Giulio Tononi entwickelte in Zusammenarbeit mit Chiara Cirelli (2020) die Synaptische Homöostase-Hypothese – synaptic homeostasis hypothesis (SHY) -, die besagt, dass der Tiefschlaf dazu notwendig ist, um ein Grundniveau synaptischer Verschaltung wiederherzustellen. Elektronenmikroskop-Aufnahmen aus dem Inneren des Gehirns von Mäusen zeigten, was in einem Gehirn jeden Tag passiert, dass nämlich die Synapsen, die Verbindungen zwischen Nervenzellen, während der Stimulation am Tag stark und groß wachsen, und dann um fast zwanzig Prozent schrumpfen, während die Tiere schlafen, sodass Platz für mehr Wachstum und Lernen am nächsten Tag geschaffen wird. Das Forscherteam sezierte dazu die Gehirne von Mäusen und verwendete dann ein Rasterelektronenmikroskop, um zwei Bereiche der Großhirnrinde zu fotografieren, zu rekonstruieren und zu analysieren. Das Team wusste dabei aber nicht, ob sie die Gehirnzellen einer ausgeruhten oder einer wachen Maus analysierten. Als man die Messungen mit der Schlafdauer der Mäuse in den sechs bis acht Stunden vor der Aufnahme korrelierte, stellte man fest, dass einige Stunden Schlaf im Durchschnitt zu einer Verringerung der Synapsengröße um achtzehn Prozent führten, wobei diese Veränderungen in beiden Bereichen der Großhirnrinde auftraten und proportional zur Größe der Synapsen waren. Auch in weiteren Studien wurde nachgewiesen, dass der Zweck des Schlafs also auch darin besteht, Synapsen zu verkleinern.
Die synaptische Homöostase-Hypothese geht also davon aus, dass Schlaf ein wesentlicher Prozess ist, den das Gehirn benötigt, um die Gesamtmenge der synaptischen Stärke unter Kontrolle zu halten. Die synaptische Homöostase-Hypothes sagt dabei voraus, dass am Ende eines Tages die synaptischen Verbindungen vieler neuronaler Schaltkreise eine Nettozunahme der synaptischen Stärke durch kontinuierliches Lernen erfahren, die hauptsächlich durch synaptische Potenzierung vermittelt wird. Stärkere Synapsen benötigen mehr Energie und Nachschub und neigen zur Sättigung, was die Notwendigkeit einer synaptischen Renormalisierung schafft.
Eine solche Renormalisierung sollte hauptsächlich während des Schlafes stattfinden, wenn das Gehirn von der Umwelt abgekoppelt ist und neurale Schaltkreise offline weitgehend reaktiviert werden können, um eine systematische, aber spezifische synaptische Abwärtsselektion zu durchlaufen. Würden sich diese Prozesse im Laufe der Zeit unbehindert fortsetzen, würden die Netze bald überlastet sein, sodass im Tiefschlaf – im Non-REM-Schlaf – es deshalb zu einer Art Gleichschaltung gewisser neuronaler Gruppen kommt, die sich durch langsamwellige Potentiale bemerkbar macht (Delta-Wellen), was dazu führt, dass die synaptischen Bindungstärken und auch die Synapsenanzahlen wieder abnehmen (synaptic downscaling). Nur die starken Synapsen blieben bestehen. Die dabei im Tiefschlaf bewirkte Synapsenrückbildung soll wegen der selektiven Reduktion wieder genug Energie und Raum für neue Lern- und Verarbeitungsvorgänge zur Verfügung stellen.
Suppermpool et al. (2024) konnten nun an einzelnen Neuronen im Schlaf-Wach-Zustand von Zebrafischlarven zeigen, dass Synapsen während der Wachphasen entweder spontan oder erzwungen hinzugewonnen werden und während des Schlafs in einer vom Neuronensubtyp abhängigen Weise verloren gehen. Der Synapsenverlust ist jedoch am größten während des Schlafes, der mit einem hohen Schlafdruck nach längerem Wachsein verbunden ist, und am geringsten in der zweiten Hälfte einer ungestörten Nacht. Umgekehrt reicht pharmakologisch induzierter Schlaf in Zeiten niedrigen Schlafdrucks nicht aus, um Synapsenverlust auszulösen, es sei denn, der Adenosinspiegel wird erhöht, während der noradrenerge Tonus gehemmt wird. Daraus lässt sich schließen, dass der schlafbedingte synaptische Verlust durch den Schlafdruck auf der Ebene des einzelnen Neurons reguliert wird und dass nicht alle Schlafperioden gleichermaßen in der Lage sind, die Funktionen der synaptischen Homöostase zu erfüllen.
Möglicherweise kann damit auch innerhalb der gegebenen Informationsfülle Wichtiges von Unwichtigem getrennt und herausgefiltert werden. Einige der tagsüber neu gebildeten Nervenverbindungen werden von der allgemeinen nächtlichen Schwächung allerdings ausgespart, wobei diese bleibenden neuen Verbindungen neue Gedächtnisinhalte repräsentierten, die nachts gerade dadurch verstärkt würden, dass andere weniger wichtige Verbindungen eines gemeinsamen Netzwerkes geschwächt werden. Laut synaptische Homöostase-Hypothes ist Schlaf also jener Preis, den man für die Plastizität im Wachzustand zahlen muss, um eine unkontrollierte Potenzierung, ein verringertes Signal-Rausch-Verhältnis und eine Beeinträchtigung des Lernens durch Sättigung zu vermeiden.
In einer Zeitschrift wird dieser Prozess übrigens so bezeichnet:
Im Schlaf werden Synapsen zerschnitten!
Und in einer anderen:
Platz für Neues schaffen: Im Schlaf drückt das Gehirn die „Löschen“-Taste!
Literatur
Suppermpool, Anya, Lyons, Declan G., Broom, Elizabeth & Rihel, Jason (2024). Sleep pressure modulates single-neuron synapse number in zebrafish. Nature, doi: 10.1038/s41586-024-07367-3.
Tononi, Giulio & Cirelli, Chiara (2020). Sleep and synaptic down-selection. European Journal of Neuroscience, 51, 413-421.