Ich finde den Delta-Zustand des Gehirns ausgesprochen interessant, und ich freue mich, einige Einblicke in dieser Tiefschlafphase mit dir teilen zu können. Stell dir vor, dein Gehirn gleitet in einen Zustand des Slow-Wave-Schlafs, vor allem in der frühen Nachthälfte. Diese Phase ist von sogenannten Deltawellen geprägt, die auftreten, wenn Neuronen in großen Gehirnregionen anfangen, sich zu synchronisieren. Diese Wellen schwingen mit Frequenzen von etwa 0,5 bis 4 Hz und spiegeln eine deutlich verringerte neuronale Aktivität wider. Besonders bemerkenswert ist die Amplitude dieser Wellen, die oft 75 Mikrovolt übersteigt und manchmal sogar weit über 100 Mikrovolt hinausreicht — das deutet auf eine ausgeprägte Synchronisation hin.
Die Zeit, die im Delta-Zustand verbracht wird, variiiert von Person zu Person und von Nacht zu Nacht, umfasst jedoch allgemein die ersten zwei Non-REM-Zyklen und macht bei gesunden Erwachsenen fast 20 % des Gesamtschlafs aus. Er beschreibt das dritte Stadium des Non-REM-Schlafs, das oft als Tiefschlaf (Slow-Wave-Sleep, SWS) bezeichnet wird — den Abschnitt, in dem der Körper den größten Erholungseffekt erreicht. Während dieser Zeit sinken Herzfrequenz, Blutdruck und Stoffwechselaktivität, was tiefe Entspannung und einen vorübergehenden Rückgang des Energieverbrauchs widerspiegelt.
Diese Slow-Wave-Aktivität unterscheidet sich deutlich von anderen Schlafphasen, insbesondere vom REM-Schlaf, der durch schnelle, niederamplitudige Gehirnwellen, lebendige Träume und gesteigerte Gehirnaktivität gekennzeichnet ist. Während im Delta-Zustand die Kommunikation der Neuronen reduziert ist und zahlreiche Neuronen als Verbund synchron wirken, ist der REM-Schlaf eher desynchronisiert.
Außerdem ist der Delta-Zustand weniger empfänglich für äußere Reize, daher werden Schlafende in dieser Phase seltener von kleinen Störungen geweckt. Dieses tiefe Aktivitätsmuster gibt Körper und Geist Gelegenheit, sich zu erholen, sich zu regenerieren und neuronale Verbindungen für das Erwachen neu zu ordnen. Die ausgeprägten Merkmale dieser Schlafphase unterstreichen ihre besondere Bedeutung für die Gesundheit.
Bedeutung für Körper und Gehirn
Deltaschlaf ist für zahlreiche Erholungs-, Lern-, und Regenerationsprozesse entscheidend. In dieser Phase werden Wachstumshormone freigesetzt, Zellen und Gewebe unterstützt, das Immunsystem gestärkt und der Körper für den nächsten Tag aufgebaut.
Aber Deltaschlaf hat ebenso für das Gehirn entscheidende Funktionen. Er unterstützt die Konsolidierung neuer Informationen, indem der Hippocampus Informationen an den Kortex weitergibt. Dieses „Umschreiben“ geschieht im Takt der slow waves. So werden Informationen aus dem Kurzzeitgedächtnis ins Langzeitgedächtnis überführt, Verbindungen im Gehirn gestärkt oder geschwächt, und das Gehirn wird für neues Lernen geschärft.
Außerdem werden im Deltaschlaf schädliche Stoffwechselprodukte aus dem Gehirn geschwemmt. Dieses „Glymphatische System“ ist beim Slow-Wave-Sleep besonders aktiv, weil das Gehirn kleiner wird, der Raum zwischen den Zellen wächst und das Gehirnwasser Abbauprodukte ausspült. So werden zum Beispiel Beta-Amyloid und Tau, die mit Alzheimer in Zusammenhang stehen, aus dem Gehirn geschleust.
