Lernen im Schlaf -Neuropsychologische und neurophysiologische Mechanismen

___________________________________________________Jan Born

Christian Benedikt, Stoyan Dimitrov, Spyridos Drosopoulos, Horst L. Fehm, Stephan Fischer, Steffen Gais, Manfred Hallschmid, Rosi Krug, Tanja Lange, Lisa Marshall, Matthias Mölle, Christiane Otten, Anja Otterbein, Björn Rasch, Ullrich Wagner

Institut für Neuroendokrinologie, Universität Lübeck

pg/ml

0

10

20

30

40

50

60

** *

Awakening

12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10p.m. a.m.Time

SurpriseShort

Born et al., 1999, Nature

*

Weckung

ErwartungÜberraschung

pg/ml ACTH

Im Schlaf werden Informationen „zielgerichtet“ verarbeitet…..

Zeit24

Lernen AbrufenKonsolidieren

TL‘99

Gedächtnis

Deklaratives Gedächtnis Prozedurales Gedächtnis· Wortpaar-Assoziationen · Spiegelzeichnen

Aufgaben

· räumliche „Landkarten“· Geschichten, Texte· ...

· Wortstamm- „Priming“· visuelle Texturdiskrimination

· motorische Sequenzen

Kleidung – HutFlut – Meer.........

Hippocampus· ...

Lernen Schlaf Abruf

Leistung

Leistungs-zuwachs

10

20

30

40

Lernen Schlaf Abruf

Leistung

Leistungs-zuwachs

10

20

30

40

10

20

30

40

10

20

30

40

Prozeduraler Leistungszuwachs durch Behaltensschlaf nach dem Lernen

Visuelle Texturdiskriminationsaufgabe

Gais et al., 2000, Nature Neuroscience

l kl k

†

††

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

****

**

Dis

krim

inat

ions

schw

elle

[ms]

Schlaf3h

Schlaf8h

Wach(Tags)

Wach(Nachts)

Lernen Abruf

Fischer et al. 2005, J Neurosci

z=40

y=40 x=-58

y=12

y=34 z=22 0246

x=36prämotor. Kortex

anteriorer Kortex cinguli

primärer Motorkortex

Präfrontalkortex (BA 9)

primärer somatosensorischerKortex

Abnahme der Aktivität

Schlaf < Wach

Zunahme der Aktivität

Schlaf > Wach Schlaf < WachSchlaf > Wach

Hirnaktivität beim Fingersequenz-Tapping

SCHLAF 23:00-7:00 h

WACH 11:00-19:00 h

10 Blöcke

WACH 23:00-7:00 h

3 Blöcke

3 Blöcke

3 Blöcke

10 Blöcke

10 Blöcke

Wagner et al. 2004, Nature

„Number Reduction“ Aufgabe

% Subjects Gaining Insight

1 1 4 4 9 4 9 4

1 9 1 4 4 1 99

Final Solution

4 4 9 4 9 4

1

1 1

Response 1 Final Solution

1 1 4 4 9 4 9 4

91Response 2Final Solution

Response 7

1 1 4 4 9 4 9 4

Final Solution1 9 1Response 3

Perc

enta

ge o

f sub

ject

s ga

inin

g in

sigh

t

10

20

30

40

50

60

70

Wake-Day Wake-Night Sleep After Sleep After Wake

p=0.029p=0.014

Antwort 1

Antwort 2

Antwort 3

Antwort 7

Lösung

Lösung

Lösung

Lösung

Wach(Nacht)

Wach(Tag)

Schlaf nachSchlaf

nachWach

Problemlöser in Prozent

%

SCHLAF 23:00-7:00 h

WACH 11:00-19:00 h

10 Blöcke

WACH 23:00-7:00 h

3 Blöcke

3 Blöcke

3 Blöcke

10 Blöcke

10 Blöcke

Wagner et al. 2004, Nature

„Number Reduction“ Aufgabe

% Subjects Gaining Insight

1 1 4 4 9 4 9 4

1 9 1 4 4 1 99

Final Solution

4 4 9 4 9 4

1

1 1

Response 1 Final Solution

1 1 4 4 9 4 9 4

91Response 2Final Solution

Response 7

1 1 4 4 9 4 9 4

Final Solution1 9 1Response 3

Perc

enta

ge o

f sub

ject

s ga

inin

g in

sigh

t

10

20

30

40

50

60

70

Wake-Day Wake-Night Sleep After Sleep After Wake

p=0.029p=0.014

Antwort 1

Antwort 2

Antwort 3

Antwort 7

Lösung

Lösung

Lösung

Lösung

Wach(Nacht)

Wach(Tag)

Schlaf nachSchlaf

nachWach

Problemlöser in Prozent

%Fazit:

Gedächtnisbildung im Schlaf ist ein aktiver Prozess, bei dem es zu einer Reorganisation der frisch enkodierten Gedächtnisrepräsentationen kommt.

time

REM

Früher Schlaf Später Schlaf

LernLern Abruf Abruf

Li aus Li ausWecken Wecken

23.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 23.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00

REMW

S1

W

S1S2

S4S3

M

S4S3

M

S2

Lernen AbrufenKonsolidieren

TL‘99

W

S1S2

S4S3

M

REM

Gesamter Schlaf

Gedächtnisbildung im Schlaf hängt von der Art des Gedächtnissystems ab.

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Hippocampal vermitteltes deklaratives Gedächtnis profitiert insbesondere von

Deltaschlaf-reichem Schlaf im frühen nächtlichen Schlaf.

Nicht hippocampal vermitteltes prozedurales und emotionales Gedächtnis profitiert

insbesondere von REM-Schlaf-reichem Schlaf im späten nächtlichen Schlaf.

Born et al. 2006, Neuroscientist

Wilson & McNaughton 1994, Science

Reaktivierung neuronaler Netzwerke während des Schlafs nach dem Lernen

Kontrollsituation Lernen Deltaschlaf

Hoh

e K

orre

latio

nen

„Reaktivierungsmodell“ der Gedächtnisbildung im Schlaf

Hippocampus

Acetylcholin,Cortisol, etc.

AMPA-RCaMKII

NMDA-RCa 2+

LTP

SpindelSlow oscillation+

-

-Sharp wave/ripple

Gedächtnis-Reaktivierung

Neocortex

200

0

-200

200

100

0

-100

-200

sec

100

-10

S leep EEG

- 1 .5 - 1 .0 1 .00.0- 0 .5 0.5

S low O scilla tion

Spind le Activ ity

Am

plitu

de [µ

V]

1

2

3

4

5

p<0.01p<0.05

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

Spindle Amplitude during Slow Oscillation (Fz)

sec

LearningNon-Learning

Daten aus Gais et al. 2002, J Neurosci; Mölle et al. 2002, J Neurosci

Sleep cycle [90 min]1 2 3 4 5

Sle

ep s

pind

le d

ensi

ty [(

30s)

-1]

0

3

4

5

*** *

Spindle Activity after Learning

Learning

Non-Learning

Spindel

Thalamus

Slow oscillation

Neocortex

Slow Oscillations synchronisieren thalamische and hippocampale Inputs zum Neocortex

L. coeruleus„LC burst“-Aktivität

?

Gedächtnis-Reaktivierung (sharp-wave/ripples)

Hippocampus

Marshall et al. 2006, Nature

Stimulation mit langsam oszillierenden (0.75 Hz) Potentialen