz vor Beginn des Schlafs. Obwohl die Melatoninfreisetzung durch Licht unterdrückt wird, ist die Freisetzung massgeblich durch das endogene zirkadiane System gesteuert und spielt eine wichtige Rolle bei der Rhythmisierung und Synchronisation sowohl der zentralen als auch der peripheren zirkadianen Netzwerke (Buijs et al. 2016).
Die Regulation einer kleinen Untergruppe von Hormonen wird sowohl von zustandsabhängigen (Schlaf-wach-Stadien) als auch zirkadianen Mechanismen gesteuert. Ein Beispiel aus dieser Kategorie ist die Schilddrüsenhormonachse. Der Spiegel des thyreoideastimulierenden Hormons (TSH) ist tagsüber relativ niedrig und stabil bis zum frühen Abend, vor dem Zubettgehen kommt es allerdings zu einem raschen Anstieg bis zum Maximum der Sekretion.
Mit Beginn des Schlafs sinken die TSH-Spiegel kontinuierlich steil ab. Kommt es allerdings zu einer Schlafdeprivation, steigt der TSH-Spiegel weiter stark an, bis das zirkadiane System schließlich in der zweiten Nachthälfte ein Absinken des Spiegels bewirkt, auch wenn kein Schlaf vorliegt (Sack et al. 1988).
2.4 Schlafmechanismen
Die neuronalen Grundlagen des Schlaf-wach-Zyklus umfassen Wechselwirkungen zwischen schlaffördernden neuronalen Strukturen im anterioren Hypothalamus und schlafhemmenden im posterioren Hypothalamus, im basalen Vorderhirn und im Hirnstamm (Pace-Schott und Hobson 2002, Fort et al. 2009). Herbei korreliert die Aktivität im Hirnstamm mit Wachheit. Die Aktivität des Hirnstamms steigt nicht nur während des Wachzustands im Vergleich zum Schlaf, sondern auch bei verstärkter Er re gung wie Wachsamkeit oder Stress. Zu diesen Erregungssystemen gehören die histaminergen, hypokretinergen und eine Untergruppe hemmender Neurone im lateralen Hypothalamus, die cholinergen Neurone im Pons und im basalen Vorderhirn, die noradrenergen Neurone des Locus coeruleus (LC) sowie die dopaminergen und serotonergen RapheNeurone des Hirnstamms (Weber und Dan 2016). Die Erregungszentren senden weitverbreitete aufsteigende Projektionen an den Thalamus, den Neokortex und den Hippocampus, wo sie für die rhythmische EEG-Hochfrequenz und die Gammaund Niederfrequenz-Theta-Aktivität verantwortlich sind (Steriade et al. 1993), während die absteigenden Projektionen die physiologische Aktivität (somatosensorische und motorische Systeme) modulieren. Zu Beginn des NREM-Schlafs nimmt der exzitatorische Einfluss Wachheit fördernder Systeme auf die Neuronenpopulationen der Thalamus- und Kortexneurone zunehmend ab. Die thalamokortikalen Schaltkreise beginnen mit der Erzeugung hochsynchronisierter niederfrequenter (< 4 Hz) Oszillationen, die charakteristisch für das kortikale EEG während des NREM-Schlafs sind (Steriade et al. 1993).