Messung von Deltaschlaf
Deltaschlaf wird mit Polysomnographie gemessen. Dabei werden Gehirnströme (EEG), Augenbewegungen und Muskelaktivität aufgezeichnet. Im EEG sind Deltawellen als ausgeprägte, niederfrequente Wellen sichtbar, die mindestens 20 % eines 30-Sekunden-Segment ausfüllen und oft über 75 Mikrovolt groß sind.
Bedeutsame Studien am Menschen
Studien von Marshall et al. (2006) zum Beispiel konnten mit transkranieller Stimulation bei 0,75 Hz den Tiefschlaf verlängern und damit das deklarative Gedächtnis am nächsten Tag verbessern. Auch intracranielle Studien (Mitra et al., 2016) unterstützen die Hypothese, dass im Deltaschlaf Informationen aus dem Hippocampus zum Kortex weitergeleitet werden. Mander et al. (2013) zeigten außerdem, dass bei älteren Menschen dieser Mechanismus geschwächt ist, weil der für slow waves entscheidende Bereich im medialen präfrontalen Kortex atrophiert. Dieses Nachlassen könnte zum Teil für das schlechtere Gedächtnis im Alter verantwortlich sein. Auch bei Alzheimer-Patienten wurde verminderter Deltaschlaf beobachtet, was mit einer Beeinträchtigung des Langzeitgedächtnisses zusammenhängt.
Aktuelle Ergebnisse und offene Fragen
Jüngere Studien haben untersucht, auf welchen Wegen man den Deltaschlaf unterstützen könnte, um das Gedächtnis und die Gehirngesundheit zu verbessern — insbesondere mit zunehmendem Alter oder bei bestimmten Krankheiten. Ein Ansatz, der viel Beachtung gefunden hat, besteht in der Anwendung von nicht-invasiven Methoden, zum Beispiel akustischen oder elektrischen Stimulationen, die mit den langsamen Oszillationen des Gehirns synchronisiert werden, um die Slow-Wave-Aktivität zu verstärken.
In einem aktuellen Experiment haben Wunderlin und Kollegen (2023) bei älteren Menschen mehrere Nächte lang phasengleich geschaltete akustische Stimulation (PLAS) im Tiefschlaf verwendet. Sie konnten dadurch anhaltende Verbesserungen in der Delta-Band-Power und der Einbindung von Schlafspindeln in den Deltaschlaf feststellen. Dieses Ergebnis wurde mit besseren Gedächtnisleistungen — sogar drei Monate danach — und positiven Veränderungen im Plasma-Amyloid-β-Spiegel in Zusammenhang gebracht. Die Ergebnisse deuten daher darauf hin, dass eine Verbesserung des Deltaschlafs nachhaltig das Gedächtnis unterstützen könnte und außerdem beim Abbau von Metaboliten im Gehirn mitwirkt — und damit neue Perspektiven eröffnet, um Demenz vorzubeugen.
Dennoch sind viele Fragen zum Deltaschlaf weiterhin ungeklärt. Zum Beispiel: Welche Rolle spielen die langsamen Wellen tatsächlich für das Gedächtnis? Wie wirken Delta-Oszillationen mit anderen Gehirnrhythmen im Schlaf zusammen? Was führt zum altersbedingt geringeren Auftreten von Slow-Waves, und ist dieser Rückgang umkehrbar?
Aus klinischer Sicht untersuchen Forschende, inwieweit Störungen im Deltaschlaf mit kognitiven Problemen bei verschiedenen Schlafstörungen zusammenhängen. So haben zum Beispiel Menschen mit Narkolepsie kaum Deltaschlaf, weil sie fast unmittelbar in den REM-Schlaf übergehen — das unterstreicht die Rolle von Hypocretin für die Aufrechterhaltung von Tiefschlaf. Auch bei Krankheiten wie obstruktiver Schlafapnoe und Insomnie wird der Deltaschlaf gestört. Laufende Studien beschäftigen sich damit, welchen Einfluss dieser gestörte Tiefschlaf auf das Gedächtnis und die Gehirngesundheit hat.
