aristoteles, hippocrates, freud, pavlov, von economo, golgi – allen hebben ze zich het hoofd gebroken over de vraag: waarom slapen we? en wat gebeurt er tijdens het slapen precies met onze hersenen? wat is de rol van slaap en van dromen? tot vandaag blijft die puzzel onopgelost. toch heeft de wetenschap tijdens de afgelopen decennia steeds meer puzzelstukjes kunnen plaatsen en krijgen we stilaan een zicht op wat er zich tijdens de slaap afspeelt.
Waarom slapen wij?
‘Sleep is the intermediate state between wakefulness and death; wakefulness being regarded as the active state of all the animal and intellectual functions, and death as that of their total suspension.’ Met die woorden begint het naslagwerk The Philosophy of Sleep, dat in 1834 gepubliceerd werd door Robert MacNish. Het citaat illustreert hoe men vroeger over de slaap dacht: als een passieve toestand van het organisme. De ontwikkeling van het elektro-encefalogram (EEG), waarbij de elektrische activiteit van de hersenen op een niet-invasieve manier kon worden bestudeerd, veranderde die visie op de slaap. Het werd al gauw duidelijk dat het EEG-tracé tijdens de slaap geen vlakke lijn was, maar een opvallende activiteit vertoonde, die echter wel fundamenteel verschillend was van de activiteit tijdens de waaktoestand. Die activiteit bleek ook te veranderen over het verloop van de nacht en kon worden opgedeeld in vijf stadia: de slaapstadia 1 tot en met 4, en de droomslaap.
De naadloze overgang tussen de verschillende slaapstadia en de waaktoestand is het gevolg van een veranderde elektrische activiteit van bepaalde celgroepen in onze hersenen. Naar aanleiding van de pandemie van encefalitis lethargica of epidemische slaapziekte in het begin van de twintigste eeuw postuleerde de Weense neuroloog Von Economo dat structuren diep in de hersenen (de hypothalamus en de diëncefalon of tussenhersenen) centra moesten bevatten die verantwoordelijk zijn voor het bewaren van het bewustzijn. Het preoptische gebied, gelegen vlak achter de kruising van de beide oogzenuwen, moest volgens hem dan weer betrokken zijn bij de inductie van de slaap. Hij staafde die hypothesen aan de hand van patiënten met encefalitis lethargica met letsels in deze verschillende gebieden, waarbij de eersten abnormaal slaperig waren, terwijl de laatsten eerder te lijden hadden van insomnia of slapeloosheid.
In de daaropvolgende jaren gebeurden talrijke dierexperimentele proeven met letsels op verschillende niveaus in de hersenstam, waarbij de hypothesen van Von Economo werden bevestigd. In de hersenstam en de tussenhersenen bevinden zich verschillende centra (locus coeruleus, raphe nuclei, tuberomamillaire nuclei, peduncolopontiene tegmentale nuclei) die door middel van exciterende neurotransmitters (moleculen die zorgen voor signaaloverdracht tussen zenuwcellen, zoals acetylcholine, noradrenaline, histamine en serotonine) een activerende invloed hebben op de hersenen. Anderzijds bevat het laterale preoptische gebied neuronen die door middel van de neurotransmitter GABA een remmende rol uitoefenen op de bovenvermelde kernen. Het evenwicht tussen beide systemen wordt de ‘sleep-switch’ genoemd. Het systeem dat het meest actief is, bepaalt de fase waarin de hersenen zich zullen bevinden. Om te vermijden dat het systeem instabiel is, wordt het gecontroleerd door een ander centrum in de hersenen, het hypocretine systeem. Deze groep neuronen in de hypothalamus krijgt onder meer informatie vanuit het visuele systeem over de dag-nachtcyclus en zal er zo voor zorgen dat tijdens de dag vooral het activerende, waakbevorderende systeem actief is. Daarnaast ontvangen de hypocretine producerende neuronen ook informatie over het metabolisme, zodat in tijden van energieschaarste (honger bijvoorbeeld) opnieuw het activerende systeem de bovenhand neemt en er dus naar voedsel kan worden gezocht.