NREM-schlaffördernde Neurone umfassen mehrere Untergruppen inhibitorischer Neurone (γ-Aminobuttersäure [GABA], Galanin) des ventrolateralen
präoptischen Bereichs (VLPO) und des medianen präoptischen Kerns (MnPN) im Hypothalamus (Kroeger et al. 2018). Darüber hinaus konnten neuere Studien zeigen, dass extrahypothalamische neuronale Populationen im Neokortex (Morairty et al. 2013), in den Basalganglien (Oishi et al. 2017), in der parafazialen Zone (Anaclet et al. 2014), in der Zona incerta (Liu et al. 2017) und im Thalamus (Gent et al. 2018) ebenfalls an der Regulierung des NREM-Schlafs beteiligt sind. Nach dem „reziproken inhibitorischen“ Modell hemmen schlaffördernde Neurone die erregungsfördernden Zellpopulationen (Saper et al. 2010). Dies muss jedoch noch experimentell an den zahlreichen Systemen, die an der Initiierung des NREM-Schlafs beteiligt sind, kausal nachgewiesen werden. Derzeit wird postuliert, dass die Aktivität der Mittellinien-Thalamus-Neurone der Schlüssel zur Regulierung von Erregung (tonic firing) und von NREMSchlaf (burst firing) ist, während thalamokortikothalamisch-neuronale Netzwerke langsame Oszillationen und die Schlafhomöostase modulieren (Gent et al. 2018).
Übergänge zum REM-Schlaf vervollständigen den Schlaf-wach-Zyklus. Der REM-Schlaf ist durch schnelle Augenbewegungen, Muskelatonie und einen ausgeprägten Theta-Rhythmus im Hippocampus und Kortex gekennzeichnet. Bahnbrechende Studien lokalisierten zunächst den oder die REMSchlaf-„Generator(en)“ innerhalb des Pons, wo eine wechselseitige Hemmung zwischen REM-on-Neurone in den ventralen pontinen und sublaterodorsalen Kernen und REM-off-Neurone im ventrolateralen periaquäduktalen Grau stattfindet. Bislang wurde angenommen, dass der REM-Schlaf im lateropontinen Tegmentum gesteuert wird. In jüngerer Zeit wurden GABAerge und glutamaterge Neurone als Teil der Hirnstammnetzwerke identifiziert, die für den Beginn des REM-Schlafs entscheidend sind (Hayashi et al. 2015, Luppi et al. 2017). Wichtig ist, dass die Aktivität der Neurone außerhalb des Hirnstamms auch mit dem REM-Schlafzustand korreliert (Lorincz et al. 2015), einschließlich der Neurone im vorderen (Huguenard und McCormick 2007) und seitlichen (Morairty et al. 2013, Hassani et al. 2019) Bereich des Hypothalamus.
2.5 Schlafdeprivation
Schlafmangel sowohl infolge einer chronisch verkürzten Schlafdauer als auch einer chronischen Schlafinsuffizienz führt zu weitreichenden kognitiven Funktionseinschränkungen (Ratcliff und Van Dongen 2009, Jackson et al. 2013). Neben einer verlängerten Reaktionszeit infolge einer reduzierten Signalerkennung bestehen aufgrund von Defiziten höherer kortikaler Funktionen Beeinträchtigungen der Aufmerksamkeit (Van Dongen et al. 2012). Es gibt eine Reihe von Hypothesen zur Erklärung möglicher Ursachen kognitiver Defizite infolge von Schlafmangel. Die Hypothese der Zustandsinstabilität legt nahe, dass längerer Schlafentzug zu einer mangelnden Aufrechterhaltung von Wachheit führt (Doran et al. 2001). In der Folge kommt es bei der Lösung von Aufgaben, bei denen eine anhaltende Aufmerksamkeit notwendig ist, immer wieder zu einer Instabilität der Wachheit durch Teilleistungsdefizite höherer kortikaler Funktionen.
Eine zweite Hypothese impliziert eine spezifische Störung des präfrontalen Kortex infolge eines Schlafentzugs (Harrison und Horne 2000). Eine dritte Hypothese beschreibt eine Überbeanspruchung neuronaler Populationen auf lokaler Ebene, sei es im präfrontalen Kortex oder in anderen Hirnregionen als Folge einer überproportionalen Beanspruchung der kortikalen Areale bei längerer Wachheit (Tucker et al. 2010, Van Dongen et al. 2011). Es wird angenommen, dass diese Überbeanspruchung lokaler neuronaler Netzwerke die Kapazität des Informationsdurchsatzes lokal verringert (Van Dongen et al. 2012).
