Wat voor invloed heeft slaap op het brein? -
Chapter 8
Wat zijn ritmes in wakker zijn en slapen?
Zowel mensen als dieren vertonen bepaald gedrag met een zekere
regelmaat. Er is daarbij sprake van een biologisch ritme. Het menselijk
lichaam heeft een biologisch ritme voor slapen en wakker zijn.
Endogene ritmes
Bij trekvogels en dieren die aan een winterslaap doen, zien we dat ze op
tijd voorbereidingen treffen voor deze winterslaap. Er is kennelijk iets
aanwezig dat, ongeacht de omstandigheden buiten het lichaam, de dieren
aanzet tot bepaald gedrag. Trekvogels lijken te weten wanneer ze weg
moeten en trekken dan naar een tropisch land. Bovendien weten ze ook
wanneer ze weer uit een tropisch land weg moeten trekken, ongeacht het
feit dat in de meeste tropische landen de temperatuur en de hoeveelheid
licht het hele jaar bijna hetzelfde blijft. Ze kunnen niet weten wanneer ze
weg moeten door op de omgeving te letten. Daarom veronderstelt men
een biologische klok die verschillende lichaamsfuncties reguleert. De
biologische klok is endogeen, gestuurd van binnenuit. Bij de
bovengenoemde dieren regelt deze klok niet alleen een dagelijks
ritme (circadiaan ritme), maar ook een jaarlijks ritme (circa-annuaal
ritme). Het circadiane ritme vind je niet alleen terug in slaap-en
waakpatronen, maar ook in eet- en drinkgedrag, lichaamstemperatuur, het
vrijkomen van hormonen, de urine-uitstoot en de gevoeligheid voor
bepaalde medicijnen. Uit verschillende onderzoeken blijkt dat zowel dieren
als mensen over zo'n dagelijks 24-uurs ritme beschikken.
Het instellen en opnieuw instellen van de biologische
klok
Meestal duurt het circadiane ritme niet precies 24 uur. We passen onze
interne activiteit aan zodat het beter past bij de wereld om ons heen.
Binnen één individu, onder dezelfde omstandigheden, blijft het redelijk
constant. Bepaalde afwijkingen worden bijvoorbeeld gecorrigeerd door
externe factoren zoals de afwisseling van dag en nacht en van licht en
donker. Voor mensen zijn er meer factoren die ervoor zorgen dat een iets
afwijkend biologisch ritme aangepast wordt aan de 24-uurse dag. Die
factoren worden ook wel zeitgebers genoemd. Voorbeelden zijn: beweging,
geluid, maaltijden en de temperatuur van de omgeving. De belangrijkste
,zeitgeber is licht. Uit verschillende onderzoeken blijkt dat het natuurlijke
circadiane ritme, zonder zeitgebers, ergens tussen de 24 en 25 uur zit.
Jetlag
Experimentele pogingen om deze ritmes te beïnvloeden laten zien dat
mensen zich moeilijk aanpassen aan een ander ritme. Mensen passen zich
makkelijker aan als de cyclus die ze volgen langer dan 24 uur is – dit is het
geval als ze naar het westen reizen – dan als de cyclus die ze volgen
korter dan 24 uur is – dit is het geval als ze naar het oosten reizen.
Een jetlag is een onderbreking van circadiane ritmes die te wijten is aan
het veranderen van tijdzones. Het is de mismatch tussen de interne
circadiane klok en de externe klok.
Afwisselend werk
Bij mensen die veel ’s nachts werken en dus overdag slapen, is er sprake
van een verminderde kwaliteit van de slaap, maar ook van een
verminderde kwaliteit van het waakleven. Men voelt zich vaak wat duf,
wat ook leidt tot meer ongelukken op het werk. Hun lichaamstemperatuur
bereikt de hoogste waarde als ze proberen te slapen en niet als ze werken
(normaal gesproken is de lichaamstemperatuur tussen het midden en het
eind van de middag op zijn hoogst). Een methode om problemen tegen te
gaan is de nachtploeg te laten werken in heel helder licht. Uit onderzoek
blijkt dat de biologische klok zich dan wel aanpast. De biologische klok is
moeilijk te ontregelen in normale omstandigheden.
Ochtendmensen en avondmensen
Circadiane ritmes verschillen wel per persoon. Sommige mensen
(ochtendmensen) staan vroeg op, zijn snel productief en zijn minder actief
later op de dag. Anderen (avondmensen) staan later op en worden
langzamer actief dan ochtendmensen. Ze zijn actiever in de namiddag of
avond. Niet iedereen is onder te verdelen in deze twee categorieën en het
verschilt ook per leeftijd. Tot aan je twintigste wordt het moment waarop je
wilt gaan slapen steeds later. Daarna verandert dit langzamerhand de
andere richting op. Ouderen zijn het meest productief vlak na het wakker
worden, terwijl jongeren later op de dag actiever worden.
