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Synaptische Homöostase-Hypothese


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. 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.

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.

Literatur

Tononi, Giulio & Cirelli, Chiara (2020). Sleep and synaptic down-selection. European Journal of Neuroscience, 51, 413-421.


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