Obwohl sich ein Großteil der Schlafforschung traditionell auf das zentrale Nervensystem fokussiert, zeigen neuere Daten, dass auch periphere Organe von Schlafverlust betroffen sein können. Es ist noch viel wissenschaftliche Arbeit erforderlich, um die komplexen Wechselwirkungen zwischen Schlafmangel und dem autonomen Nervensystem, der Hormonsekretion und der peripheren zirkadianen Regulation besser zu verstehen.
HINWEIS
Mit einem tiefergehenden Verständnis über die klinischen Auswirkungen von Schlafmangel auf die peripheren Organsysteme können langfristige Auswirkungen auf die Gesundheit und Krankheit besser erklärt werden.
Schlafentzug sowie chronische Schlafdeprivation führen zu weitreichenden Veränderungen der Funktion peripher Organe und zeigen somit die Bedeutung der einzigartigen Kopplung zwischen Schlaf und biologischer Funktionen auf. So finden sich nach Schlafentzug erhöhte Marker für generalisierten Zelluntergang sowie oxidativen Stress in lebenswichtigen Organen wie Leber, Darm, Lunge und Herz (Periasamy et al. 2015).
So führt z. B. chronischer Schlafmangel bei Ratten an den Schwänzen und Innenseiten der Pfoten zu tiefen Hautläsionen (Kushida et al. 1989). Darüber hinaus zeigen Tiere mit chronischer Schlafdeprivation Veränderungen im Bereich des Fells einschließlich Haarausfall, glanzlosem Aussehen und Fettigkeit, die sich nach Kompensation des Schlafmangels wieder normalisieren (Everson und Szabo 2011). Chronischer Schlafverlust führt zusätzlich zu Veränderungen des Knochenstoffwechsels einhergehend mit verminderter Knochenbildung, gesteigerter Knochenresorption mit erhöhtem Risiko einer Osteoporose (Everson und Szabo 2011). In tierexperimentellen Studien an Ratten und Drosophila konnte gezeigt werden, dass langfristiger und dauerhafter Schlafentzug ohne Erholungsphasen tödlich verlaufen kann (Everson et al. 1989, Shaw et al. 2002).
HINWEIS
In großen epidemiologischen Studien am Menschen wurde chronischer Schlafmangel als signifikanter Risikofaktor für zahlreiche chronische Krankheiten wie Herz-KreislaufErkrankungen, Diabetes, Osteoporose, Schlaganfall und Krebs identifiziert (Magee und Hale 2012, Von Ruesten et al. 2012, Lima et al. 2012).
2.6 Schlafhomöostase
Schlafverlust führt zu einem Rebound-Phänomen mit erhöhter Schlafdauer und -intensität in Phasen der Erholung. In den 1930er Jahren zeigten Blake und Gerard, dass die Intensität langsamer kortikaler Signale mit der Schlaftiefe korreliert (Blake und Gerard 1937). Heute ist es allgemein anerkannt, dass der Schlafdruck und konsekutiv die Schlaftiefe während der Wachzeit homöostatisch reguliert sind. Hierbei nimmt insbesondere der Tiefschlafanteil proportional zur zuvor wach verbrachten Zeit zu und während des Schlafs ab (Borbély 1982, Jenni et al. 2005). Langsame
Wellen (Slow-Wave-Activity [SWA], 0,5–4,5 Hz) sind ein gut etablierter Marker für die homöostatische Abnahme des Schlafdrucks während des Schlafs, und diese Abnahme ist eng mit der Erholungsfunktion des Schlafs assoziiert. In humanen Studien mit Schlafentzug, bei denen der Anteil langsamer Signale während des Tiefschlafs durch akustische Stimuli minimiert wurde, konnte eine verminderte Regenerationsfunktion des Schlafs gezeigt werden, was in den folgenden Tagen zu einem erhöhten Schlafdruck führte (Dijk 2010). Dieser erhöhte Schlafdruck spiegelt sich dann verstärkt sowohl in subjektiven als auch in objektiven Messungen der Schläfrigkeit wider (Lo et al. 2012).
