Schlafstadien und Schlafmessung

Auf einen Blick

Eine Schlafnacht lässt sich als Abfolge von Wachheit, drei NREM-Stadien und REM-Schlaf beschreiben. Die Bezeichnungen lauten W, N1, N2, N3 und R. Für die Einordnung werden elektrische Signale von Kopfhaut, Augenregion und Kinn zusammen betrachtet. Jeder Abschnitt erhält im standardisierten Scoring eine Stadienzuordnung. Aus der zeitlichen Folge entsteht das Hypnogramm. [4]

Polysomnographie: mehrere Körperfunktionen auf einer Zeitachse

Die Polysomnographie (Mehrkanal-Schlafuntersuchung) zeichnet gleichzeitig verschiedene Körperfunktionen auf. Elektroden an der Kopfhaut erfassen das Elektroenzephalogramm, Sensoren am Gesicht Augenbewegungen und Muskelaktivität. Weitere Messungen betreffen Herzschlag, Atmung, Sauerstoffsättigung und Bewegungen. Die gemeinsame Zeitachse macht Zusammenhänge sichtbar: etwa ein Atemereignis, eine Veränderung der Sauerstoffsättigung und eine anschließende Aktivierung. Welche Signale benötigt werden, richtet sich nach der Fragestellung der Untersuchung. [2]

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Elektroenzephalographie: elektrische Potenziale an der Kopfhaut

Bei der Elektroenzephalographie (EEG; Ableitung elektrischer Hirnaktivität) werden Spannungsunterschiede zwischen Elektroden aufgezeichnet. Das Signal enthält Beiträge räumlich verteilter neuronaler Stromquellen. Lage der Elektroden und gewählte Referenz beeinflussen, wie die Kurve aussieht. In der Schlafmessung gehören Ableitungen über frontalen, zentralen und okzipitalen Kopfregionen zum üblichen Aufbau. Aus Amplitude, Frequenz und zeitlichem Muster ergeben sich Merkmale für die Stadieneinteilung. [3]

Wie örtliche Aktivität und Kopfhautmessung zusammenhängen, lässt sich mit intrakraniellen Ableitungen untersuchen. Mak-McCully und Mitarbeitende analysierten 2015 Aufzeichnungen von neun Menschen mit medikamentenresistenter Epilepsie. Für die Untersuchung wurden 55 bipolare Kontaktpaare ausgewählt. Nahe beieinanderliegende Kontakte ermöglichten einen örtlicheren Blick auf die Großhirnrinde. Die Lage der Kontakte war durch die klinische Untersuchung bestimmt; die Auswertung bezog sich auf ausgewählte, von epileptischer Aktivität freie Bereiche. [8]

Elektrookulographie: die Bewegung der Augen erfassen

Die Elektrookulographie (EOG; elektrische Erfassung von Augenbewegungen) ergänzt das EEG. Elektroden liegen seitlich an den äußeren Augenwinkeln, mit einem gegensinnigen Höhenversatz. So lassen sich unterschiedliche Bewegungsrichtungen im Signal erkennen. Schnelle Augenbewegungen sind ein charakteristisches Merkmal des REM-Schlafs. Bei der Zuordnung werden EOG, EEG und Muskelaktivität gemeinsam betrachtet. [3]

Kinn-EMG: Muskelaktivität als weiteres Schlafsignal

Die Elektromyographie (EMG; Ableitung elektrischer Muskelaktivität) erfasst am Kinn den Aktivitätsverlauf der Muskulatur. Mentale und submentale Elektroden liegen an der Vorderseite beziehungsweise unterhalb des Kinns. Veränderungen des Grundtonus und kurze Muskelaktivierungen ergänzen das Bild aus EEG und Augenbewegungen. Diese Kombination hilft, unterschiedliche Schlafzustände und Übergänge zu erkennen. [3]

Epochen und Hypnogramm: aus Signalen wird ein Verlauf

Beim standardisierten Scoring wird die Aufzeichnung in Epochen von 30 Sekunden unterteilt. Für jede Epoche wird anhand der Signale ein Stadium festgelegt. Das Hypnogramm ordnet diese Zuordnungen auf einer Zeitachse an. W steht für Wachheit, N1 bis N3 für die NREM-Stadien und R für REM-Schlaf. Ein Wechsel der Höhe markiert den Übergang zu einer anderen Zuordnung. Die zugrunde liegenden Messkurven zeigen, welche Veränderungen zu dieser Entscheidung geführt haben. [4]

