Schlaf und Lernen
Wir untersuchen die Bedeutung von Schlaf-Wachprozessen auf Verhalten, Lernen und Gedächtnis im Kindes- und Jugendalter. Insbesondere erforschen wir grundlegende Mechanismen der Zustands- und Schlaf-Wach-Regulation sowie deren Wechselwirkungen mit der Hirnentwicklung bei gesunden und kranken Kindern sowie Jugendlichen.
Unsere interdisziplinären Projekte verwenden multimodale bildgebende Verfahren und Neuromodulation um die Schlaf-Wachprozesse während der Hirnentwicklung zu visualisieren und mit ihnen zu interagieren.
Am «Zentrum für interdisziplinäre Schlafforschung» (ZiS) sowie im Rahmen des seit 2012 bestehenden Klinischen Forschungsschwerpunktes «Schlaf und Gesundheit» (Sleep and Health) arbeiten Forschende des Kinderspitals Zürich eng mit diversen Partner-Institutionen zusammen.
Die Zürcher Schlafforschung hat eine lange Tradition. Vor rund 30 Jahren wurde in Zürich das bis heute geltende Modell der Schlafregulation entwickelt. Das Modell zeigt, dass die Wechselwirkung zwischen Schlafbedürfnis und innerer Uhr von zentraler Bedeutung für die Leistungsfähigkeit und das Wohlbefinden der Menschen ist. Die der Schlafregulation zugrundeliegenden Mechanismen verstehen die Fachleute noch nicht. Entsprechend richtet sich die Behandlung von Schlafstörungen noch nach den Symptomen und nicht nach den Ursachen. Wenn die Behandlung besser und gezielter gestaltet werden soll, müssen die Forschenden die körperlichen Funktionen und deren Veränderungen bei Schlafstörungen erst besser verstehen.
Die beschriebenen Forschungsprojekte auf diesen Seiten gewähren einen Einblick in die Schlafforschung am Kinderspital Zürich.
Forschungsprojekte
Sleep and School
Auswirkungen der morgendlichen Schulstartzeit auf Schlaf und Gesundheit von Jugendlichen
Während sich die biologisch determinierte, präferierte Schlafphase in der Jugend immer weiter nach hinten verschiebt, beginnt der Unterricht in den Schulen gleichzeitig immer früher am Morgen.
Der Widerspruch zwischen der jugendlichen Schlafbiologie und den frühen Schulstartzeiten ist einer der Hauptgründe für den chronischen Schlafmangel von Jugendlichen: Aufgrund der biologischen Veränderungen gehen die Jugendlichen immer später ins Bett oder können erst später einschlafen. Die frühen Schulstartzeiten verhindern, dass die späten Bettzeiten mit verschobenen Aufstehzeiten kompensiert werden können. Der chronische Schlafmangel vieler Jugendlicher ist insofern besorgniserregend, als dass der Schlaf eine sehr wichtige Rolle für Befinden und Gesundheit spielt. Tatsächlich konnten die positiven Auswirkungen von späteren Schulstartzeiten auf Schlaf und Gesundheit der Jugendlichen in zahlreichen Studien festgestellt werden: Die Schlafdauer ist bei vergleichsweise späterem Schulbeginn erwartungsgemäss deutlich länger. Zugleich zeigten sich weniger Tagesmüdigkeit, weniger Schlafprobleme, eine bessere physische und psychische Gesundheit sowie weniger Risikoverhalten wie etwa Substanzkonsum.