2.6.1 Oszillation langsamer DeltaSignale
Intrazelluläre Aufzeichnungen auf Einzelneuronenebene zeigen, dass sich die Membranpotenziale kortikaler Neurone im Tiefschlaf zwischen einem depolarisierten „An“-Zustand und einem hyperpolarisierten „Aus“-Zustand mit einer Frequenz von etwa 1 Hz abwechseln (Steriade et al. 1993). Während dieser langsamen Oszillationen sind kortikale Neurone bistabil und oszillieren zwischen den zwei verschiedenen Zuständen, die jeweils einige hundert Millisekunden andauern. Wenn große Neuronennetzwerke solchen Schwingungen in hoher Synchronizität unterliegen, misst das Oberflächen-EEG Spannungsänderungen mit hoher Amplitude. In bisher nur wenigen Humanstudien wurden diese langsamen Schwingungen, sog. langsame Oszillationen, im Oberflächen-EEG systematisch untersucht (Bersagliere und Achermann 2010, Mölle et al. 2002). Bislang ist die Frage des Ursprungs langsamer Signalschwingungen auch mit höheren Frequenzen (1–4,5 Hz) ungelöst. Da sich langsame Oszillationen jedoch mit unterschiedlichen Ursprüngen und Ausbreitungspfaden über den Kortex zu bewegen scheinen, ist es möglich, dass solche langsamen Signalschwingungen aus der Kollision langsamer Oszillationen stammen, die zu einer ähnlichen Zeit beginnen, jedoch unterschiedlichen Ursprungs sind (Massimini et al. 2004). Solche Kollisionen von sich bewegenden langsamen Oszillationen können die höherfrequenten Wellen erzeugen, die auch Delta-Wellen genannt werden (Riedner et al. 2007).
Abb. 2.4 Das Zwei-ProzessModell der Schlafregulation. Der Prozess S repräsentiert das Schlafbedürfnis. Es steigt während der Wachphase bis zum oberen Grenzbereich an und fällt während des Schlafs wieder ab. Die Variabilität des Prozesses S ist auf einen Wertebereich beschränkt, der durch den zirkadianen Prozess C festgelegt wird, der über einen Zeitraum von 24 Stunden nicht konstant ist, sondern mit der Tageszeit variiert. [P749/P750/ P751/L231]
2.6.2 Das ZweiProzessModell der Schlafregulation
Es wird angenommen, dass zwei Hauptprozesse an der Regulierung des Schlafs beim Menschen und bei einer Vielzahl anderer Spezies beteiligt sind. Das ZweiProzess-Modell der Schlafregulation (› Abb. 2.4) postuliert, dass der Schlafdruck durch eine Wechselwirkung eines zirkadianen Prozesses C und eines homöostatischen Prozesses S bestimmt wird. Der Prozess C repräsentiert die zirkadiane Komponente, die einem ungefähren 24-Stunden-Rhythmus folgt. Der homöostatische Prozess S nimmt ab dem Zeitpunkt des Erwachens zu und während des Schlafens ab. Die jeweiligen Zeitpunkte von Schlafens- und Wachzeit bestimmen somit das Niveau des Prozesses S. Die Wahrscheinlichkeit einzuschlafen wird durch das Zusammenspiel der Prozesse S und C erklärt. Insbesondere dann, wenn der Prozess S hoch ist und gleichzeitig die wachfördernde Wirkung des Prozesses C sinkt, beginnt das ideale Zeitfenster zum Einschlafen. Im Gegensatz dazu unterstützen niedrige Niveaus des Prozesses S gegen Ende einer Schlafperiode und der schlaffördernde Antrieb von Prozess C den Schlaf im letzten Drittel der Nacht. Eine relative Verschiebung dieser beiden Prozesse gegeneinander, z. B. bei Reisen durch unterschiedliche Zeitzonen, kann zu Schlafstörungen führen, wie sie typischerweise beim Jetlag auftreten ( › Kap. 35).
