Es ist noch früh am Morgen, als wir das Schlaflabor betreten. Draußen dämmert es erst, und hier drin ist es nicht viel heller. Die Beleuchtung liefert kaum 100 Lux – keine Chance, damit die Müdigkeit zu vertreiben. Gleich werden wir unsere Probandin wecken, deren Hirnströme wir während der Nacht per EEG aufgezeichnet haben. Sarah S.* durfte nun die fünfte Nacht in Folge nur fünf Stunden schlafen. Müde ist sie und nicht sonderlich gesprächig. Bevor sie aufsteht, legen wir ihr noch einen venösen Zugang für die Blutabnahme. Ein Becher Zuckerlösung ist heute ihr Frühstück.

Dann berichtet Sarah uns, wie sie ihren Schlaf selbst empfunden hat. »Das Einschlafen am Abend ging nach den vier kurzen Nächten ganz schnell«, erzählt sie. »Aber danach weiß ich bis zum Wecken eigentlich gar nichts mehr. Ich glaube, ich bin kein einziges Mal aufgewacht.« Die Studentin nimmt an unserer Schlaflaborstudie im :envihab (nach englisch: environmental habitat) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Köln teil. Zusammen mit dem Forschungszentrum Jülich untersuchen wir dort die direkten Auswirkungen von chronischem Schlafmangel.

Sarah spürt die typischen Anzeichen eines erhöhten Schlafdrucks. Am liebsten würde sie sich jetzt wieder hinlegen und weiterschlafen. Auch ihre Laune war schon einmal besser, wie die Kreuze auf dem Stimmungsfragebogen belegen. Die Auswertung der Hirnströme zeigt uns, dass die ersten vier kurzen Nächte Sarahs Schlaf verändert haben. Der Anteil des Tiefschlafs (im EEG an langsamen Deltawellen erkennbar) hat zugenommen – fast so, als wolle das Gehirn die geringe Dauer der Nachtruhe kompensieren. Aber wie erkennt es Schlafmangel überhaupt: Führen bestimmte Hirnregionen etwa eine Art Logbuch über den Schlaf? Und warum fühlen sich etliche Versuchspersonen bereits nach ein oder zwei kurzen Nächten müde und unkonzentriert, während andere selbst nach einem vollständigen Schlafentzug von mehreren Tagen geistig kaum abbauen?

Solche Fragen zu beantworten, gestaltet sich keineswegs einfach. Trotz jahrzehntelanger Forschung ist noch nicht einmal ganz klar, warum der Mensch überhaupt unbedingt schlafen muss. Zwar existieren inzwischen zahlreiche Untersuchungen, die wichtige Funktionen des Schlafs bei Erholungs-, Reparatur- sowie Lern- und Gedächtnisvorgängen nahelegen. Dennoch konnte keine der vielen Theorien bisher wirklich befriedigend alle Beobachtungen bei Schlafmangel erklären.

Schon in den 1980er Jahren schlugen Alexander A. Borbély an der Universität Zürich und Serge Daan an der Universität Groningen vor, dass der regelmäßige Wechsel von Schlafen und Wachen beim Menschen durch zwei interagierende neuronale Mechanismen reguliert wird. Laut dem Zwei-Prozess-Modell wächst mit zunehmender Wachdauer der Schlafdruck immer mehr, um im Schlaf wiederum ebenso rapide abzufallen. Damit der Mensch aber im Tagesverlauf nicht zu schnell müde wird, kommt ein zweiter Prozess ins Spiel. Die wichtigste »innere Uhr« im Gehirn – der Nucleus suprachiasmaticus – beeinflusst die Wachheitssignale, die dem ansteigenden Schlafdruck zunächst entgegenwirken. Erst am späten Nachmittag wird dieser Weckruf immer leiser, so dass wir schließlich ein- und im Idealfall auch durchschlafen können.