Für die Umsetzbarkeit einer Schulstartzeitverschiebung sind besonders die Haltungen der Betroffenen ausschlaggebend, spezifisch der Schülerinnen und Schüler sowie der Lehrpersonen. Ein Ziel des Projekts ist es, erstmals die Präferenz dieser Interessengruppen zu untersuchen. Zusätzlich brachte die Corona-Pandemie aufgrund der vorübergehenden Schulschliessungen die Möglichkeit mit sich, die Auswirkungen von späteren Schulstartzeiten auf Gesundheit und Schlaf der Jugendlichen in der Schweiz zu untersuchen. Da Schulanreisewege wegfielen und das Homeschooling flexibler gestaltet war, gehen die Schulschliessungen mit späteren Schulstartzeiten einher. Mittels Online-Befragungen wurden Kantonsschülerinnen und -schüler im Kanton Zürich an drei Zeitpunkten zu Schlaf, Befinden und Gesundheit befragt: Im Frühling 2017 («Normalbedingungen», inkl. Lehrpersonen-Befragung), im Frühling 2020 (während der Schulschliessung) und im Frühling 2021 (während der Pandemie, aber ohne Schulschliessung).
Projektstatus und Laufzeit:
Laufend (seit 2017)
Kontakt
Hauptkontakt : MSc Joëlle Albrecht, E-Mail
Projektspezifische Kollaborationen:
Prof. Oskar Jenni, E-Mail
Universitäts-Kinderspital Zürich, Entwicklungspädiatrie
Dr. Helene Werner, E-Mail
Universitäts-Kinderspital Zürich, Gastroenterologie und Ernährung
Gehirnerschütterung
Etwa ein Drittel aller Kinder und Jugendlichen erlebt mindestens einmal eine Gehirnerschütterung bis zum Erreichen des Erwachsenenalters. Die Prognose nach einer Gehirnerschütterung, einer durch Krafteinwirkung gegen den Kopf verursachten Funktionsstörung des Gehirns, ist langfristig grundsätzlich sehr gut, bei einer Untergruppe ergeben sich aber persistierende Konsequenzen.
Schlafprobleme gehören zu den häufigsten Beschwerden, wobei sich gleichzeitig Hinweise dafür mehren, dass der Schlaf in der akuten Phase nach einer Gehirnerschütterung besonders wichtig für die Erholung ist. In diesem Projekt untersuchen wir die Rolle des Schlafs im Erholungsprozess nach einer Gehirnerschütterung und versuchen, den Schlaf zu vertiefen. Dazu messen wir mit einem mobilen Elektroenzephalographen (EEG) die Hirnaktivität von Kindern und Jugendlichen nach einer Gehirnerschütterung während des Schlafs in ihrem Zuhause über mehrere Nächte hinweg.
Zur Schlafvertiefung verwenden wir «SleepLoop»: Während des Schlafs werden leise Töne abgespielt, sobald die für den Tiefschlaf typischen, langsamen und hochamplitudigen Hirnwellen auftauchen. So sollen die Hirnwellen verstärkt werden, obwohl die Töne von den Empfangenden nicht bemerkt werden. Das ist vergleichbar mit einer Schaukel, die stärker schwingt, wenn sie im richtigen Moment angestossen wird. Wir untersuchen, ob und wie stark der Schlaf vertieft werden kann und inwiefern der Schlaf in der Akutphase nach einer Gehirnerschütterung mit der Erholung davon zusammenhängt. Deshalb untersuchen wir auch kognitive Fähigkeiten (z.Bsp. Aufmerksamkeit) direkt nach der Gehirnerschütterung und im Verlauf. Das Projekt verfolgt die langfristige Vision, das bisher ungenutzte Zeitfenster des Schlafs therapeutisch nutzbar zu machen.
Projektstatus und Laufzeit
Laufend (seit 2019)
Kontakt
MSc Joëlle Albrecht, E-Mail
Kollaborationen
Prof. Walter Karlen, E-Mail
ETH Zürich, Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie
Prof. Christian Baumann, E-Mail
Universitätsspital Zürich, Klinik für Neurologie
Dr. med. Stefan Altermatt,E-Mail
Universitäts- Kinderspital Zürich, Abteilung für Neurochirurgie
PD Dr. med. Barbara Brotschi, E-Mai
Universitäts- Kinderspital Zürich, Intensivpflegestation
Weiterführende Links
Lokale Marker von Schlaf im Wachzustand
Wir untersuchen, wie sich das Elektroenzephalogramm (EEG) im Wachzustand in gesunden Leuten mit zunehmendem Schlafdruck verändert. Genauer sind wir daran interessiert, ob einzelne Gehirnareale nach einer langen Zeit im Wachzustand selektiv einschlafen können und ob das zu einer teilweisen Erholung führt.