Das Verständnis der physiologischen Mechanismen beider Prozesse und systematische Untersuchungen zur Reaktion des Modells auf Herausforderungen wie im Falle von Schlafentzug war in den letzten 30 Jahren
ein Schwerpunkt der Schlafforschung (Achermann und Borbély 2003).
Der zirkadiane Rhythmus (Prozess C) wird durch einen intrinsischen Schrittmacher im suprachiasmatischen Kern (SCN) erzeugt. Während des letzten Jahrzehnts wurde das molekulargenetische Netzwerk, das für die Taktgebung der SCN-Zellen verantwortlich ist, sehr detailliert beschrieben (Saper et al. 2005). Leider ist unser Wissen über die Mechanismen, die dem Prozess S zugrunde liegen, begrenzt. Hierbei ist die Oszillation langsamer Signale während des Tiefschlafs (slow-wave activity [SWA]) ein etablierter elektrophysiologischer Marker für den Prozess S. Zahlreiche Studien haben bestätigt, dass die SWA während des NREM-Schlafs homöostatisch reguliert wird. Dabei nimmt die SWA in Abhängigkeit von der vorausgehenden Wachzeit zu und während des Schlafs ab. Eine Annahme des Zwei-Prozess-Modells besagt, dass ein Verlust des NREM-Schlafs durch eine Intensivierung des NREM-Schlafs, d. h. durch eine Zunahme der Schlaftiefe oder -intensität und nicht notwendigerweise durch eine Zunahme der Schlafdauer, wiederhergestellt werden kann. Diese Annahme stärkt die wichtige Rolle der SWA bei der Schlafregulierung. Ein zweites wichtiges Konzept des Zwei-ProzessModells besagt, dass der homöostatische und der zirkadiane Prozess unabhängig voneinander ablaufen. Dies wurde durch Schlafentzugsstudien an Ratten mit SCNLäsionen bestätigt. Diese Tiere zeigten keine zirkadiane Modulation von Schlaf und Wachheit mehr. Dennoch führte Schlafentzug unverändert zu einem Anstieg der SWA (Tobler et al. 1983, Trachsel et al. 1992).
2.6.3 Lokaler Schlaf
In den letzten Jahren konnte in mehreren Studien gezeigt werden, dass Schlaf lokal reguliert wird. Unihemisphärischer Schlaf ist bei Vögeln und Walen bekannt (Rattenborg et al. 2012), wobei selektive Schlafdeprivation zu einem unihemisphärischen Schlaf-Rebound führt (Oleksenko et al. 1992). Neuere Studien liefern Hinweise auf lokalen Schlaf auch beim Menschen, in Abhängigkeit von der vorherigen Beanspruchung bestimmter Hirnareale (Huber et al. 2006, Määttä et al. 2010). Bei jungen Erwachsenen führt z. B. eine ausgedehnte sensorische Stimulation der Hand zu einer Erhöhung der SWA über der entsprechenden Hemisphäre im späteren Schlaf (Kattler et al. 1994). Dieser regionenspezifische Schlafbedarf wird durch topografische Auswertungen des SchlafEEGs nachgewiesen. Hierbei stellt die regionenspezifische SWA möglicherweise das Korrelat einer nutzungsabhängigen neuronalen Müdigkeit infolge einer synaptischen Überlastung dar (Bernardi et al. 2019). Auf zellulärer Ebene liefern neuere Studien Hinweise auf lokale Unterschiede bei Messungen des Schlafs.
