Skip to main content

Biologische Grundlagen des Schlafens und Wachens

Biological principles of sleep and wake

Bundesgesundheitsblatt - Gesundheitsforschung - Gesundheitsschutz volume 54, pages 1270–1275 (2011)Cite this article

Zusammenfassung

Im elektrophysiologisch messbaren Schlaf wird zwischen dem Rapid-Eye-Movement (REM)-Schlaf und dem NonREM-Schlaf unterschieden, wobei sich der NonREM-Schlaf in weitere Schlafstadien bis hin zum Tiefschlaf untergliedert. Diese interne Schlafregulation wird durch das seit 1975 gültige reziproke Interaktionsmodell erklärt. Hier wirken serotonerge und noradrenerge Neuronenverbände sowohl autoinhibitorisch als auch hemmend auf cholinerge Neuronenverbände und vice versa ein, sodass es im Schlafverlauf zu einem alternierenden Wechsel beider Schlafarten kommt. Die Zeitpunkte des Einschlafens und des morgendlichen Erwachens werden im Zwei-Prozess-Modell mit einer Interaktion zwischen der Gesamtheit aller zirkadianen Prozesse (C) und dem homöostatischen Schlafdruck (S) bestimmt. Während der Prozess C durch soziale Aktivitäten und Tageslicht die Schlafphasenlage mit dem 24-Stunden-Tag synchronisiert und das Auftreten des REM-Schlafes zirkadian mitbestimmt, hängt der Prozess S allein von der Dauer des Wachens ab und hat als physiologisches Korrelat den in der ersten Nachthälfte auftretenden Tiefschlaf. Im Sinne eines Flip-Flop-Modells wird sowohl das Schlafen als auch das Wachen mithilfe des Orexin-Systems jeweils über längere Zeit aufrechterhalten. Es bestehen zahlreiche Varianten des Normalschlafs wie altersabhängige Veränderungen oder Kurz- beziehungsweise Langschläfer. Neuere therapeutische Ansätze berücksichtigen diese biologischen Grundlagen zum Beispiel bei der Auswahl, aber auch der Entwicklung schlafanstoßender Medikamente.

Abstract

Electrophysiologically measurable sleep is divided into rapid eye movement (REM) sleep and nonREM sleep—the latter is further structured into several sleep stages, including deep sleep. This internal sleep regulation is explained by the reciprocal interaction model that was validated in 1975. The interdependence of not only the reciprocal discharge of cholinergic REM-on, but also serotonergic and noradrenergic (REM-off) cell populations distributed over the brain stem results in the alternating pattern of nonREM and REM sleep. The timing of sleep onset and waking is described using the two-process model. Thereby, the theoretical sum of all circadian processes (process C) interacts with the homeostatic sleep drive (process S). Because the occurrence of REM sleep also depends on circadian factors, the decrease of deep sleep during the night is accepted as a physiological correlate of process S. Social activity and daylight synchronize the circadian process with the external 24-h day. With the help of the orexin system, the flip-flop model explains why both sleep and wake can be sustained over longer periods. Dependency on age and physiological short and long sleepers are the most prominent variations of normal sleep behavior. Newer therapeutic concepts in sleep medicine have taken into consideration these biological basics, e.g., in the selection of sleep medication and in the development of new sleep-inducing medications.

This is a preview of subscription content, access via your institution.

Access options

Buy single article

Instant access to the full article PDF.

43,34 €

Price includes VAT (Finland)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Abb. 1
Abb. 2

Literatur

  1. Schulz H (2011) Die Entwicklung der Schlafstadienklassifikation. In: Schulz H, Geisler P, Rodenbeck A (Hrsg) Kompendium der Schlafmedizin, 17. Ergänzungslieferung, Kap. I – 9.3.1. ecomed MEDIZIN, Landsberg

  2. Hardeland R, Balzer I, Poeggeler B et al (1995) On the primary functions of melatonin in evolution: mediation of photoperiodic signals in a unicell, photooxidation, and scavenging of free radicals. J Pineal Res 18(2):104–111

    PubMed  Article  CAS  Google Scholar 

  3. Born J, Wagner U (2009) Sleep, hormones, and memory. Obstet Gynecol Clin North Am 36:809–829

    PubMed  Article  Google Scholar 

  4. Stickgold R, Walker MP (2007) Sleep-dependent memory consolidation and reconsolidation. Sleep Med 8(4):331–343

    PubMed  Article  Google Scholar 

  5. Diekelmann S, Born J (2010) The memory function of sleep. Nat Rev Neurosci 11(2):114–126

    PubMed  Article  CAS  Google Scholar 

  6. McCarley RW, Hobson JA (1975) Neuronal excitability modulation over the sleep cycle: a structural and mathematical model. Science 189:58–60

    PubMed  Article  CAS  Google Scholar 

  7. Hobson JA, Schmajuk NA (1988) Brain state and plasticity: an integration of the reciprocal interaction model of sleep cycle oscillation with attentional models of hippocampal function. Arch Ital Biol 126(4):209–224

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  8. Fehm HL, Born J (1991) Evidence for entrainment of nocturnal cortisol secretion to sleep processes in human beings. Neuroendocrinology 53(2):171–176

    PubMed  Article  CAS  Google Scholar 

  9. Born J, Fehm HL (1998) Hypothalamus-pituitary-adrenal activity during human sleep: a coordinating role for the limbic hippocampal system. Exp Clin Endocrinol Diabetes 106(3):153–163

    PubMed  Article  CAS  Google Scholar 

  10. Rodenbeck A, Stoll C, Kunz D (2010) Der Einfluss von Licht auf den Schlaf. In: Schulz H, Geisler P, Rodenbeck A (Hrsg) Kompendium der Schlafmedizin, 16. Ergänzungslieferung, Kap. IV-3.1.1.3. ecomed MEDIZIN, Landsberg