Morgens, kurz nach dem Aufstehen, ist dann allerdings kaum jemand sofort geistig hellwach. Etwa 90 Minuten braucht man, bis die volle kognitive Leistungsfähigkeit nach dem Schlaf wiederhergestellt ist – das ist die Phase der so genannten Schlafträgheit. Sarah bekommt von uns zwei Stunden Zeit zum Wachwerden, darauf absolviert sie alle drei Stunden eine ganze Reihe von Aufgaben: Für einen Test des Arbeitsgedächtnisses etwa muss sie unter Zeitdruck entscheiden, ob bei einer dreiminütigen Abfolge von Buchstaben einer davon jenem entspricht, den sie drei Bildschirmanzeigen zuvor schon gesehen hat.

In den ersten Tagen des Schlafmangels stufte sich Sarah bereits selbst als ziemlich müde und unkonzentriert ein. Mittlerweile nimmt sie gar nicht mehr wahr, dass ihre Wachheit und kognitive Leistungsfähigkeit mit jedem Tag noch weiter sinken. Nur während unserer monotonen Tests bemerkt sie, dass ihr Gehirn zwischendrin unwillkürlich immer wieder irgendwie abschaltet.

Diese Ausfälle in der Aufmerksamkeit erfassen wir quantitativ mit dem Psychomotorischen Vigilanztest (PVT). Es handelt sich um eine einfache Reaktionsprüfung, bei der der Proband einen Knopf drücken muss, sobald eine Stoppuhr auf dem Bildschirm erscheint. Wir messen so die Reaktionszeit, aber auch, wie oft die Versuchsperson überhaupt nicht reagiert. Trotz seiner für einen Aufmerksamkeitstest recht kurzen Dauer von zehn Minuten hat sich der PVT in den letzten Jahrzehnten als sehr empfindliches und von der subjektiven Einschätzung der Müdigkeit unabhängiges Messinstrument für Leistungsdefizite durch Schlafmangel erwiesen.

Mindestens sieben Stunden Nachtruhe, bitte!

Es zeigt sich: Gute mentale Leistung erfordert ausreichenden Schlaf von guter Qualität. Letztere bemisst sich hauptsächlich nach der Länge des Tiefschlafs, die wir im Alltag freilich nicht kennen. Doch welche Schlafdauer reicht in der Regel aus, um langfristig körperlich und geistig gesund zu bleiben? Die American Academy of Sleep Medicine und die Sleep Research Society empfehlen seit 2016 ein Minimum von sieben Stunden. Wer regelmäßig weniger schläft, erkrankt laut den Daten einer großen US-amerikanischen Gesundheitserhebung eher an Depression oder Diabetes, leidet an Übergewicht oder Bluthochdruck.

Den ursächlichen Zusammenhang untersuchten Forscher in Laborstudien, indem sie die Schlafdauer ihrer Versuchspersonen experimentell variierten. So verändert Schlafmangel beispielsweise die Blutzuckerregulation: Die Glukosetoleranz und die Empfindlichkeit für Insulin sinken – beides gilt als Vorbote eines Diabetes Typ 2. Auch bei Sarah blieb der Blutzuckerspiegel nach dem Trinken der Zuckerlösung heute schon länger leicht erhöht als noch vor wenigen Tagen. Andere Studien lassen darauf schließen, dass Schlafmangel die hormonelle Sättigungsregulation durcheinanderbringt. Zudem dämpft er das Immunsystem. So verpasste etwa ein Team um den kalifornischen Neuroimmunologen Aric Prather seinen Versuchsteilnehmern per Spray eine Dosis Rhinoviren. Das 2015 viel beachtete Ergebnis: Wer in den vorangegangenen zwei Wochen jede Nacht weniger als sechs Stunden geschlafen hatte, bekam im Vergleich zu den anderen viermal so häufig einen Schnupfen.

Zu kurzer Schlaf birgt aber nicht nur gesundheitliche Risiken. Schon nach kurzer Zeit beginnt der Mensch, Fehler zu machen. Die Ursachen sind Konzentrations- und Gedächtnisstörungen, verlangsamte Reaktionszeiten, kurze Ausfälle in Wahrnehmung und Aufmerksamkeit oder gar Mikroschlaf-Episoden. Diese beruhen vermutlich zum Teil darauf, dass verschiedene neuronale Netzwerke schlechter zusammenarbeiten.

