M9 Schlafarchitektur und zirkadiane Rhythmen

Thema

Die Schlafneigung resultiert laut Borbélys Zwei-Prozess-Modell aus dem Zusammenwirken zweier unterschiedlicher Prozesse: einem homöostatischen Druck, der im Wachzustand progressiv ansteigt und im Schlaf abfällt, und einem zentralen zirkadianen Oszillator, der vom Nucleus suprachiasmaticus generiert wird. Dieser wird hier mithilfe des Kuramoto-Phasenoszillatormodells formalisiert, das bereits in einem anderen Modell dieses Katalogs beschrieben wurde und dessen Phase mit dem Umgebungslichtsignal synchronisiert ist. Je höher der akkumulierte homöostatische Druck und je günstiger die Phase des zentralen zirkadianen Oszillators zu diesem Zeitpunkt ist, desto größer ist die resultierende Schlafneigung.

Diese Schlafneigung bestimmt im Laufe der Nacht den Verlauf der verschiedenen Schlafstadien – Wachzustand, Non-REM-Schlaf und REM-Schlaf – in einer Abfolge von Übergängen, die dem Muster einer Markov-Kette folgt: Die Wahrscheinlichkeit des Übergangs von einem Schlafstadium zum nächsten hängt ausschließlich vom aktuellen Schlafstadium ab, und eine stärkere Schlafneigung erhöht die Wahrscheinlichkeit für den Übergang in tiefere Schlafstadien.

Im Tiefschlaf, innerhalb dieser Abfolge von Stadien, tritt langsame elektrische Aktivität auf, deren Intensität direkt widerspiegelt, wie viel homöostatischer Druck sich während der vorangegangenen Wachphase aufgebaut hat: Je höher der homöostatische Druck, desto stärker die langsame Wellenaktivität im Tiefschlaf. Genau diese langsame Wellenaktivität baut den aufgebauten homöostatischen Druck allmählich ab und schließt so den Zyklus von Anstieg und Abfall desselben homöostatischen Drucks, mit dem diese Beschreibung begann.

Derselbe suprachiasmatische Kern, der den zentralen zirkadianen Rhythmus steuert, reguliert auch die Melatoninausschüttung. Die Melatoninausschüttung wird durch Lichteinwirkung direkt gehemmt: Je mehr Umgebungslicht eine Person erhält, desto weniger Melatonin lässt der suprachiasmatische Kern freisetzen.

Wenn der vom suprachiasmatischen Kern erzeugte zentrale zirkadiane Rhythmus nicht mehr mit der Umgebungszeit übereinstimmt, an die sich eine Person halten muss – beispielsweise nach einem Langstreckenflug über Zeitzonen hinweg oder nach einem abrupten Schichtwechsel –, wird diese Diskrepanz als Phasendifferenz zwischen dem zentralen zirkadianen Rhythmus und der erforderlichen Umgebungszeit quantifiziert. Je größer diese Phasendifferenz ist, desto stärker ist die Desynchronisation des Schlaf-Wach-Rhythmus mit der tatsächlichen Schlaf- bzw. Wachzeit. Es ist diese Neigung zum Schlafen, die den durch langsame Hirnwellenaktivität aufgebauten und abgebauten homöostatischen Druck mit dem zentralen zirkadianen Oszillator des Nucleus suprachiasmaticus kombiniert. Dieser synchronisiert sich mit dem Umgebungslicht und führt zur Melatoninausschüttung. Dadurch wird bestimmt, wann und wie lange ein Mensch schläft. Diese Neigung gerät aus dem Takt mit dem benötigten Schlaf, wenn die Phasendifferenz zwischen den beiden Oszillatoren zu groß wird.

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