N1: der Übergang vom Wachsein zum Schlaf

N1 ist das erste NREM-Stadium und kennzeichnet den Übergang in den Schlaf. In dieser Phase ist eine Person vergleichsweise leicht weckbar. Die Stadienzuordnung stützt sich auf die aufgezeichneten Signale; der Übergang kann im subjektiven Erleben fließend erscheinen. Im Verlauf einer Nacht kann N1 auch bei erneuten Übergängen nach einer Wachphase vorkommen. [1]

N2 und Schlafspindeln: kurze rhythmische Aktivitätszüge

Schlafspindeln sind begrenzte, an- und abschwellende Oszillationen im EEG. Sie gehören zu den charakteristischen Mustern des NREM-Schlafs und treten im Stadium N2 deutlich hervor. Ihre Form erinnert an eine Spindel: Die Schwingungen werden zunächst größer und anschließend wieder kleiner. Die rhythmische Aktivität hängt mit dem Zusammenspiel thalamischer und kortikaler Netzwerke zusammen. [6]

Andrillon und Mitarbeitende untersuchten 2011 intrakranielle EEG-Signale und einzelne neuronale Entladungen bei 13 Menschen mit medikamentenresistenter Epilepsie im Alter von 19 bis 52 Jahren. Viele Spindeln waren auf bestimmte aufgezeichnete Gehirnregionen begrenzt. Schnellere centroparietale und langsamere frontale Spindeln unterschieden sich in Ort und zeitlicher Beziehung. Auch innerhalb einer einzelnen Spindel konnte sich die Frequenz verändern. Diese Befunde zeigen eine räumlich und zeitlich gegliederte Aktivität während des NREM-Schlafs. [6]

Der K-Komplex: ein markantes Einzelereignis im EEG

Ein K-Komplex ist eine auffällige, mehrphasige Wellenform, die besonders im Stadium N2 auftritt. Er kann spontan entstehen oder auf einen schwachen Sinnesreiz folgen. In der Kopfhautaufzeichnung ist häufig eine große negative Auslenkung mit anschließender positiver Komponente erkennbar. Lage und Bezug der Elektroden beeinflussen die dargestellte Polarität. [7]

Cash und Mitarbeitende zeichneten 2009 typische K-Komplexe bei acht Menschen während einer Epilepsieabklärung auf. In Teilgruppen erfassten Mikroelektroden zusätzlich Schichtströme und neuronale Entladungen. Während der großen langsamen Komponente nahm die gemessene Entladungsaktivität ab. Die Forschenden beschrieben dies als kortikalen Down-State, eine vorübergehende Phase stark verminderter Netzwerkaktivität. Die genaue räumliche Beteiligung und die zugrunde liegenden Ströme werden mit unterschiedlichen Ableitungsverfahren untersucht. [7]

Lokale Ereignisse innerhalb eines gemeinsamen Schlafstadiums

Die Stadienzuordnung fasst einen Zeitabschnitt der Aufzeichnung zusammen. Innerhalb dieses Abschnitts können sich einzelne Regionen unterschiedlich verhalten. In der Untersuchung von Mak-McCully und Mitarbeitenden fanden sich örtlich erzeugte K-Komplexe in allen untersuchten Rindenregionen. Die räumliche Ausdehnung variierte zwischen Ereignissen. Auch die zeitliche Reihenfolge zwischen beteiligten Orten wechselte. Für das Verständnis einer EEG-Kurve sind daher Messort, räumliche Auflösung und Art der Ableitung bedeutsam. [8]

N3: langsame Wellen im Tiefschlaf

N3 wird als Tiefschlaf beziehungsweise Slow-Wave-Schlaf bezeichnet. Namensgebend sind ausgeprägte langsame Wellen in der Messung der Hirnaktivität. Dieser Anteil ist meist in den frühen Abschnitten einer Nacht stärker vertreten. Mit dem Lebensalter verändert sich seine Verteilung: Viel langsamer Schlaf findet sich in der frühen Kindheit, anschließend nimmt sein Umfang über Jugend und Erwachsenenalter ab. Die Beschreibung einer einzelnen Nacht berücksichtigt deshalb auch Alter und zeitlichen Verlauf. [1]

REM-Schlaf: schnelle Augenbewegungen und veränderter Muskeltonus

REM steht für Rapid Eye Movement, also schnelle Augenbewegungen. Das EEG zeigt in diesem Zustand überwiegend kleinere Amplituden und raschere Aktivität. Der Tonus vieler Skelettmuskeln ist deutlich herabgesetzt. Im Hirnstamm beteiligen sich pontine und medulläre Netzwerke an dieser motorischen Hemmung. Augenbewegungen, elektrische Hirnaktivität und Kinnmuskeltonus bilden zusammen das charakteristische Messbild. [5]