Grundsätzlich werden Instrumente wie EEG und Polysomnographie verwendet, um Deltawellen im Gehirn aufzuspüren. Wichtige Studien von Marshall et al. (2006), Mitra et al. (2016) und Mander et al. (2013) haben den Zusammenhang zwischen langsamen Oszillationen, Gedächtnis und Alterung aufgezeigt. Die aktuellen Forschungen betrachtet den Deltaschlaf als etwas Wandelbares — daher werden zum Beispiel akustische, elektrische oder medikamentöse Verfahren geprüft, um die Slow-Wave-Aktivität zu verstärken. So könnte das Lernen unterstützt und vielleicht das Fortschreiten von Gehirnerkrankungen verlangsamt werden. Dieses wachsende Forschungsgebiet trägt daher entscheidend zum besseren Verständnis von Deltaschlaf bei — mit wichtigen Perspektiven für Wissenschaft und Medizin.
Forschungsmethoden und Ergebnisse
Die Polysomnographie (PSG) wird allgemein als klinischer Standard für die Erfassung von Slow-Wave-, oder Delta-Schlaf beim Menschen betrachtet. Während der PSG werden das Elektroenzephalogramm (EEG) zusammen mit Elektrookulogramm und Elektromyogramm aufgezeichnet, um die verschiedenen Schlafstadien nach den Kriterien der „American Academy of Sleep Medicine“ (AASM) zu bestimmen. Deltawellen erscheinen im EEG als Oszillationen mit hoher Amplitude im Bereich von 0,5–4 Hz, oft mit einer Spannung von über 75 µV (peak to peak). NREM-Stadium 3, der Slow-Wave-Schlaf (SWS), wird identifiziert, wenn in mindestens 20 % eines 30-Sekunden-Abschnitts derartige langsame Wellen auftreten. Über die visuelle Klassifizierung hinaus werden Spektralanalysemethoden verwendet, um die Slow-Wave-Aktivität (SWA) anhand der Leistungsdichte im Deltaband über zahlreiche Kanäle hinweg zu quantifizieren. So ergibt sich ein objektives Maß für die Intensität des Tiefschlafs.
In einer wegweisenden Untersuchung von Marshall und Kollegen (2006) wurde transkranielle Wechselstromstimulation mit 0,75 Hz im frühen Non-REM-Schlaf verwendet, um natürliche Slow Waves zu verstärken. Studienteilnehmer, die dieser Stimulation ausgesetzt waren, zeigten danach ausgeprägtere Tiefschlafphasen und verbesserten am nächsten Morgen ihre deklarative Gedächtnisleistung im Vergleich zur Kontrollgruppe. Dieses Ergebnis liefert den klaren Beweis, dass das Verstärken kortikaler Langsamwellen das hippocampusabhängige Gedächtniskonsolidierung unterstützt.
Weitere Einblicke in die Ausbreitung von Deltawellen lieferten intrakranielle EEG-Aufnahmen bei Epilepsiepatienten. Mitra und Kollegen (2016) beobachteten, dass niederfrequente Oszillationen im SWS vom Hippocampus zum Neocortex strömten — entgegengesetzt zum Informationsfluss im Wachzustand. Dieses bidirektionale „cortico-hippocampale Gespräch“ unterstützt die Vorstellung, dass im Tiefschlaf hippocampale Gedächtnisspuren reaktiviert und in kortikale Netze integriert werden.