Momenteel wordt aangenomen dat de slaap-waakregulatie het gevolg is van twee processen. Proces C, het circadiane proces, is afhankelijk van onze interne klok. Die wordt in belangrijke mate gestuurd door de suprachiasmatische nucleus (SCN). Deze kleine kern van neuronen bevindt zich in nauw contact met de kruising van de visuele banen en ontvangt van daaruit ook informatie over de dag-nachtcyclus. Het is die kern die de hypocretine producerende neuronen tijdens de dag zal aansturen om vooral het waakbevorderende systeem te activeren. De SCN beïnvloedt bijkomend ook verschillende hormonale processen, die bijgevolg de wisseling van dag en nacht getrouw volgen. Zo piekt cortisol – een belangrijk stresshormoon – bij het krieken van de dag, terwijl het groeihormoon dan weer maximaal is tijdens de diepe slaap. Ook de lichaamstemperatuur volgt die interne klok: ze is het laagst tijdens de nacht en zal weer stijgen tijdens de dag. Het circadiane proces is dus een sinusaal verlopend proces met een piek overdag en een dal ’s nachts.
Van zodra we wakker worden, beginnen we met het opbouwen van een zekere slaapbehoefte die groter wordt naarmate de dag vordert
Het tweede proces, proces S, wordt ook wel het homeostatische proces genoemd en is voor een groot deel het gevolg van ons gedrag. Van zodra we wakker worden, beginnen we met het opbouwen van een zekere slaapbehoefte die groter wordt naarmate de dag vordert. Als we gaan slapen, wordt die behoefte exponentieel afgebouwd, om bij het ontwaken weer geleidelijk aan op te bouwen. Dit homeostatische proces is voor een deel mee verantwoordelijk voor de hoeveelheid diepe slaap die optreedt tijdens de eerste stadia van de slaap. Als proefpersonen gedurende respectievelijk 12 en 24 uur wakker worden gehouden, dan zullen de laatsten bij het inslapen veel sneller en overvloediger diepe slaap ontwikkelen, omdat zij een veel grotere slaapbehoefte hebben opgebouwd. Het samenspel van processen C en S zal dus ons slaap-waakgedrag bepalen. ’s Morgens trekt het circadiane systeem zich op gang, terwijl de homeostatische drive het laagst is met als gevolg het ontwaken. Tegen de vooravond piekt het circadiane proces om daarna geleidelijk terug te lopen. De homeostatische drive (slaapbehoefte) bouwt verder op, zodat ’s avonds bij het inslapen het circadiane systeem ons niet meer activeert en we optimaal in slaap kunnen vallen.
Tot voor kort werd aangenomen dat de slaap-waakregulatie van toepassing was op het hele organisme: een dier of een persoon is wakker of slaapt en bijgevolg bevinden de hersenen zich als geheel in ofwel waak- ofwel slaapstand. Recent onderzoek heeft echter aangetoond dat het mogelijk is voor de hersenen om in de twee toestanden parallel te functioneren. De eerste observaties die dit laten vermoeden, zijn afkomstig uit de studie van de parasomnieën. Parasomnie is een overkoepelende term voor alle activiteiten die we stellen in onze slaap en die daar niet thuishoren. De meest bekende van de parasomnieën is het slaapwandelen. Tijdens het slaapwandelen verkeert het individu in een toestand die kenmerken vertoont van waak (de persoon is bijvoorbeeld in staat erg complex gedrag te stellen, zoals het openen van deuren), terwijl de absolute afwezigheid van herinneringen voor het gestelde gedrag eerder kenmerkend is voor slaap.