Wie sich die Stadien über eine Nacht verteilen

NREM- und REM-Abschnitte wechseln im Verlauf der Nacht. Früher dominiert meist mehr Tiefschlaf, später werden REM-Abschnitte umfangreicher. Die Dauer und Zusammensetzung einzelner Zyklen variieren. Im Hypnogramm wird dadurch sichtbar, an welcher Stelle einer Nacht ein bestimmter Abschnitt lag und welche Übergänge folgten. Kurze Wachphasen können zwischen Schlafabschnitten auftreten. [1]

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Die beteiligten Netzwerke in Hypothalamus, Hirnstamm und Vorderhirn

Schlaf und Wachheit entstehen im Zusammenwirken mehrerer Regionen. Zur Area preoptica (präoptischen Region) des Hypothalamus gehören schlafaktive Zellgruppen, die wachheitsfördernde Netzwerke hemmen. Im basalen Vorderhirn wirken cholinerge, GABAerge und glutamaterge Populationen auf kortikale Aktivität. Der Truncus encephali (Hirnstamm) enthält weitere beteiligte Kerne. Ihre Verbindungen reichen zu Thalamus (Sehhügel), Cortex cerebri (Großhirnrinde) und hypothalamischen Regionen. Die unterschiedlichen Zellgruppen zeigen jeweils eigene Aktivitätsmuster. [5]

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Botenstoffe verändern die Erregbarkeit der Netzwerke

Der Locus coeruleus (blauer Kern) in der Pons (Brücke) liefert Noradrenalin an zahlreiche Zielgebiete. Einzelzellableitungen in Tierexperimenten zeigen eine mit Wachheit und bedeutsamen Reizen verbundene Aktivität; im REM-Schlaf ist sie stark vermindert. Cholinerge Neurone verschiedener Regionen können während Wachheit und REM-Schlaf aktiv sein. Botenstoff, Ursprungsregion und Zellpopulation bestimmen gemeinsam die Wirkung auf das Netzwerk. [5]

Die räumliche Lage und die Signalübertragung sind im Kapitel Locus coeruleus: Noradrenalin und Aufmerksamkeit ausführlich dargestellt. Die Zellstoffwechsel-Seite zu Adenosin vertieft den Zusammenhang zwischen vorausgehender Wachheit und Schlafregulation. Zur zeitlichen Abstimmung führt das Kapitel über den Nucleus suprachiasmaticus, die innere Uhr im Hypothalamus.

Träumen wird über Berichte nach dem Wecken untersucht

Traumberichte lassen sich nach Weckungen aus REM- und NREM-Schlaf erheben. Siclari und Mitarbeitende kombinierten 2017 wiederholte Weckungen mit hochauflösendem EEG. In einem Experiment wurden 233 auswertbare Weckungen bei 32 ausgewählten Personen untersucht. In einem weiteren Experiment lieferten sieben trainierte Personen 815 auswertbare Weckungen. Nach dem Wecken berichteten die Teilnehmenden, ob sie zuvor Erleben gehabt hatten und woran sie sich erinnerten. Bestimmte EEG-Merkmale in hinteren kortikalen Regionen standen mit diesen Berichten in Zusammenhang. Die zeitnahe Befragung verknüpft dadurch ein subjektives Erlebnis mit der unmittelbar vorausgehenden Messung. [9]

Wie Schlafstadien und Gedächtnis experimentell verbunden werden

Um die Beteiligung eines Schlafprozesses zu untersuchen, können Forschende eine bestimmte Aktivität gezielt verändern und anschließend Gedächtnisleistungen prüfen. Boyce und Mitarbeitende hemmten 2016 bei Mäusen während des REM-Schlafs GABAerge Neurone im medialen Septum. Dadurch wurde hippocampale Theta-Aktivität vermindert. Bei späteren Tests zeigten sich Veränderungen in räumlichen und kontextabhängigen Gedächtnisaufgaben. Entscheidend für die Interpretation sind Tierart, Eingriffsregion, Zeitpunkt und jeweilige Aufgabe. Das Experiment verbindet eine definierte neuronale Manipulation mit konkreten Verhaltensmessungen. [12]

Weitere Formen von Stabilisierung, Reaktivierung und erneutem Abruf behandelt Gedächtnis und Konsolidierung. Dort lassen sich zelluläre Veränderungen und die Zusammenarbeit größerer Netzwerke im Zusammenhang verfolgen.

Scoring: wie zuverlässig stimmen Auswertende überein?