Durch Müdigkeit bedingte Fehlentscheidungen können fatale Folgen haben. Berühmte Beispiele sind der Reaktorunfall im Kernkraftwerk Three Mile Island in Pennsylvania sowie die Havarie des Öltankers Exxon Valdez vor Alaska. Bei beiden machten die Untersuchungskommissionen den Schlafmangel verantwortlicher Personen als eine der Ursachen aus. Aber auch die Gefahr von weniger spektakulären Unfällen bei der Arbeit oder im Straßenverkehr erhöht sich drastisch.

Unterschätzter Leistungsverlust

In früheren Untersuchungen hat unser Team am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt bereits beobachtet, dass nur vier Nächte mit auf fünf Stunden begrenztem Schlaf zu nicht tolerierbaren Leistungseinbußen führen. Unsere Versuchspersonen waren, was etwa ihre Aufmerksamkeit und ihre Hand-Auge-Koordination betraf, noch etwa so leistungsfähig wie mit einem Alkoholgehalt im Blut von 0,6 Promille! Hinzu kommt: Bei chronischem Schlafmangel empfinden sich die Probanden selbst als geistig fitter und wacher, als sie tatsächlich sind. Das heißt, ähnlich wie Sarah unterschätzen die meisten ihren Leistungsverlust.

Die Gründe für unzureichenden Schlaf in der Allgemeinbevölkerung sind vielfältig. Fernreisen über mehrere Zeitzonen führen zum allseits bekannten Jetlag. Auch Schicht- und Nachtarbeiter, zu denen ungefähr 16 Prozent der deutschen Erwerbstätigen und 15 Prozent der Angestellten in den USA zählen, laufen eher Gefahr, müdigkeitsbedingte Fehler zu machen. Denn entgegen dem zirkadianen Rhythmus schlafen zu müssen, verkürzt den Schlaf meist nicht nur, sondern verschlechtert auch seine Qualität. Fehlen dann noch ausreichende Erholungsphasen, in denen das Versäumte nachgeholt werden kann, steigt das Risiko weiter. Ein großer Prozentsatz in diesen Berufsgruppen klagt über gestörten Schlaf und versucht den Folgen durch eine »Selbsttherapie« mit Koffein, Nikotin oder Alkohol beizukommen.

Aber auch andere Bevölkerungsgruppen leiden unter chronischem Schlafentzug. Oft liegt es an unserem Lebensstil: Schließlich wollen wir rund um die Uhr einkaufen und fernsehen können oder nachts endlich einmal das tun, wozu wir tagsüber nicht kommen – etwa am Computer mit Freunden chatten oder stundenlang zocken. Zudem dehnt sich das Tagwerk durch Heimarbeit gern in die Nachtstunden aus, wenn entsprechender Druck herrscht. Till Roenneberg von der Ludwig-Maximilians-Universität München und seine Mitarbeiter analysierten aktuelle Daten von 65 000 Europäern. Demnach beträgt die durchschnittliche Schlafzeit bei 40- bis 55-Jährigen an Werktagen regelmäßig etwas unter sieben Stunden. Dass dies dem Körper zu wenig ist, zeigen die Ergebnisse vom Wochenende, an dem sich die Schlafdauer derselben Gruppe um eine Stunde verlängert. Einzig bei Vorschulkindern und Rentnern fehlt diese Verschiebung. Da das Phänomen auf der schlechten Passung des biologischen Schlafrhythmus mit den gesellschaftlich üblichen Schlaf-wach-Zeiten beruht, sprechen Forscher auch von einem »sozialen Jetlag«.

Was geschieht nun genau im übermüdeten Gehirn? Die zellulären Grundlagen für den Schlafdruck, den Sarah spürt, sind noch nicht im Detail geklärt. Einen Ansatz liefert die »Schlaffaktor-Theorie«. Ihr zufolge akkumulieren eine oder mehrere Substanzen im Gehirn während der Wachphase und leiten nach Überschreiten eines Schwellenwerts den Schlaf ein. Schon vor mehr als 100 Jahren gab es die ersten Hinweise auf ein »Schlafgift«, das sich anhäuft und zur Ermüdung führt. Damals entnahm man Hunden nach längerem Schlafentzug Hirnflüssigkeit und injizierte sie bei ausgeruhten Tieren wieder in den Liquorraum: Letztere schliefen sofort ein.