In Ratten konnte das schon gezeigt werden (Vyazovskiy et al., Nature, 2011), jedoch nur ansatzweise beim Menschen. In unserem Projekt verbringen junge Studierende zwei Nächte schlafend und 24 Stunden am Stück wach im Schlaflabor mit konstanter EEG-Aufzeichnung. In den erhaltenen Daten suchen wir nach Biomarkern im EEG, die auf lokalen Schlaf hindeuten, während der Rest des Gehirns weiterhin wach ist. Ein solcher Biomarker könnte auch für die klinische Forschung zur Evaluation der Schläfrigkeit von Bedeutung sein. In einem nächsten Schritt werden wir mittels neuromodulatorischen Techniken mit diesen lokalen Schlafereignissen interagieren, um deren Funktion zu untersuchen.
Projektstatus und Laufzeit
Laufend (2019-2021)
Kontakt
MSc Sophia Snipes, E-Mail
Kollaborationen
Prof. Walter Karlen, E-Mail
ETH Zürich, Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie
Prof. Christian Baumann, E-Mail
Universitätsspital Zürich, Klinik für Neurologie
Weiterführende Links
Epilepsie
Der Effekt auditorischer closed-loop Stimulation auf den Schlaf und das Verhalten in Patientinnen und Patienten mit Epilepsie und gesunden Versuchspersonen
Schlaf und Epilepsie sind eng miteinander verbunden. In beiden Zuständen befinden sich Nervenzellverbände des Gehirns in einem hochsynchronen Zustand.
Wenn im Schlaf die Gehirnaktivität mit einem Elektroenzephalogramm (EEG) aufgezeichnet wird, spiegelt sich die hochsynchrone Gehirnaktivität in sehr langsamen und grossen Schlafwellen wider. Schlafforschende nennen die Schlafwellen «slow waves». Sie sind besonders wichtig für die im Schlaf stattfindenden Erholungs- und Konsolidierungsprozesse. Bei Patientinnen und Patienten mit Epilepsie treten neben slow waves noch weitere, sehr kurze und spitze Muster im EEG auf, sogenannte epilepsietypische Potenziale. Diese stehen im Verdacht die Erholungs- und Konsolidierungsprozesse des Schlafs zu stören, da sie zeitlich eng an slow waves gekoppelt sind und mit kognitiven Beeinträchtigungen einhergehen.
Closed-loop auditory Stimulation — die Präsentation kurzer, leiser, nicht erregender Töne im Schlaf—kann slow waves im Schlaf beeinflussen. In diesem Projekt wollen wir closed-loop auditory Stimulation dafür nutzen um die Generierung von epilepsietypischen Potenzialen im Schlaf zu beeinflussen. Wir verfolgen das langfristige Ziel, eine alternative, nicht-invasive Therapieform für Epilepsie zu entwickeln. In der Studie vergleichen wir die Leistung von Personen zwischen 4 und 30 Jahren in diversen Tests vor und nach einer Nacht mit und ohne closed-loop auditory Stimulation. Zudem untersuchen wir neurophysiologische und epilepsietypische Parameter des Schlafs.
Projektstatus und Laufzeit
Angehend (2020–2025)
Kontakt
Sven Leach (E-Mail) - Studienkoordinator / PhD-student
Reto Huber (E-Mail) - Studienleiter
Georgia Ramantani (E-Mail) - Prüfärztin
Bigna Bölsterli (E-Mail) - Prüfärztin
Jelena Skorucak (E-Mail) - Post-doc
Weitere Projektmitarbeitende
Manuel Mueller - Masterstudent
Kollaborationen
Die Studie ist Teil des HMZ-Flaggschiff-Stipendium «SleepLoop».
