SFB 654: Plastizität und Schlaf

Der Forschungsansatz des Sonderforschungsbereichs basiert auf der Hypothese Schlaf bildet Gedächtnis , das heißt, Schlaf fördert adaptive plastische Prozesse, die eine langfristig stabile Regulation verschiedener Organsysteme unter wechselnden Umgebungsbedingungen ermöglichen. Wozu Schlaf notwendig ist, ist bisher weitgehend ungeklärt. Neuere Studien weisen nun auf die fundamentale Bedeutung des Schlafs für die Langzeitgedächtnisbildung hin.
Gedächtnisbildung wird hier als ein allgemeiner biologischer Prozess verstanden, der in allen Systemen stattfindet, in denen der Organismus für Reize (,.Stressoren ) längerfristige Reaktionsstrategien herausbilden muss. Gedächtnisbildung findet also nicht nur im Gehirn - für Dinge, die im Wachzustand erlebt wurden - statt, sondern auch in anderen Systemen, so zum Beispiel im Immunsystem, in welchem das Gedächtnis für bestimmte Antigene gebildet wird, und auch im Stoffwechselsystem, das sich auf verändernde Bedingungen des Energieangebots einstellen muss.
Im Sonderforschungsbereich werden in all diesen Systemen, das heißt im neurobehaviouralen, im stoffwechselbezogenen und im Immunsystem, die plastischen Mechanismen untersucht, durch die Schlaf in diesen verschiedenen Systemen die Gedächtnisbildung verstärkt. Die im Schlaf stattfindende Gedächtnisbildung wird als ein aktiver Prozess konzipiert, der auf einer unterschwelligen Reaktivierung enkodierter Stimuli und Stressoren beruht. Vermutet wird, dass im Schlaf bestimmte Schlüsselsignale aktiviert werden, die die Gedächtnisbildung in diesen Systemen in paralleler Weise befördern. Während des Schlafs bestehen zudem optimale Voraussetzungen für die Gedächtnisbildung, da hier potenziell störende äußere und innere Reize weitestgehend von der Verarbeitung ausgeschlossen sind.
Vor diesem Hintergrund verfolgt der Sonderforschungsbereich drei Ziele:
-- Es soll gezeigt werden, dass Schlaf in allen drei der interessierenden Systeme Gedächtnis bildet.
-- Es sollen die plastischen Mechanismen, die dieser Gedächtnisbildung zugrunde liegen, charakterisiert werden.
-- Es sollen schlafmedizinische Strategien entwickelt werden, die es ermöglichen, das breite Spektrum von Erkrankungen, bei denen Störungen der Gedächtnisbildung in bestimmten dieser Systeme vorliegen (zum Beispiel bei schizophrenen, fettleibigen und Apnoe-Patienten), effizienter behandeln zu können.

Teilprojekte:
A01 - Effdects of sleep on gaining conscious knowledge about regularities and about stimulus characteristics (Rolf Verleger)

A02 - Die Konversion implizit erworbener Fertigkeiten zu explizitem Wissen (Rolf Verleger, Karsten Witt)

A04 - Eye movements and the functional role of sleep. An investigation of dynamics, control mechanisms, cortical potentials and learning (Steffen Gais, Hubert Kimmig)

A05 - Memory consolidation in distrubed sleep: psychological and neuroendocrinological processes (Jutta Backhaus, Klaus Junghanns)

A06 - Hirnstimulation und Computersimulation zur Beeinflussung von schlafabhängiger Gedächtniskonsolidierung (Lisa Marshall, Thomas Martinetz, Mathias Mölle)

A07 - The striato-thalamo-cortical-system in motor learning and memory consolidation during sleep: An approach using deep brain recordings and stimulation in Parkinson`s disease (Günther Deuschl, Hubertus M. Mehdorn, Jens Volkmann)

A08 - Modellierung des thalamo-kortikalen System während des Schlafs (Jens Christian Claussen, Thomas Martinetz)

A09 - Schlafabhängige Konsolidierung emotionaler und verhaltensrelevanter Gedächtnisinhalte bei Patienten mit psychiatrischen Störungen (Robert Göder, Klaus Junghanns)

A11 - Schlafbezogene Modulation der Funktion des Spiegelneuronensystems (Silke Anders, Ferdinand Binkofski)

A12 - Die Rolle von Schlaf für die Konsolidierung der Extinktion von Furchtgedächtnis (Christian Büchel, Ingrid Ehrlich)

A13 - Die Rolle des präfrontalen Kortex für die schlafabhängige Selektion relevanter Gedächtnisinhalte in der gesunden und abweichenden Entwicklung (Lioba Baving, Alexander Prehn-Kristensen)

A14 - Die Rolle des hippocampalen CA1 Netzwerkes im hippocampal-neokortikalen Dialog im Schlaf (Thorsten Bartsch, Anton Sirota)

A15 - Die Funktion schlafbezogener Reaktivierungen für die Langzeit-Systemkonsolidierung (Jan Born, Björn Rasch)