Diese geheimnisvolle Substanz muss zum einen die neuronale Aktivität hemmen, zum anderen soll ihre Konzentration während der Wachperiode ansteigen und während des Schlafs abfallen. Es liegt daher nahe, an einen Stoff zu denken, der tagsüber im Zuge neuronaler Aktivität vermehrt gebildet wird. Ein viel versprechender Kandidat ist Adenosin, eine organische Base mit einem Zuckeranteil. Die Energieversorgung des Gehirns geschieht hauptsächlich über die konstante Zufuhr von Glukose. Bei ihrer Verbrennung entsteht Adenosintriphosphat (ATP), der zentrale und universale Energielieferant für zelluläre Prozesse. Wenn Nervenzellen aktiv sind, verbrauchen sie ATP; übrig bleibt Adenosin, dessen Menge mit der Zeit ansteigt. Der Neuromodulator bindet unter anderem an verschiedene Typen von Adenosinrezeptoren. Der häufigste Rezeptortyp heißt A₁ – sobald Adenosin dort andockt, kommt eine Signalkette in Gang, welche die Erregbarkeit der Neurone drosselt. Diese negative Rückkopplung schützt Nervenzellen also zugleich vor übermäßigem Energieverbrauch.

Vom Tierversuch zum Menschen

In der Tat konnte der Schlaf- und Schizophrenieexperte Robert McCarley (1937–2017) zusammen mit seinen Teams an der Harvard Medical School bereits vor etlichen Jahren Adenosin als eine zentrale, sich während Schlafentzug im Gehirn lokal akkumulierende Substanz identifizieren – zumindest im Tierversuch. Bei Katzen etwa stieg schon nach sechsstündigem Wachsein die Konzentration von Adenosin im basalen Vorderhirn sowie im Kortex und sank dann wieder auf das Ausgangsniveau, als die Tiere schlafen durften. Auch bei Ratten und Mäusen übertraf die Adenosinkonzentration in verschiedenen Hirnregionen im Wachzustand die während des Schlafs um 20 Prozent und nach einigen Stunden Schlafentzug um zirka 40 Prozent.

Die untersuchten Tiere sind aber im Gegensatz zu uns nachtaktiv und zudem polyphasische Schläfer, das heißt, sie schlafen über den gesamten Tag verteilt immer wieder. Wie verhält es sich also beim Menschen? Um dort das Adenosinsystem zu erforschen, nutzen wir die so genannte Positronenemissionstomografie (PET).

Inzwischen ist es 10.30 Uhr. Die Spannung wächst. Acht Tage lang haben wir Sarah auf die heutige Messung vorbereitet. Speziell dafür wird im Forschungszentrum Jülich seit dem frühen Morgen ein radioaktiv markierter »Ligand« hergestellt, ein Stoff, der sich an die freien Adenosinrezeptoren im Gehirn anheftet und diese dadurch im Hirnscanner mittels Positronenemissionstomografie sichtbar macht. Hoffentlich war die Synthese erfolgreich und es gibt keinen Stau auf der Autobahn, so dass der Transport rechtzeitig bei uns ankommt. Um 11 Uhr Erleichterung – alles hat nach Plan funktioniert. Sarah wird jetzt für zwei Stunden möglichst ruhig im Scanner liegen und in dieser Zeit noch einige kognitive Tests absolvieren. Nichtstun ist für sie am schwierigsten, dann werden die Augenlider schwer. Schlafen darf sie aber noch nicht.

Wie gern würde Sarah jetzt einen guten Kaffee trinken! Laut einer Reihe von Statistiken über Konsumgewohnheiten und Analysen zum Koffeingehalt von Getränken nehmen die Deutschen im Durchschnitt täglich 300 Milligramm Koffein zu sich. In anderen Ländern wie den Niederlanden können es auch schon mal 400 Milligramm sein. Doch auf den Wachmacher muss Sarah über die gesamte zwölftägige Versuchsdauer verzichten. Schon vor einiger Zeit ließen Tierversuche darauf schließen, dass Koffein neuronal stimulierend wirkt, weil es Adenosin vom Adenosinrezeptor verdrängt. In einer Studie von 2012 an 15 Versuchspersonen untersuchten wir die Koffeinwirkung genauer: Auch beim Menschen werden Adenosinrezeptoren blockiert. Ist ungefähr die Hälfte der Rezeptoren mit Koffein besetzt, befinden wir uns in einem Dosisbereich mit guter Wirkung und geringen Nebenwirkungen. So »titrieren« wir uns per Koffeinselbstmedikation im Lauf des Tages an eine effektive Dosis heran. Bei einer 70 Kilogramm schweren Person waren dies in unseren Versuchen etwa 450 Milligramm, was rund vier Tassen Kaffee entspricht. Umgekehrt ist Alkohol als Einschlafhilfe weit verbreitet. Und tatsächlich fördert dieser nicht nur die Bildung von Adenosin, sondern hemmt auch dessen (Ab-)Transport und verstärkt so die Wirkung.