Bei der Stadienzuordnung werden charakteristische Signalmerkmale nach festgelegten Regeln gewichtet. Besonders Übergänge verbinden Merkmale verschiedener Zustände. Rosenberg und Van Hout werteten 2013 das AASM-Programm zur Übereinstimmung zwischen Auswertenden aus: Mehr als 2.500 Personen gaben über 3,2 Millionen Entscheidungen zu 1.800 Epochen ab. Die mittlere Übereinstimmung mit der jeweiligen Mehrheitsentscheidung betrug 82,6 Prozent. Die Bezugsgröße war damit das Mehrheitsurteil über dieselben Signale. Für die Bewertung eines Ergebnisses gehören die verwendeten Regeln, die Qualität der Aufzeichnung und der gewählte Vergleichsmaßstab zusammen. [10]

Schlaftracker: die verwendeten Messsignale bestimmen die Schätzung

Bei vielen Alltagstrackern fließen Bewegung und körpernahe Sensorsignale in eine algorithmische Schätzung ein. Chinoy und Mitarbeitende verglichen 2021 sieben damalige Geräte mit Polysomnographie: 34 gesunde Erwachsene von 18 bis 35 Jahren verbrachten drei Nächte im Labor; je Person wurde eine Teilmenge der Geräte geprüft. Schlaf und Wachheit sowie einzelne Schlafstadien wurden getrennt verglichen. Die Stadienerkennung war weniger beständig als die Schlaf-Wach-Erkennung. Für die Einordnung eines Geräts sind Modell, Softwarestand, untersuchte Personengruppe und Vergleichsmethode maßgeblich. [11]

Kennzahlen eines Schlafbefunds

Die gemeinsame Zeitbasis erlaubt mehrere, unterschiedlich definierte Kennzahlen. Ihr Bezug wird besonders deutlich, wenn Bettzeit und tatsächlich als Schlaf zugeordnete Zeit getrennt ausgewiesen werden. [11]

• Bettzeit: betrachteter Zeitraum zwischen dem Beginn und Ende der Schlafgelegenheit.
• Gesamtschlafzeit: Summe der als Schlaf gewerteten Abschnitte.
• Schlafeffizienz: Gesamtschlafzeit geteilt durch Bettzeit, angegeben in Prozent.
• Einschlaflatenz: Zeit bis zum festgelegten Beginn des Schlafs.
• WASO: aufsummierte Wachzeit nach dem Einschlafen.
• REM-Latenz: Zeit vom Schlafbeginn bis zum ersten REM-Abschnitt. [11]

Häufige Fragen

Wie unterscheiden sich Schlafstadium und Schlafzyklus? Das Stadium bezeichnet die Zuordnung eines Zeitabschnitts. Ein Zyklus beschreibt eine größere zeitliche Folge mit NREM- und REM-Schlaf. Im Hypnogramm lassen sich sowohl einzelne Zuordnungen als auch ihre Abfolge verfolgen. [4]

Kann eine Person nach NREM-Schlaf einen Traum berichten? Ja. In der Untersuchung mit wiederholten Weckungen wurden Berichte über vorausgehendes Erleben nach NREM- und REM-Schlaf erhoben. Für die Zuordnung wurden die unmittelbar vorausgehenden EEG-Signale mit der anschließenden Befragung verbunden. [9]

Was zeigt eine Untersuchung im Schlaflabor zusätzlich? Mehrere gleichzeitig aufgezeichnete Körperfunktionen lassen sich zeitlich aufeinander beziehen. Die Untersuchung kann beispielsweise Fragen zu nächtlicher Atmung, Sauerstoffsättigung und Bewegungen bearbeiten. Die Auswahl und Auswertung der Signale folgt der konkreten medizinischen Fragestellung. [2]

Medizinische Bezeichnungen in diesem Kapitel

• Cortex cerebri: Großhirnrinde.
• Thalamus: Sehhügel, ein Teil des Zwischenhirns.
• Hypothalamus: unterer Abschnitt des Zwischenhirns.
• Area preoptica: präoptische Region.
• Truncus encephali: Hirnstamm.
• Pons: Brücke, mittlerer Abschnitt des Hirnstamms.
• Locus coeruleus: blauer Kern im dorsalen Bereich der Brücke.
• Hippocampus: Seepferdchenformation im medialen Temporallappen.
• Ventriculus quartus: vierter Hirnventrikel.
• Fossa rhomboidea: Rautengrube, Boden des vierten Hirnventrikels. [13]

Die verbundenen Strukturen vertiefen

• Encephalon (Gehirn): Räume, Strukturen und verbundene Netzwerke
• Truncus encephali (Hirnstamm): Kerne, Verbindungen und Regulation
• Locus coeruleus: Noradrenalin und Aufmerksamkeit
• Adenosin und die Regulation von Wachheit
• SCN: Die innere Uhr im Hypothalamus
• Gedächtnis und Konsolidierung