A16 - Die Rolle von Belohnungs- und Neuheits-assoziierten dopaminergen Signalen bei der schlaf-abhängigen Gedächtniskonsolidierung (Marcus Heldmann, Thomas Münte)

A17 - Dient Schlaf der Vorhersage zukünftiger Ereignisse? Die Rolle schlafabhängiger Gedächtnis-konsolidierung für predictive coding und prospective memory (Susanne Diekelmann, Karsten Rauss)

A18 - Die Reorganisation neokortikaler Mikronetzwerke im Schlaf (Jan Born, Takashi Sato)

A19 - Schlafabhängige Konsolidierung sozialer perzeptueller Fähigkeiten bei normaler und pathologischer Hirnentwicklung (Silke Anders, Ingeborg Krägeloh-Mann, Marko Wilke)

B01 - Schlafassoziierte Lernvorgänge der Energiehomöostase (Manfred Hallschmid, Sebastian Meyhöfer)

B03 - Setpoint regulation during sleep: Influece of intranasal neuropeptides on human neuroendocrine sleep architecture and body weihgt (Werner Kern, Boris Perras)

B04 - Schlafabhängige Kreislauf- und Atemregulation bei Erwachsenen und Kindern (Christian Poets, Friedhelm Sayk)

B05 - Wechselwirkungen zwischen Schlaf und Körpergewicht: von clock-Genen zum Verhalten (Hendrik Lehnert, Henrik Oster)

B06 - Orexin A in der Steuerung von Schlaf- und Energiehomöostase: Vergleichende Untersuchungen bei Mensch und Nager (Paul Christian Baier, Manfred Hallschmid)

B07 - Die regulative Rolle des Schlafs für Nahrungsaufnahme und Energiestoffwechsel (Christian Benedict, Kerstin Oltmanns)

B08 - Schlafabhängige Plastizität und Metabolismus in der frühen Entwicklung (Andreas Fritsche, Manfred Hallschmid, Hubert Preissl)

C02 - Influence of sleep on human memory T-pymphocyte function (Martin Ernst, Peter Zabel)

C03 - Sleep and control of the antimicrobial immune response through CD4+CD25+ regulatory T cells (Werner Solbach)

C04 - Der Einfluss von Schlaf auf quantitative und qualitative Aspekte des CD4 T-Zellgedächtnisses (Kathrin Kalies, Jürgen Westermann)

C05 - Funktionen der GP130 Zytokin-Familie in Schlaf und Plastitzität (Stefan Rose-John)

C06 - Effekte des Schlafes auf die Initiierung, Erhaltung und den Abruf des T-Zellgedächtnisses (Tanja Lange, Hans-Georg Rammensee)

C07 - Die Interaktionen zwischen Schlaf und der Komplement-vermittelten Regulation intestinaler dendritischer Zellen (Stella E. Autenrieth, Jörg Köhl)

C08 - Zirkadiane und Schlafeffekte in der Zytokinregulation (Hernik Oster, Werner Solbach)

C09 - Einfluss von Schlaf auf pathogene T- und B-Zellantworten und Autoimmunität (Marc Ehlers)

Z-Projekte:
Organisation des SFB (Jan Born)
Biosignal-Analyse (Jan Born)