  11. Rodenbeck A (2007) Chronobiologie. In: Peter H, Penzel T, Peter JH (Hrsg) Enzyklopädie der Schlafmedizin. Springer, Berlin, S 212–217

  12. Brainard GC, Hanifin JP, Greeson JM et al (2001) Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor. J Neurosci 21:6405–6412

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  13. Sack RL, Auckley D, Auger RR et al (2007a) Circadian rhythm sleep disorders: Part I, Basic principles, shift work and jet lag disorders. Sleep 30:1460–1483

    PubMed  Google Scholar 

  14. Sack RL, Auckley D, Auger RR et al (2007b) Circadian rhythm sleep disorders: Part II, Advanced sleep phase disorder, delayed sleep phase disorder, free-running disorder, and irregular sleep-wake rhythm. Sleep 30:1484–1501

    PubMed  Google Scholar 

  15. Späth-Schwalbe E, Schöller T, Kern W et al (1992) Nocturnal adrenocorticotropin and cortisol secretion depends on sleep duration and decreases in association with spontaneous awakening in the morning. J Clin Endocrinol Metab 75(6):1431–1435

    PubMed  Article  Google Scholar 

  16. Borbély AA (1982) A two process model of sleep regulation. Hum Neurobiol 1(3):195–204

    PubMed  Google Scholar 

  17. Daan S, Beersma DG, Borbély AA (1984) Timing of human sleep: recovery process gated by a circadian pacemaker Am J Physiol 246(2 Pt 2):R161–R183

    Google Scholar 

  18. Achermann P, Dijk DJ, Brunner DP, Borbely AA (1993) A model of human sleep homeostasis based on EEG slow-wave activity: quantitative comparison of data and simulations. Brain Res Bull 31:97

    PubMed  Article  CAS  Google Scholar 

  19. Saper CB, Chou TC, Scammell TE (2001) The sleep switch: hypothalamic control of sleep and wakefulness. Trends Neurosci 24:726–731

    PubMed  Article  CAS  Google Scholar 

  20. Tsujino N, Sakurai T (2009) Orexin/Hypocretin: a neuropeptide at the interface of sleep, energy homeostasis, and reward system. Pharmacol Rev 61:162–176

    PubMed  Article  CAS  Google Scholar 

  21. Saper CB, Scammell TE, Lu J (2005) Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms. Nature 437:1257–1263

    PubMed  Article  CAS  Google Scholar 

  22. Postnova S, Voigt K, Braun HA (2009) A mathematical model of homeostatic regulation of sleep-wake cycles by hypocretin/orexin. J Biol Rhythms 24(6):523–535

    PubMed  Article  Google Scholar 

  23. Ohayon MM, Zulley J (2001) Correlates of global sleep dissatisfaction in the German population. Sleep 24:780–787

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  24. Meier U (2004) Das Schlafverhalten der deutschen Bevölkerung – eine repräsentative Studie. Somnologie 8:87–94

    Article  Google Scholar 

  25. Spiegel K, Leproult R, Van Cauter E (1999) Impact of sleep debt on metabolic and endocrine function. Lancet 354(9188):1435–1439

    PubMed  Article  CAS  Google Scholar 

  26. Ruiz FS, Andersen ML, Martins RC et al (2010) Immune alterations after selective rapid eye movement or total sleep deprivation in healthy male volunteers. Innate Immun [Epub ahead of print]

  27. Wehr T (1991) The duration of human melatonin secretion and sleep respond to changes in daylength (photoperiod). J Clin Endocrinol Metab 73:1276–1280

    PubMed  Article  CAS  Google Scholar 

  28. Ando K, Kripke DF, Ancoli-Israel S (2002) Delayed and advanced sleep phase symptoms. Isr J Psychiatry Relat Sci 39(1):11–18

    PubMed  Google Scholar 

  29. Rodenbeck A, Huether G, Rüther E, Hajak G (2002) Interactions between evening and nocturnal cortisol secretion and sleep parameters in patients with severe chronic primary insomnia. Neurosci Lett 324(2):159–163

    PubMed  Article  CAS  Google Scholar 

  30. Rodenbeck A, Hajak G (2001) Neuroendocrine dysregulation in primary insomnia. Rev Neurol (Paris) 157(11 Pt 2):57–61

    Google Scholar 

Download references

Interessenkonflikt

Der korrespondierende Autor gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Author information

Affiliations

  1. Institut für Physiologie, Abt. Schlafmedizin, Charité – Universitätsmedizin Berlin, Sankt-Hedwig-Krankenhaus, Große Hamburger Str. 5–11, 10115, Berlin, Deutschland

    A. Rodenbeck

  2. Abt. für Lungenheilkunde, Schlaflabor, Evangelisches Krankenhaus Weende e.V., Bovenden, Deutschland

    A. Rodenbeck

Authors
  1. A. Rodenbeck
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to A. Rodenbeck.

Rights and permissions

Reprints and Permissions

About this article

Cite this article

Rodenbeck, A. Biologische Grundlagen des Schlafens und Wachens. Bundesgesundheitsbl. 54, 1270–1275 (2011). https://doi.org/10.1007/s00103-011-1373-3

Download citation

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00103-011-1373-3

Schlüsselwörter

  • Neurotransmitter
  • Hormone
  • Licht
  • Orexin
  • Homöostatische und zirkadiane Synchronisation

Keywords

  • Neurotransmitter
  • Hormones
  • Light
  • Orexin
  • Homeostatic and circadian synchronization