Dieronderzoek toont aan dat dolfijnen nooit met twee hersenhelften gelijktijdig kenmerken van diepe slaap vertonen
Een tweede aanwijzing komt er vanuit de hoek van het dieronderzoek. Dit toont onder meer aan dat dolfijnen nooit met twee hersenhelften gelijktijdig kenmerken van diepe slaap vertonen. Die observaties hebben geleid tot erg intrigerend dieronderzoek met opmerkelijke resultaten. Bij katten heeft men registraties uitgevoerd van de elektrische activiteit van de hersencellen die de informatie afkomstig van de snorharen verwerken. Wanneer de snorharen van één zijde continu gestimuleerd worden, dan zullen de neuronen die deze informatie ontvangen, na het beëindigen van de stimulatie sneller overgaan naar een staat van slaapactiviteit in vergelijking met de niet-gestimuleerde cellen. Gelijkaardige observaties werden gemaakt bij de studie van corticale kolommen. Dit zijn anatomisch gedefinieerde neuronale netwerken. Ze omvatten een groep neuronen die, omwille van functionele redenen, nauw met elkaar samenwerken. Ze worden tegenwoordig beschouwd als de kleinste processing unit van het wakkere brein. Er bestaat evidentie dat deze corticale kolommen in twee toestanden kunnen voorkomen: de slaapstand en de waakstand. De overgang tussen beide standen wordt opnieuw bepaald door het samenspel van enerzijds de voorafgaande stimulatie (homeostatische drive) en anderzijds de circadiane klok. Er wordt aangenomen dat hoe langer een bepaalde corticale kolom in de waakstand verkeert, hoe groter de kans is dat ze nadien naar de slaapstand overschakelt. Globaal bevinden de meeste corticale kolommen zich in dezelfde toestand als het organisme op dat ogenblik. Toch bestaan er lokale verschillen, die daarenboven ook afhankelijk zijn van het stadium van de slaap waarin een persoon zich bevindt.
Recente inzichten komen van studies die gebruikmaken van functionele beeldvorming, waarbij bloedperfusie of suikerverbruik van de hersenen als maat voor hersenactiviteit worden gebruikt. Die studies tonen aan dat tijdens de diepe slaap het grootste deel van de hersenen op non-actief staat, terwijl er tijdens de droomslaap een relatieve activering optreedt van de associatieve sensoriële cortex en het limbische systeem (dat betrokken is in onder meer geheugen en emoties). Hoe de synchronisatie tussen de verschillende corticale kolommen in verschillende hersengebieden tot stand komt, is momenteel onderwerp van intensief wetenschappelijk onderzoek. Men speculeert dat verschillende moleculen zoals stikstofoxide, tumor necrosis factor, adenosine en GHRH, een hormoon dat de afscheiding van groeihormoon stimuleert, hierbij betrokken zijn. Die verschillende factoren zouden niet alleen van belang zijn voor het bepalen van de slaap-waakregulatie van de verschillende corticale kolommen, maar zouden ook een belangrijke rol spelen in het heraanleggen van de onderlinge contacten tussen de neuronen, binnen en ook tussen corticale kolommen. Dit proces wordt neurale plasticiteit genoemd. Van dit laatste wordt aangenomen dat het een van de belangrijkste functies is van de slaap.
De slaap op zich is vanuit evolutionair standpunt een relatief ongunstige toestand
De precieze functie van slaap blijft nog steeds een onopgelost mysterie. De slaap op zich is immers vanuit evolutionair standpunt een relatief ongunstige toestand. Tijdens de slaap is een dier blootgesteld aan allerhande gevaren, kan het niet eten en kan het zich niet voortplanten. Toch is de slaap in alle diersoorten aanwezig en moet de slaap dus een cruciale functie vervullen. Algemeen wordt aangenomen dat tijdens de slaap het lichaam in staat wordt gesteld om enerzijds energiereserves aan te vullen en anderzijds herstellingswerken uit te voeren. Misschien wel een van de belangrijkste functies is de rol van de slaap in de consolidatie van het geheugen. Er bestaat momenteel steeds meer consensus over het feit dat de slaap betrokken is bij de offline memory processing.
