Slaap er eerst
een nachtje over

Slaap is nodig om het geheugen op te frissen en opgedane informatie in goede banen te leiden, althans dat beweert elke moeder en elke dekaan. Maar klopt dat wel? De grootste uitvinder aller tijden, Thomas Edison, werkte ook op hoge leeftijd gemiddeld achttien uur per dag en kon toe met een uur of vier slaap per nacht.

Wetenschappers die willen bepalen of slaap echt zo nuttig is voor je geheugen, stuiten op een probleem. Hoe meet je dat? Bij een test zal iemand die de hele nacht niet geslapen heeft, zeker minder alert zijn en slechtere resultaten halen dan een uitgeruste tegenspeler. Robert Stickgold, onderzoeker aan de medische faculteit in Boston, bedacht een manier om dit probleem te omzeilen. Zijn bevindingen heeft hij gepubliceerd in het decembernummer van het wetenschappelijk tijdschrift Nature Neuroscience.

Stickgold schotelde aan proefpersonen een computerscherm voor waarop ze lastig te onderscheiden figuren moesten zoeken. Een deel van de groep kreeg daarna een normale nachtrust, de overige proefpersonen moesten wakker blijven. Vervolgens mocht iedereen twee nachten goed uitrusten. Toen daarna de test herhaald werd, bleek de eerste groep veel beter uit de bus te komen dan degenen die de eerste nacht niet mochten slapen. Ze presteerden zelfs beter dan tijdens de eerste test. Stickgold concludeert daaruit dat er in de nacht na de test van alles gebeurt met de overdag opgedane kennis.

„Het onderzoek van Stickgold is een extra bewijs dat slaap en geheugen niet los van elkaar staan”, zegt psycholoog dr. Jaap Murre die als onderzoeker is verbonden aan de Universiteit van Amsterdam. „Het interessante aan de bevinding is dat de verworven kennis zonder extra te leren toch verbetert.”

Zeepaardje
Psychologen voeren al sinds het begin van de negentiende eeuw testjes uit om de relatie tussen slaap en geheugen te verklaren. Proefpersonen kregen van de onderzoekers een taak, de ene groep 's morgens, de andere 's avonds. Bij een tweede test, die in beide gevallen acht uur later werd afgenomen, presteerden proefpersonen beter als ze tussendoor een nachtje mochten slapen. De uitgeruste groep bleek zelfs in sommige gevallen in de tussentijd meer vaardigheden te hebben opgedaan.

Halverwege de twintigste eeuw begrijpen wetenschappers steeds beter hoe opslag van informatie in het geheugen in zijn werk gaat. Bij het onthouden van nieuwe gegevens speelt de hippocampus een belangrijke rol, een deel van de hersenen waarvan de vorm een beetje doet denken aan een zeepaardje (Latijn: hippocampus). Tijdens de slaap wordt de informatie getransporteerd naar de hersenschors, het buitenste deel van het brein. Daar heeft de opslag in het geheugen plaats, zodat de herinnering niet meer verdwijnt. Deze beveiliging van de informatie heet consolideren, alsof je informatie opslaat op de harde schijf van een computer.

Netwerk
Hoe doen de hersenen dat precies? In het brein zijn 8 miljard zenuwcellen –neuronen– verantwoordelijk voor de overdracht van signalen. De cellen zijn via uitlopers met elkaar verbonden en vormen een netwerk. De uitlopers geven signalen aan elkaar door in de vorm van een elektrisch stroompje van enkele microvolts. Bij elke activiteit die een proefdier, bijvoorbeeld een rat, onderneemt, loopt een stroompje door de hersenen. Wanneer de rat dezelfde activiteit nogmaals uitvoert, zal de stroom in het brein op dezelfde manier verlopen als de vorige keer.

Bij een rat die in een nieuwe kooi wordt geplaatst, lopen de stroompjes anders, vertelt Murre. „Begin jaren negentig ontwikkelden twee neurobiologen aan de Universiteit van Arizona een techniek om in één keer 120 neuronen door te kunnen meten. Als onderzoekers een rat in een nieuwe kooi plaatsen, gaat het dier op verkenning uit en meet de apparatuur nieuwe activiteit. Opvallend is dat ze diezelfde activiteit ook meten op het moment dat de rat in diepe slaap is. Daaruit blijkt dat in de diepe slaap iets gebeurt met de overdag beleefde gebeurtenissen. Iets dergelijks is ook aan te tonen bij vogels die overdag een liedje leren.”