Altersbedingt kommt es zum Rückgang dieser Slow-Waves, was mit kognitiven Einbußen zusammenhängt. Mander und Kollegen (2013) konnten bei gesunden älteren Menschen einen Zusammenhang zwischen kleinerem Volumen im medialen präfrontalen Kortex, reduzierter non-REM-Slow-Wave-Aktivität und schlechterer Gedächtnisleistung am nächsten Tag nachweisen. Studienteilnehmer mit der geringsten slow-wave-Aktivität im Frontallappen zeigten den größten Leistungsabfall, was dafür spricht, dass dieser Verlust zum altersbedingt schlechteren Gedächtnis beitragen könnte.
Die Alzheimer-Krankheit unterstreicht die klinische Bedeutung von Deltaschlaf. Lee und Kollegen (2020) fanden bei Patienten mit Alzheimer-Demenz deutlich weniger Stadium-3-Schlaf und geringere slow-wave-Aktivität als bei gleichaltrigen Kontrollen. Die Verminderung dieser Langsamwellen ging mit erhöhten Amyloid-β-Werten im Liquor sowie ausgeprägteren Gedächtnisstörungen einher. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass gestörter Deltaschlaf sowohl als Folge als auch als Verursacher einer pathologischen Amyloidablagerung wirken könnte, indem er den normalen Abbau neurotoxischer Proteine verhindert.
Jüngste Studien am Menschen untersuchten, inwieweit das Verbessern von Deltaschlaf anhaltende Vorteile bringt. Wunderlin und Kollegen (2023) setzten bei älteren Menschen über mehrere Nächte phasengleich geschaltete akustische Stimulation (PLAS) im Slow-Wave-Schlaf ein. Dieses Vorgehen steigerte nachhaltig die slow-wave-Aktivität und das Einbetten von Schlafspindeln, und dieser Effekt wurde von besseren Gedächtnisleistungen, die sogar 3 Monate später gemessen werden konnten, sowie von niedrigeren Amyloid-β-Konzentrationen im Plasma begleitet. So eröffnet das Verbessern von Deltaschlaf potenzielle Perspektiven für den Schutz vor Demenz.
Trotz dieser Erfolge sind einige Fragen weiterhin ungeklärt. Zum Beispiel: Über welchen Mechanismus wirken slow waves auf das Gedächtnis? Wie wirken Delta-Oszillationen mit anderen Gehirnrhythmen im Schlaf zusammen? Was sind die Ursachen für den altersbedingten Rückgang dieser slow-wave-Aktivität, und ist dieser reversibel? Auch aus klinischer Sicht muss weiter untersucht werden, in welchem Zusammenhang Störungen im Deltaschlaf kognitive Einschränkungen bei Schlafstörungen verursachen. So wurde zum Beispiel bei Menschen mit Narkolepsie, bei denen der Hypocretin-Signalkreis geschädigt ist, fast kein Deltaschlaf gemessen, weil sie ebenso schnell in den REM-Schlaf übergehen. Auch bei der obstruktiven Schlafapnoe und bei Insomnie werden slow waves gestört, und zahlreiche Studien untersuchen aktuell, welchen Einfluss dieser Zusammenhang auf das Gedächtnis und die Gehirngesundheit hat.
Zusammengefasst werden in der Schlafforschung Polysomnographie und Spektralanalyse verwendet, um Deltawellen beim Menschen aufzuspüren und ihre Intensität und Verteilung objektiv zu bestimmen. Wegweisende Studien von Marshall et al. (2006), Mitra et al. (2016), Mander et al. (2013), Lee et al. (2020) und Wunderlin et al. (2023) belegen die funktionelle Bedeutung von Tiefschlaf für Gedächtniskonsolidierung, gesundes Altern und potenzielle Demenzprävention. Derzeit werden neuroanatomische Grundlagen ebenso untersucht wie Verfahren zur Erzeugung und Verteilung dieser slow waves, um daraus wirksame Behandlungen für schlafbezogene kognitive Einschränkungen abzuleiten.