Finanzierung
Die Finanzierung (Gehalts- und Versuchskosten) erfolgt aus dem Stipendium des Schweizerischen Nationalfonds, dem HMZ-Flaggschiff-Stipendium «SleepLoop», sowie aus Betriebsmitteln von Prof. Reto Huber.
Schädelhirntrauma
Die Rolle des Schlafes nach einem mittelschweren bis schweren Schädelhirntrauma bei Kindern und Jugendlichen
Ein mittelschweres bis schweres Schädelhirntrauma (SHT) kann insbesondere im jungen Alter, wenn sich das Gehirn noch in der Entwicklung befindet, schwerwiegende Folgen nach sich ziehen.
Bei Kindern und Jugendlichen sind SHTs gar die häufigste Ursache erworbener Beeinträchtigungen. In der akuten Phase nach dem SHT befinden sich die Patientinnen und Patienten auf der Intensivpflegestation (IPS) in einem komatösen Zustand mit starker Analgosedation. In dieser Phase zeigt sich eine deutliche Verlangsamung der Hirnaktivität im Elektroenzephalogramm (EEG), die sich elektrophysiologisch sehr ähnlich wie Tiefschlaf präsentiert. Bisherige Studien deuten auf einen positiven Zusammenhang zwischen der Aktivität der langsamen Hirnwellen und dem Rehabilitationsverlauf, insgesamt ist die funktionelle Relevanz dieser langsamen Hirnwellen jedoch noch weitgehend unbekannt. In diesem Projekt untersuchen wir den Zusammenhang zwischen langsamen Hirnwellen und Rehabilitation nach einem SHT bei Kindern und Jugendlichen in einer prospektiven, longitudinalen Studie und explorieren prognostische Faktoren. Dazu messen wir die Hirnaktivität der Patienten direkt nach dem SHT auf der IPS mittels «SleepLoop», einem mobilen EEG, und modulieren die Aktivität der langsamen Hirnwellen non-invasiv durch akustische Stimulation. Dem Patienten werden hierbei leise Töne präsentiert, welche die Hirnwellen verstärken sollen. Um den Rehabilitationsprozess untersuchen zu können, verwenden wir neuropsychologische Tests und Bildgebung zu verschiedenen Zeitpunkten.
Projektstatus und Laufzeit
Laufend (seit 2019)
Kontakt
MSc Joëlle Albrecht, @email
Kollaborationen
Prof. Walter Karlen, @email
ETH Zürich, Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie
Prof. Christian Baumann, @email
Universitätsspital Zürich, Klinik für Neurologie
PD Dr. med. Barbara Brotschi @email
Universitäts- Kinderspital Zürich, Leitende Ärztin Intensivpflegestation
Finanzierung
Uniscientia Stiftung
Weiterführende Links
Schlaf und ADHS
Unterschiede in der Hirnaktivität während des Schlafes bei Kinder und Jugendlichen mit einer Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS)
Schlaf ist zentral für die Erholung kognitiver Funktionen und ungenügender Schlaf kann zu Symptomen von Unaufmerksamkeit und/oder Hyperaktivität-Impulsivität führen.
ADHS ist definiert durch genau solche Symptome (DSM-5, American Psychiatric Association, 2013) und ist die häufigste psychiatrische Erkrankung in der Kindheit oder Pubertät, mit einer weltweiten Prävalenz von etwa 5 Prozent in Schulkindern (Polanzczyk et al., 2007). Die Erholungsfunktion des Schlafs wird in der langsamwelligen Hirnaktivität während des Tiefschlafs widergespiegelt, die mit einem Elektroenzephalographen (EEG) einfach gemessen werden kann. Interessanterweise ist die Menge dieser langsamwelligen Aktivität über die gesamte Grosshirnrinde in Kindern- und Jugendlichen mit ADHS reduziert (Furrer et al., 2019). Dieses Resultat deutet auf eine gestörte Erholungsfunktion des Schlafs hin. Da diese Hinweise aus korrelativen Zusammenhängen stammen, untersuchen wir aktuell, ob wir auch einen kausalen Zusammenhang zwischen langsamwelliger Aktivität während des Schlafs und Aufmerksamkeitsleistung herstellen können. Dafür wenden wir Schlaf-Modulations-Techniken an, um mit der langsamwelligen Aktivität zu interagieren.
