ETH Zürich macht bahnbrechende Entdeckung in der Schlafforschung

Alles, was wir über das schlafende Gehirn zu wissen glaubten, wird neu geschrieben. Jahrzehntelang ging die Neurowissenschaft davon aus, dass Schlaf ein Zustand geringer, statischer Erregung sei, ein biologischer Ruhezustand, in dem sich der Geist erholt. Die ETH Zürich hat dieses Missverständnis ausgeräumt. In einer bahnbrechenden Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, haben Forschende bestätigt, dass das schlafende Gehirn viel wechselhafter ist als bisher angenommen. Durch die Beobachtung des Pupillenverhaltens über mehrere Stunden entdeckte das Team, dass sich die Pupillengrösse und damit auch die Erregung des Gehirns ständig verändern.

Das ist keine geringfügige Abweichung, sondern eine grundlegende Veränderung in der Schlafforschung. «Diese Beobachtungen widersprechen der bisherigen Annahme, dass die Erregungsniveaus während des Schlafs generell niedrig sind», erklärt Studienleiterin Caroline Lustenberger. Die Daten zeigen ein Gehirn, das sich in einem dynamischen Spannungsfeld befindet und ständig zwischen höheren und niedrigeren Aktivierungsniveaus wechselt. Diese Entdeckung legt nahe, dass der Schweizer Geist selbst in tiefem Schlaf nie wirklich ausgeschaltet ist, sondern vielmehr eine komplexe, aktive neurologische Landschaft durchläuft.

Um diese beispiellosen Daten zu erfassen, musste das Team der ETH Zürich menschliche Instinkte überwinden: Die Versuchspersonen sollten mit einem offenen Auge schlafen. Diese ebenso einfache wie technisch anspruchsvolle Leistung wurde mithilfe eines neu entwickelten transparenten Pflasters ermöglicht. Die Methode schafft gewissermassen ein Fenster zur schlafenden Seele und erlaubt es Kameras, die Pupillenerweiterung zu verfolgen, ohne die Ruhe der Versuchsperson zu stören. Auch wenn das Konzept an eine Szene aus einem dystopischen Thriller erinnert, war die Umsetzung rein wissenschaftlich und überraschend wirksam.

Die grösste Hürde war psychologischer Art. Kann ein Mensch wirklich einschlafen, wenn er ein Auge körperlich nicht schliessen kann? Die Antwort lautet eindeutig ja. «In einem dunklen Raum vergessen die meisten jedoch, dass ihre Augen noch offen sind, und können trotzdem schlafen», erklärt Manuel Carro Domínguez, Erstautor der Studie. Mit diesem innovativen Ansatz konnten die Grenzen herkömmlicher Schlaflabors überwunden werden, in denen die Augenlider wie ein Vorhang wichtige neurologische Daten verbergen. Indem die ETH Zürich dieses Hindernis beseitigt hat, erschliesst sie einen neuen Strom biologischer Informationen, der seit Jahrhunderten direkt vor unseren Augen verborgen war.

Die Pupille ist nicht bloss ein Mechanismus zur Lichtaufnahme, sondern ein direkter biologischer Messwert für den Erregungszustand des Gehirns. Die vom Zürcher Team beobachteten Schwankungen bilden eine Art Echtzeitprotokoll der neuronalen Aktivität. Wenn sich die Pupille während des Schlafs erweitert und verengt, signalisiert dies, dass das Gehirn zwischen Wachheit und Ruhe hin und her wechselt. Dieses Phänomen war Forschenden, die sich allein auf herkömmliche EEG-Messungen stützten, bisher verborgen geblieben.

Dieser «ständige Wechsel» vermittelt das Bild eines Gehirns, das selbst im unbewussten Zustand wachsam ist. Die Pupillendynamik spiegelt den inneren Zustand des Erregungssystems im Gehirn wider und ermöglicht eine bisher unerreichte Detailtiefe bei Schlafdaten. Das ist ein entscheidender Fortschritt für die Neurowissenschaft. Durch die Verknüpfung der Pupillengrösse mit der Hirnaktivität hat die ETH Zürich einen neuen Biomarker für die Schlafgesundheit etabliert. Wir betrachten nicht mehr nur Hirnwellen, sondern beobachten durch das Fenster des Auges in Echtzeit, wie der Motor des Gehirns auf Touren kommt und wieder in den Leerlauf fällt.

Die Folgen dieser Schweizer Innovation reichen weit über akademische Neugier hinaus und versprechen eine Revolution in der klinischen Versorgung. Die zur Überwachung dieser Pupillendynamik entwickelte Technologie dürfte das Labor verlassen und in Spitälern zum Einsatz kommen. Sie könnte Ärztinnen und Ärzten ein leistungsfähiges neues Instrument im Umgang mit komplexen neurologischen Erkrankungen bieten. Die möglichen Anwendungen sind beeindruckend und reichen von der präzisen Diagnose von Schlafstörungen bis zur wichtigen Überwachung von Patientinnen und Patienten im Koma.

Man stelle sich eine Spitalstation vor, auf der Ärztinnen und Ärzte den Aufwachprozess einer im Koma liegenden Person allein anhand ihrer Pupillen präzise verfolgen können, oder eine Schlafklinik, die Unterformen von Schlaflosigkeit anhand von Erregungsschwankungen statt aufgrund subjektiver Angaben der Patientinnen und Patienten diagnostiziert. Die ETH Zürich geht davon aus, dass diese Technologie die Behandlung von Bewusstseinsstörungen neu definieren könnte. Wenn sich die Methode skalieren lässt, positioniert sich die Schweiz erneut an der Spitze der Medizintechnik und macht aus einer einfachen Beobachtung des Auges ein lebensrettendes Diagnoseinstrument. Die Zukunft der Schlafmedizin ist hellwach.