Schlussgedanken
Der Delta-Zustand ist durch synchronisierte langsame Wellen gekennzeichnet, die typischerweise zwischen 0,5 und 4 Hz liegen und in der tiefsten Phase des Non-REM-Schlafs auftreten. Diese Wellen unterstützen die körperliche Regeneration, indem sie das Wachstumshormon freisetzen, das Immunsystem über Zytokine regulieren und die Konsolidierung von Erinnerungen erleichtern, indem sie die Kommunikation zwischen Hippocampus und Kortex abstimmen. Techniken wie Polysomnographie und EEG machen es möglich, Frequenz, Amplitude und Dauer dieser Delta-Wellen zu vermessen. Wichtige Studien haben gezeigt, dass das Verstärken von Slow-Waves – zum Beispiel durch transkranielle Stimulation, akustische Phasenkopplung oder Verhaltenstherapie – den Tiefschlaf zurückholen und kognitive sowie gesundheitliche Ergebnisse verbessern kann.
Erkrankungen wie Insomnie und obstruktive Schlafapnoe stören den Delta-Schlaf, indem sie die Ausschüttung von Wachstumshormonen verringern, den Abbau von neurotoxischen Proteinen beeinträchtigen und das deklarative Gedächtnis schwächen. Wirksame Behandlungen – zum Beispiel mit CPAP, kognitiver Verhaltenstherapie für Insomnie (CBT‑I), transkranieller Gleichstromstimulation (tDCS) oder akustischer Stimulation – können jedoch einen großen Teil des verlorenen Tiefschlafs zurückgewinnen, Entzündungsmarker senken und die Leistungsfähigkeit im Alltag verbessern.
Im normalen Alltag trägt das Einhalten eines regelmäßigen Schlafrhythmus, das Vermeiden von blaulichtreichen Bildschirmen am Abend und das Reduzieren von Stress ebenso zur Verbesserung des Tiefschlafs bei. So wird der Körper unterstützt, sich nachhaltig zu erholen, das Gehirn Informationen aufzubereiten und das Immunsystem gestärkt. Ein ausgeprägter Delta-Schlaf trägt daher zum allgemeinen Wohlbefinden, zur emotionalen Stabilität und zur Widerstandsfähigkeit gegenüber Krankheiten bei.
Blickt man in die Zukunft, muss die Forschung zunächst die Gehirnnetzwerke kartieren, die für das Erzeugen dieser langsamen Wellen verantwortlich sind. Auch das Zusammenspiel mit anderen Schlafformen, zum Beispiel mit Schlafspindeln, muss weiter untersucht werden. Sicherere und wirksamere pharmakologische Ansätze zur Unterstützung von Tiefschlaf sind ebenso Gegenstand neuer Studien. Langzeituntersuchungen an alten Menschen und Demenzpatienten werden Aufschluss darüber geben, in welchem Zusammenhang das Verstärken von Delta-Schlaf den kognitiven Verfall tatsächlich verzögern kann. Durch das Verknüpfen individueller Schlafprofile mit maßgeschneiderten Behandlungen könnte man den Tiefschlaf schützen und für gesundes Altern sorgen.
So ähnlich, wie Ambient-Musik für eine beruhigende Atmosphäre sorgt und unsere Stimmung und Entspannung subtil unterstützt, hat das Verstehen und Pflege unseres Delta-Schlafs ebenso leise, aber weitreichende Einflüsse auf unsere Gesundheit. Indem wir auf die Rhythmen und Muster unseres Schlafs achten, können wir für Körper und Geist die Grundlagen für Erholung, Leistungsfähigkeit und Wohlbefinden legen.
Zitierte Studien
- Iber, C., Ancoli‐Israel, S., Chesson, A. L. Jr., & Quan, S. F. (2007). The AASM Manual for the Scoring of Sleep and Associated Events: Rules, Terminology and Technical Specifications. Darien, IL: American Academy of Sleep Medicine.
- Marshall, L., Helgadóttir, H., Mölle, M., & Born, J. (2006). Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature, 444(7119), 610–613.