So konnte z. B. mittels intrazerebralem EEG beim Menschen gezeigt werden, dass SWA sowohl als globale als auch als lokale Signale auftreten (Andrillon et al. 2011). Diese Arbeit zeigte, dass langsame EEG-Signale in der zweiten Nachthälfte eher lokal auftreten im Vergleich zur ersten Nachthälfte. Darüber hinaus sind lokale Signale überwiegend niedrigamplitudig. Dabei treten Signale mit geringer Amplitude typischerweise in späteren Schlafstadien auf, wenn der Schlafdruck weitgehend abgebaut ist. In weiteren Studien konnte mittels In-vivo-Aufzeichnungen und Whisker-Stimulation bei Ratten gezeigt werden, dass lokaler Schlaf auf der Ebene einer kortikalen Säule stattfinden kann und dieser in Abhängigkeit von der vorherigen Beanspruchung reguliert wird (Rector et al. 2009). Die größte Diskrepanz der Aktivitätszustände im Gehirn liegt dann vor, wenn einige Gehirnregionen schlafen, während andere wach sind. Während langer Wachperioden bei Ratten, die sowohl mittels EEG als auch durch Verhaltensbeobachtung aufgezeichnet wurden, zeigten einzelne lokale neuronale Populationen gleichzeitig auch Aspekte des Schlafs. Dieser Zustand war mit gleichzeitigen Leistungseinbußen in den jeweiligen
Hirnarealen verbunden (Vyazovskiy et al. 2011). Bei erwachsenen Patienten mit Epilepsie wurde eine ähnliche Dissoziation der Vigilanzzustände beobachtet (Nobili et al. 2011). Hierbei fanden sich gleichzeitig nebeneinander vorkommende wachund schlafähnliche Muster in unterschiedlichen kortikalen Bereichen. Dieses regionale Auftreten von Schlaf bestätigt die lokale Regulation langsamer Schlafsignale.
2.7 Funktion des Schlafs
Schlaf als universelles Phänomen wurde in allen bisher untersuchten Tierarten identifiziert, von Quallen bis hin zu hoch entwickelten Säugetieren. Obwohl zahlreiche Theorien über die Funktion des Schlafs aufgestellt wurden, ist ein allgemeiner Konsens darüber, warum und wozu wir schlafen, immer noch nicht erreicht. Alle Theorien zur Schlaffunktion fallen im Allgemeinen in eine von vier Kategorien. Dazu gehören:
• Energieeinsparung
• Um- und Restrukturierung des neuronalen Netzwerks
• Restitution peripher und zentraler Organe
• Adaptives Nichtreagieren – eine Immobilisierungsstrategie, die ein Tier außerhalb einer Gefahrenzone hält
Im Folgenden werden einige führende Theorien zur Schlaffunktion vorgestellt.
2.7.1 Lernen und die Bedeutung langsamer kortikaler Signale im Tiefschlaf
Zahlreiche Studien legen einen engen Zusammenhang zwischen der EEG-Aktivität während der Wachphasen und nachfolgender EEG-Aktivität während des Schlafs nahe. Das visuomotorische Lernen ist z. B. mit einer spezifischen lokalen Zunahme langsamer kortikaler Signale (SWA) verbunden (Huber et al. 2004). In Studienprotokollen mit künstlich manipuliertem SWA-Niveau konnte ein kausaler Zusammenhang zwischen SWA während des Schlafs und Leistungsverbesserungen aufgezeigt werden. So verhinderte
ein Verlust langsamer kortikaler Signale durch akustische Reize schlafabhängige Leistungssteigerungen des visuomotorischen Lernens und verringerte die Lernkapazität (Fattinger et al. 2017, Papalambros et al. 2017). Im Gegensatz dazu war die künstliche Verstärkung langsamer kortikaler Signale durch transkranielle Oszillationsströme oder akustische Stimulation in geschlossenen Regelkreisen mit einer Leistungsverbesserung des deklarativen Gedächtnisses verbunden (Ngo et al. 2013). Die genannten Ergebnisse liefern gute Belege für eine Beteiligung der SWA an plastischen Lernprozessen. Derzeit liefern zwei wichtige Hypothesen zur Funktion des Schlafs eine mechanistische Erklärung für die enge Beziehung zwischen Schlaf und Lernen:
• Die Hypothese der synaptischen Homöostase beschreibt die Bedeutung der SWA während des Schlafs zur Reduktion der Stärke synaptischer Verbindungen infolge lernbedingter Akkumulation der Stärke synaptischer Verbindungen während der Wachheit und somit zur Herstellung einer synaptischen Homöostase über Wochen, Monate und Jahre (Tononi und Cirelli 2014).