Projektstatus und Laufzeit
Laufend (seit 2016)
Kontakt
MSc Valeria Jaramillo, E-Mail
Weitere Projektmitarbeitende
- MSc Elena Krugliakova
- Dr. Carina Volk
Kollaborationen
Prof. Dr. Walter Karlen, E-Mail
ETH Zürich, Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie
Prof. Dr. med. Christian Baumann, E-Mail
Universitätsspital Zürich, Klinik für Neurologie
Dr. med. Markus Schmid, E-Mail
Stiftung für das Kind, Zürich
Prof. Dr. med. Oskar Jenni, E-Mail
Universitäts-Kinderspital Zürich, Abteilung für Entwicklungspädiatrie
Marker der kortikalen Pastizität
Tageszeitliche Veränderungen von Markern der kortikalen Plastizität
Kortikale Plastizität beschreibt die strukturellen und funktionellen Veränderungen der Verbindungen zwischen Hirnzellen.
Diese Veränderungen werden zum Beispiel durch das Lernen veranlasst, aber spielen vor allem eine Schlüsselrolle in der Hirnentwicklung, wenn viele Verbindungen neu geknüpft und nicht- benötigte gelöst werden. Es gibt gute Hinweise, dass die Schlaf-Wach-Regulation von grosser Bedeutung für diese plastischen Veränderungen ist. So scheint besonders der Tiefschlaf die durch das Lernen veranlasste Stärkung von Verbindungen zwischen Hirnzellen wieder abzuschwächen, um somit Raum für erneutes Lernen am nächsten Tag zu gewährleisten. Folglich ist das Zusammenspiel von plastischen Veränderungen während der Wachheit und des Tiefschlafs ausschlafgebend für das langfristige, optimale Funktionieren des Gehirns. Zusätzlich haben Studien gezeigt, dass dieses Zusammenspiel möglicherweise eine zentrale Rolle während der kortikalen Reifung, also im Kindes- und Jugendalter, einnehmen könnte.
Ziel unserer Studie ist es, mittels neusten bildgebenden Verfahren Marker für diese tageszeitlichen Veränderungen der kortikalen Plastizität zu identifizieren und diese im Verlauf der Entwicklung zu untersuchen. Eine weitere Fragestellung ist, ob die ausbalancierende Wirkung von Schlaf auf die Verbindungsstärke zwischen Hirnzellen einen Einfluss auf die Hirnentwicklung hat, und somit allenfalls an der Entstehung von psychiatrischen Erkrankungen beteiligt ist.
In dieser Studie verwenden wir folgende Methoden:
- Magnet Resonanz Spektroskopie (MRS), mittels der wir die tageszeitlichen Veränderungen verschiedener Moleküle messen können, die an der Kommunikation zwischen den Hirnzellen beteiligt sind.
- Magnet Resonanz Tomographie (MRT), um strukturelle Veränderungen festzustellen.
- Hochauflösende Elektroenzephalographie (EEG) , mittels der wir die Hirnströme während des Schlafes und der Wachheit messen.
- Kognitive Testungen
Projektstatus und Laufzeit
Laufend (seit 2016)
Kontakt
Carina Volk (Dr.sc.nat), E-Mail
Weitere Projektmitarbeitende
Valeria Jaramillo (MSc)
Kollaborationen
PD Dr. phil . Ruth O'Gorman Tuura, E-Mail
Universitäts- Kinderspital Zürich, Leiterin Zentrum für MR-Forschung
Prof. Dr. med. Oskar Jenni, E-Mail
Universitäts- Kinderspital Zürich, Abteilung für Entwicklungspädiatrie
Finanzierung
Schweizerische National Fond (SNF)
CRPP "Sleep and Health" der Universität Zürich