Wissen
De dingen die in de diepe droomslaap aan ons voorbijgaan en die zo belangrijk blijken te zijn voor het geheugen, kunnen we ons de volgende morgen niet herinneren. De flarden van droombeelden waar we 's ochtends mee opstaan, hebben hun oorsprong in de REM-slaap, een lichte vorm die de diepe slaap afwisselt.

De functie van 'echte' dromen voor het geheugen zijn volgens Murre nog niet duidelijk. „Begin jaren tachtig kwam de wetenschapper Francis Crick, een van de ontdekkers van de structuur van het DNA, met de stelling dat tijdens de REM-slaap het brein wordt schoongemaakt. We zouden alle nutteloze informatie wissen, en de meest bizarre combinaties maken. In onze computermodellen, waarin we het proces van geheugen en slaap simuleren, kunnen we geen bewijzen vinden voor deze stelling. Daarom denken we nu dat deze gedachtegang niet juist is, maar echt bewijzen kunnen we het niet en niet iedereen is er dan ook van overtuigd.”

Aan de Amsterdamse universiteit maken wetenschappers gebruik van computermodellen waarmee ze de werking van het brein zo veel mogelijk imiteren. „Het programma heeft dezelfde structuur als de hersenen en berekent hoe zenuwcellen reageren op een prikkel”, zegt Murre. „Ook werken we met wiskundige formules. Een wiskundig bewijs is het mooiste.”

Lichtschakelaar
Door de hippocampus van proefdieren tijdens de slaap uit te schakelen, denken wetenschappers meer feiten te verzamelen over de werking van het geheugen. Met lidocaïne, een middel dat in de medische wereld veel wordt toegepast om plaatselijk te verdoven, kan de hippocampus op non-actief worden gezet. Maar volgens Murre valt het niet mee om met medicamenten een deel van de hersenen net als het licht met een schakelaar aan en uit te zetten. „Zo'n stof blijft niet in de hippocampus, maar zwermt uit over de rest van de hersenen. Daar veroorzaakt het allerlei neveneffecten die de resultaten van de test negatief beïnvloeden. Ook duurt het even voor zo'n stof helemaal is uitgewerkt.”

Een deel van de hersenen dat kouder is dan 15 graden Celsius werkt niet meer, terwijl de cellen in de omgeving gewoon hun functie uitoefenen. De onderzoeksgroep waaraan Murre leiding geeft, ontwikkelt in samenwerking met een aantal koelingenieurs een koelelement. Ingeplant in de hersenen van een rat schakelt het apparaatje de hippocampus 's nachts uit.

„We zijn bijna klaar met het ontwerpen van het koelapparaatje”, vertelt Murre enthousiast. „Het prototype is gereed, maar de technische beperkingen zijn groot. Het koelelement dat we in de hersenen inbouwen, moet heel klein zijn. Met een draadje zit de rat vast aan een koelsysteempje, maar dat mag zijn bewegingsvrijheid niet noemenswaardig beïnvloeden. Voorzover nu bekend is, heeft het koelen van de hippocampus geen nadelige effecten op de werking van de hersenen. Ook niet als er herhaaldelijk opwarming en afkoeling plaatsheeft.” Murre verwacht over ongeveer een halfjaar de eerste resultaten.

Vijand
Wat er precies gebeurt in de hersenen tijdens de slaap is nog lang niet duidelijk. Maar dat het brein tot veel in staat is, daar kan Murre de nodige staaltjes van vertellen. „Dolfijnen slapen niet. Dan zouden ze direct zinken. Om toch aan de nodige rust te komen, is steeds een ander deel van de hersenen actief. En wat te denken van vogels die op een rijtje op een tak zitten, terwijl ieder moment een vijand langs kan komen? De vogel links heeft zijn linkeroog open. Alleen het rechterdeel van zijn hersenen is dan actief. Het dier aan de rechterkant doet het precies andersom. Door beide taken onderling af te wisselen, vinden ze een compromis tussen rust en veiligheid.”

Slaapritme