Der SFB 654 "Plastizität und Schlaf" wurde an der Universität Lübeck eingerichtet. Er wurde nach zwei erfolgreichen Förderperioden in der dritten Förderperiode in einen Transregio-SFB umgewandelt, der die Universitäten Tübingen (Sprecheruniversität) sowie Lübeck und Kiel einbezog. Die Forschung des SFBs basierte auf dem Konzept, dass Schlaf der Konsolidierung biologischen Gedächtnisses dient. Der Konsolidierungprozess wurde dabei als „Active Systems Consolidation“-Prozess konzeptualisiert. Schlaf bietet optimale Bedingungen für derartige aktive Konsolidierungsprozesse, weil im Schlaf die Verarbeitung von externen Stimuli, die die Konsolidierung stören würden, auf ein Minimum beschränkt bleibt. Von zentraler Bedeutung war die Annahme, dass die Gedächtnisbildung im Schlaf ein allgemeiner biologischer Prozess ist, der nicht nur die Gedächtnisbildung im neurobehavioralen System betrifft, sondern auch in anderen Information verarbeitenden Systemen, wie dem metabolischen System und dem Immunsystem. Darüberhinaus wurde angenommen, dass die Schlaf-bezogene Gedächtnisbildung in diesen Systemen teilweise durch vergleichbare Mechanismen gesteuert wird. Im Rahmen dieses Konzepts zeigte die Forschung des SFBs, dass Schlaf in der Tat die Konsolidierung von Gedächtnisinhalten in den drei interessierenden Systemen, d.h. im neurobehavioralen System, im metabolischen System und im Immunsystem, verstärkt. In verschiedenen Studien wurde gezeigt, dass Schlaf im neurobehavioralen System die Konsolidierung von vor dem Schlaf erlebten Episoden verstärkt und dass Schlaf in ähnlicher Weise im Immunsystem das Gedächtnis für vor dem Schlaf geimpfte Antigene verstärkt. Bezüglich des metabolischen Systems wurde gezeigt, dass Schlaf Setpoints der homöostatischen Regulation verschiedener Parameter dieses Systems, wie des Blutglucosespiegels und des Körpergewichts, stabilisiert. Diese metabolischen Setpoints sind dabei als die für die homöostatische Regulation dieser Parameter wesentlichen Gedächtnisinhalte anzusehen. Darüberhinaus klärte die Forschung des SFBs einige wichtige Mechanismen auf, die der Gedächtnisbildung im Schlaf zugrunde liegen. Dazu rekurrierte der SFB, der zunächst stark humanexperimentell ausgerichtet war, im Laufe der Zeit mehr und mehr auf Tierforschung. Die Studien zeigten u.a., dass das Deltaschlafstadium (Slow Wave Sleep) für die Gedächtnisbildung in den drei interessierenden Systemen sehr viel wichtiger ist als das REM-Schlafstadium (REM für „rapid eye movement“). Für die Konsolidierung episodischer Inhalte im neurobehavioralen System und von Antigen-Information im Immunsystem spielen die „Slow Oscillations“ sowie die Spindeln, die beide das EEG im Deltaschlaf dominieren, eine entscheidende Rolle. Und dieselben EEG-Oscillationen sind auch für den stabilisierenden Einfluss des Deltaschlafs auf Setpoints im metabolischen System verantwortlich. Ferner zeigte diese Forschung, dass die Gedächtnisbildung in den drei Systemen durch eine Hemmung der Freisetzung des Stresshormons Kortisol im Deltaschlaf befördert wird. Die Ergebnisse der Forschung des SFBs dienten als Basis, um die sogenannte „Active Systems Consolidation“-Theorie der Gedächtnisbildung im Schlaf zu entwickeln. Die Erstellung dieses Konzepts samt seiner empirischen Basis kann als die eigentliche Leistung des SFBs angesehen werden. Das Active Systems Consolidation-Konzept beschreibt die Gedächtnisbildung als eine allgemeine biologische Funktion des Schlafes und erklärt, wie im Schlaf neues Langzeitgedächtnis im neurobehavioralen System und im Immunsystem gebildet wird. Das Konzept bezieht sich nicht auf Gedächtnis-stabilisierende Effekte des Schlafs auf die (teils genetisch vorgegebenen) Setpoints im metabolischen System, sofern diese durch einen einfacheren, ebenfalls an Schlaf gekoppelten, passiven „synaptischen Renormalisierungsprozess“ erklärt werden können. Demgegenüber erfordert die Langzeitgedächtnisbildung für neue externale Ereignisse im Immun- und neurobehavioralen System – wie durch das Active Systems Consolidation-Konzept beschrieben – einen zweistufigen Gedächtnisprozess, bei dem die Information zunächst in ein als initialer Speicher fungierendes Zellnetzwerk enkodiert wird, um dann im Schlaf von dort allmählich in ein als Langzeitspeicher fungierendes Zellnetzwerk umverteilt zu werden. Die Active Systems Consolidation-Theorie ist das gegenwärtig meist diskutierte Konzept in diesem Forschungsfeld. Das Konzept gewinnt als „systemischer Ansatz“ zudem zunehmend an Bedeutung für die Erforschung immunologischer Gedächtnisbildung. Neben diesem Konzept hat die Forschung des SFBs zwei neue Technologien hervorgebracht, mit denen der Schlaf bzw. die Gedächtnisbildung im Schlaf gezielt verbessert werden können. Es wurde gezeigt, dass der Deltaschlaf direkt und selektiv durch eine sogenannte „auditorische Closed-loop Stimulation“ der dieses Schlafstadium charakterisierenden Slow Oscillations vertieft werden kann. Es wurde außerdem gezeigt, dass durch die sogenannte „Targeted Memory Reactivation“ während des Deltschlafes zuvor enkodierte Lerninhalte gezielt verstärkt werden können. Der Einsatz beider Methoden ist gegenwärtig in der Schlaf-und-Gedächtnisforschung stark verbreitet. Zudem befinden sich kommerziell erwerbliche Geräte in der Entwicklung, mit denen diese Techniken der Schlaf- und Gedächtnisverbesserung für die breite Öffentlichkeit nutzbar werden sollen. Insgesamt hat der SFBs mit dazu beigetragen, dass Deutschland eine Spitzenstellung im Bereich der Schlaf- und zunehmend auch im Bereich der Gedächtnisforschung einnimmt. Die Forschung des SFBs hat nicht nur dazu beigetragen, dass Bewusstsein für Bedeutung des Schlafs in der breiten Öffentlichkeit zu schärfen. Die Forschung dieses SFBs hat vielmehr auch wesentlich zur Entwicklung neuer Technologien beigetragen, mit denen Schlaf und seine kognitiven Ressourcen konsequent gesellschaftlich genutzt werden können.