- Mitra A, Snyder AZ, Hacker CD, Pahwa M, Tagliazucchi E, Laufs H, Leuthardt EC & Raichle ME (2016). Human cortical–hippocampal dialogue in wake and slow-wave sleep. Proceedings of the National Academy of Science of the U.S.A. 113(44): E6868–E6876.
- Mander B.A., Rao V., Lu B., Saletin J.M., Lindquist J.R., Ancoli-Israel S., Jagust W.J., Walker M.P. (2013). Prefrontal atrophy, disrupted NREM slow waves and impaired hippocampal‐dependent memory in aging. Nature Neuroscience, 16(3), 357–364.
- Lee, J.-H., Kim, Y.-S., Park, H., & Bae, G.-Y. (2020). Reduced slow‐wave sleep in Alzheimer’s disease correlates with cerebrospinal fluid amyloid‐β levels and memory impairment. Sleep, 43(9), zsaa045.
- Espie, C. A., Broomfield, N. M., MacMahon, K. M., Macphee, L. M., & Taylor, L. M. (2006). The attention–intention–effort pathway in psychophysiologic insomnia: A theoretical review. Sleep Medicine Reviews, 10(4), 215–245.
- Riemann, D., Spiegelhalder, K., Feige, B., Voderholzer, U., Berger, M., & Perlis, M. (2010). The hyperarousal model of insomnia: a review of the concept and its evidence. Sleep Medicine Reviews, 14(1), 19–31.
- Punjabi, N. M. (2008). The epidemiology of adult obstructive sleep apnea. Proceedings of the American Thoracic Society, 5(2), 136–143.
- Irwin, M. R., Olmstead, R., & Carroll, J. E. (2016). Sleep disturbance, sleep duration, and inflammation: A systematic review and meta‐analysis of cohort studies and experimental sleep deprivation. Biol. Psychiatry 2016 (vol. 80, issue 1).
- Tasali, E., Leproult, R., Ehrmann, D. A., & Van Cauter, E. (2008). Slow‐wave sleep and the risk of type 2 diabetes in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences, 105(3), 1044–1049.
- Trinder, J., Welch, A., Cleator, M., & Kay, A. (2003). Cardiac modulation during sleep: The effect of sleep stage transitions and EEG arousals. Clinical Science, 105(4), 475–481.
- Mander, B. A., Winer, J. R., & Walker, M. P. (2017). Sleep and human aging. Neuron, 94(1), 19–36.
- Weaver, T. E., & Grunstein, R. R. (2008). Adherence to continuous positive airway pressure therapy: The challenge to effective treatment. Proceedings of the American Thoracic Society, 5(2), 173–178.
- Trauer, J. M., Qian, M. Y., Doyle, J. S., Rajaratnam, S. M., & Cunnington, D. (2015). Cognitive behavioral therapy for chronic insomnia: A systematic review and meta‐analysis. Annals of Internal Medicine, 163(3), 191–204.
- Prehn‐Kristensen, A., Munz, M., Molzow, I., Wilhelm, I., & Born, J. (2014). Transcranial oscillatory direct current stimulation during sleep improves declarative memory consolidation in children with ADHD. Brain Stimul. 2014 Nov-Dec;7(6):793–799..
- Ngo, H.-V. V., Martinetz, T., Born, J., & Mölle, M. (2013). Auditory closed‐loop stimulation of the sleep slow oscillation enhances memory. Neuron, 78(3), 545–553.
- Mendelson, W., & Gillin, J. C. (1989). Induction of slow‐wave sleep with gamma‐hydroxybutyrate. Sleep, 12(5), 539–546.
Weiterführende Literatur
- Buzsáki, G. (2006). Rhythms of the Brain. Oxford University Press.
- Diekelmann, S., & Born, J. (2010). The memory function of sleep. Nature Reviews Neuroscience, 11(2), 114–126.
- Xie, L., et al. (2013). Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science, 342(6156), 373–377.