Recent onderzoek toont aan dat de slaap een gunstig effect uitoefent op zowel het episodische geheugen, belangrijk voor het opslaan van ervaringen gekoppeld aan hun concrete context, als op het aanleren van motorische vaardigheden, en ook een invloed heeft op het emotionele geheugen. De verschillende slaapstadia zouden daarbij elk een verschillende rol spelen. Het aanleren van motorische vaardigheden blijkt zo gecorreleerd te zijn met de slaap in het tweede stadium in het tweede deel van de nacht. Anderzijds zou het visuele geheugen vooral worden geconsolideerd tijdens de droomslaap in het tweede deel van de nacht en de lichte slaap in het begin van de nacht. Sommige onderzoekers speculeren dat die verschillen in geheugenconsolidatie gereflecteerd worden door de droominhoud tijdens de respectievelijke slaapstadia. In de droomslaap zijn de dromen vaak eerder emotioneel geladen, narratief en met fictieve bewegingen. Dit correleert met het feit dat droomslaap vooral betrokken is bij visuele perceptie en emotioneel geheugen. Argumenten hiervoor komen, zoals eerder vermeld, vanuit de functionele beeldvorming, waarbij men kon aantonen dat tijdens droomslaap het limbische systeem relatief geactiveerd voorkomt.
Het laatste woord over de relatie tussen de slaap en het geheugen is echter nog niet gezegd. In een recente studie toont men aan dat farmacologische onderdrukking van de droomslaap eerder een positief effect heeft op het leervermogen voor bepaalde specifieke taken. Vooral methodologische problemen staan eenduidige en conclusieve antwoorden over de rol van de slaap en het geheugen in de weg. De talrijke factoren waarvan met aanneemt dat ze van belang zijn voor geheugenconsolidatie tijdens de slaap kunnen immers door farmacologische studies in proefpersonen slechts deels worden beïnvloed. Studies in patiënten met letsels in hersengebieden die voor de slaap en het geheugen belangrijk zijn, verliezen aan slagkracht doordat de letsels vaak niet geïsoleerd in een bepaald ‘slaapspecifiek’ gebied voorkomen. Functionele beeldvorming bij gezonde proefpersonen lijkt de beste methode, maar moet wel inboeten op het vlak van de spatiële resolutie.
De studie van de slaap heeft de laatste decennia belangrijke vooruitgang geboekt, die is toe te schrijven aan de groeiende interesse voor het domein, maar ook aan de ontwikkeling van betere onderzoeksmethoden. Daarom is ons inzicht in het mechanisme van de slaap en de slaap-waakregulatie significant verbeterd. Dit verbeterde inzicht heeft op zijn beurt geleid tot de ontwikkeling van het domein van de slaapgeneeskunde, waarin problemen die optreden tijdens de slaap centraal staan. Sommige van de bevindingen vanuit het fundamentele onderzoek hebben inmiddels ook al hun weg gevonden naar de klinische praktijk: de ontrafeling van de mechanismen betrokken bij slaap-waakregulatie en de interne klok hebben geleid tot de ontwikkeling van de medicatie voor onder andere jetlag, abnormale slapeloosheid en slaapverlamming bij personen met narcolepsie. Andere bevindingen zijn er momenteel op gericht om nog meer en beter inzicht te verwerven in de werking en de functie van de verschillende hersengebieden tijdens de slaap en hebben nog geen onmiddellijke toepassing gevonden in de dagelijkse praktijk. Er is nog een lange weg te gaan en er zijn nog heel wat controverses op te lossen. Vast staat wel dat de slaap steeds meer van zijn geheimen begint prijs te geven.
J.M. Krueger, D.M. Rector, S. Roy , H.P. Van Dongen, G. Belenky en J. Panksepp, ‘Sleep as a fundamental property of neuronal assemblies’, in: Nature Reviews Neuroscience, december 2008 , 9(12), 910-9.
B. Rasch, J. Pommer, S. Diekelmann, en J. Born, ‘Pharmacological REM sleep suppression paradoxically improves rather than impairs skill memory’, in: Nature Reviews Neuroscience, april 2009,12(4), 396-7.
Maarten Dewil is als neuroloog verbonden aan het UZ Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License