• Die Hypothese der Systemkonsolidierung beschreibt eine Stabilisierung von Erinnerungen während des Schlafs durch Integration in bestehende Speichernetzwerke (Rasch und Born 2013).
Beide Hypothesen fokussieren auf den entscheidenden Einfluss der SWA während des Schlafs und auf die Konsolidierung von Lernprozessen.
2.7.2 REMSchlaf und Gedächtnis
Studien zu Verhaltensaufgaben mit appetetiver (Destrade und Jaffard 1978) und aversiver (Smith et al. 1980) Konditionierung zeigten einen quantitativen Anstieg des REM-Schlafs, der in den Stunden nach dem Trainingsprotokoll auftrat. Zusätzlich wurde gezeigt, dass die Intensität des Theta-Rhythmus während des REM-Schlafs nach einer aversiven Konditionierung sowohl bei Nagetieren (Fogel et al. 2009) als auch bei Menschen (Fogel et al. 2007) zunimmt. In einer weiteren Studie konnte die Kohärenz der ThetaOszillationen zwischen Amygdala und präfrontalem Kortex während des REM-Schlafs mit einer angst -
besetzten Erinnerung nach vorherigem Training korreliert werden (Popa et al. 2010).
Selektiver REM-Schlafentzug führt durchweg zu einer signifikanten Beeinträchtigung des Gedächtnisses, insbesondere bei relativ komplexen Aufgaben wie der bidirektionalen aversiven Konditionierung und komplizierter räumlicher Gedächtnisinhalte, obwohl für relativ einfache Aufgaben widersprüchliche Ergebnisse berichtet wurden (Boyce et al. 2017). Längere Episoden von REM-Schlafentzug bei Nagetieren wurden sowohl mit einer Verringerung der Langzeitpotenzierung (LTP) (McDermott et al. 2006, Ravassard et al. 2009) als auch mit Veränderungen der LTP-assoziierten NMDA- und AMPA-Rezeptoruntereinheiten im Hippocampus sowie einer verminderten CREB-Expression im Hippocampus in Verbindung gebracht (Cao et al. 2010). Diese Beobachtungen könnten die nach selektivem REMSchlafentzug berichteten Gedächtnisstörungen erklären.
Zudem konnte kürzlich gezeigt werden, dass neuroplastische Prozesse während des Schlafs eine entscheidende Rolle in der Entstehung und Regulierung von Emotionen spielen (Goldstein und Walker 2014).
2.7.3 Resourcenoptimierung und Energieeinsparung
Die EA-Hypothese (Energy Allocation) der Schlaffunktion besagt, dass NREM- und REM-Schlaf Verhaltensstrategien sind, die weitreichende Verschiebungen bei der Ressourcenzuweisung sowohl auf zellulärer als auch auf Ebene des gesamten Organismus bewirken. Diese dienen vorrangig der Ressourcenoptimierung und Energieeinsparung.
Bisherige Theorien gingen davon aus, dass Schlaf eine Strategie zur Energieeinsparung durch Reduktion der Stoffwechselrate ähnlich wie beim Winterschlaf ist. Diese Theorien stehen jedoch im Widerspruch zu den während des Schlafs zu beobachtenden Hochregulationen unterschiedlicher endokriner Funktionen sowie Regenerations- und Reparationsvorgängen. Hierzu zählen die Makromolekülbiosynthese, der intrazelluläre Transport sowie die Membranreparatur (Mackiewicz et al. 2009), die Neu- und Reorganisation neuronaler Netzwerke, die Gedächtniskon-