Muss das so kompliziert sein? Ja.

Der Einfluss von Adenosin auf die neuronale Aktivität ist komplex. Denn die Rezeptorsubtypen A₁, A_2a, A_2b und A₃ sind im Gehirn unterschiedlich verteilt und jeweils Bestandteil verschiedener Signalketten mit zum Teil gegensätzlichen Effekten: Manche aktivieren, andere hemmen die Neurone vor Ort. Somit hängt die Wirkung des Adenosins von seiner (örtlich unterschiedlichen) Konzentration ab sowie von der regionalen Verteilung der einzelnen Rezeptorsubtypen. Außerdem reagieren nicht alle Nervenzellen gleich auf ein und denselben aktivierten Rezeptorsubtyp. Um die neuronale Erregbarkeit zu justieren, musste das Gehirn also offenbar äußerst komplizierte Regelkreise entwickeln.

Dennoch haben wir bereits einige grundlegende Erkenntnisse über das Adenosinsystem gewonnen. So lassen unsere eigenen aktuellen Ergebnisse mit radioaktiven Liganden darauf schließen, dass sich beim Menschen die Menge an verfügbaren A₁-Rezeptoren schon nach 28 Stunden Schlafentzug deutlich erhöht. Sie stieg nach 28 Stunden um zirka zehn Prozent, und der Trend scheint sich nach 52 Stunden Schlafentzug noch fortzusetzen. Vermutlich werden unter diesen Bedingungen mehr Adenosin-A₁-Rezeptoren bereitgestellt, was die Wirkung von Adenosin und somit den Schlafdruck wiederum verstärken würde.

Nicht alle Menschen sind jedoch durch Schlafmangel gleichermaßen beeinträchtigt, wie unter anderem Forscher von der University of Pennsylvania beobachtet haben: Rund ein Drittel der Probanden zeigt teilweise sogar nach mehrtägigem Schlafentzug nur minimale kognitive Einschränkungen bei Aufmerksamkeitsaufgaben. Diese Fähigkeit ist stabil, wiederholt messbar und scheint laut Zwillingsstudien erblich bedingt zu sein. Ein weiteres Drittel reagiert dagegen besonders empfindlich. Solche Menschen sollten Schlafmangel unbedingt vermeiden, vor allem wenn sie in einem Beruf arbeiten, der konstante Aufmerksamkeit in reizarmer Umgebung verlangt. Laut unseren Beobachtungen könnten die individuellen Unterschiede zumindest zum Teil im Adenosinsystem wurzeln. So fanden wir ausgerechnet bei den kaum beeinträchtigten Personen nach dem Schlafentzug besonders viele nicht durch Adenosin belegte Adenosinrezeptoren, an die unser Radioligand binden konnte. Wir vermuten daher, dass zwar auch diese Menschen bei Schlafmangel mehr Rezeptoren herstellen, sie jedoch weniger Adenosin produzieren als empfindliche Probanden.

Mittlerweile ist es 22.55 Uhr. Sarah wird von uns ins Bett gebracht. In ihre Haare mischen sich bunte Kabel, die zu Elektroden auf ihrer Kopfhaut führen, mit denen wir auch heute ihren Schlaf aufzeichnen. Nach den fünf kurzen Nächten darf sie nun ab Punkt 23 Uhr acht Stunden schlafen. Wir sind gespannt, wie schnell sich ihr Gehirn regeneriert. Gute Nacht, Sarah!

* Name geändert