Mechanismen van de biologische klok
De biologische klok wordt door de hersenen gegenereerd. Invloeden van
buitenaf kunnen bijna geen invloed hebben op de werking van deze
biologische klok.
,De nucleus suprachiasmaticus (SCN)
De biologische klok is afhankelijk van de nucleus suprachiasmaticus
(SCN), het deel van de hypothalamus dat boven het optische chiasme ligt.
De SCN zorgt voor de belangrijkste controle over de circadiane ritmes van
slaap en temperatuur. Als de SCN wordt beschadigd, worden de ritmes
minder constant en zijn ze niet langer aangepast aan omgevingspatronen
van licht en donker. Het SCN produceert circadiane ritmes op een manier
die niet aangeleerd is, maar die wordt gecontroleerd door genen.
Neuronen van de SCN produceren impulsen met een circadiaan ritme, zelfs
na verwijdering uit het oorspronkelijke brein. Een enkele, geïsoleerde SCN-
cel kan het circadiane ritme in stand houden, ook al zorgt interactie tussen
cellen voor een preciezer ritme.
Hoe licht de SCN opnieuw instelt
De tractus retinohypothalamicus is een zenuwbaan die vanaf de retinale
ganglioncellen in de retina van beide ogen door de oogzenuw en het
optische chiasme naar de SCN loopt. Axonen van die baan veranderen de
‘instellingen’ van de SCN. De meeste input komt niet van de normale
retinareceptoren, maar van een speciaal soort retinale ganglioncellen met
hun eigen soort fotopigment, menalopsine, een ander soort fotopigment
dan dat van kegeltjes en staafjes. Deze speciale ganglioncellen reageren
direct op licht, ook al krijgen ze geen input van de kegeltjes en staafjes. Ze
ontvangen wel input van de kegeltjes en staafjes, wat hun eigen reactie op
licht versterkt. Ze zijn niet gelijkmatig verdeeld over de retina, maar
bevinden zich voornamelijk bij de neus. De ganglioncellen reageren op de
gemiddelde hoeveelheid licht, niet op plotselinge veranderingen in licht en
ze dragen niet bij aan visie.
De biochemie van het circadiane ritme
Om de circadiane ritmes te bestuderen gebruiken onderzoekers insecten,
omdat hun genetische basis eenvoudiger te onderzoeken is. Bij
fruitvliegjes (drosophila) hebben ze twee genen ontdekt, periode en
tijdloos, die circadiane ritmes genereren. Deze genen produceren de
proteïnes PER en TIM. Deze proteïnes hebben een kleine hoeveelheid in
het begin van de dag. De hoeveelheid neemt toe naar mate de dag
vordert. ’s Avonds bereiken ze een hoog niveau waardoor de vlieg gaat
slapen. De productie van proteïnes stopt en de concentratie daalt tot het
begin van de ochtend, het moment waarop de cyclus opnieuw begint. Als
het niveau van PER en TIM hoog is, is er sprake van interactie tussen PER
en TIM en een proteïne die Klok heet, waardoor de behoefte aan slaap
veroorzaakt wordt. De genen die de circadiane ritmes controleren zijn
bijna hetzelfde bij zoogdieren en insecten. Het begrijpen van deze
, mechanismen kan handig zijn om bepaalde slaapstoornissen te verklaren.
Mutaties in genen kunnen leiden tot abnormaal slaapgedrag.
Melatonine
De SCN zorgt voor controle over slaap- en waakritmes door het controleren
van activiteitniveaus van andere hersengebieden, zoals de pijnappelklier,
een endocriene klier die zich achter de hypofyse bevindt. De pijnappelklier
laat melatonine vrij, een hormoon dat zowel de circadiane ritmes als de
circannuale ritmes beïnvloedt. Melatonine wordt meestal ’s nachts
uitgescheden, waardoor we rond die tijd slaperig worden. De uitscheiding
begint meestal twee of drie uur voor bedtijd. Het dagelijks gebruik van
melatonine kan de biologische klok beïnvloeden. Melatonine heeft een
paar voordelige effecten op de gezondheid, maar de lange termijneffecten
zijn nog niet bekend.
Hoe werken de slaapfases en betrokken
hersenmechanismen?
Slaap en andere onderbrekingen van bewustzijn
Slaap is een staat die het brein actief produceert en het wordt
gekarakteriseerd door een afname van hersenactiviteit en reacties op
stimuli. Coma, daarentegen, is een lange periode van onbewust zijn,
veroorzaakt door hersenschuddingen, beroertes of ziektes. Je kunt een
persoon die slaapt wel wakker maken, maar iemand in coma niet. Tijdens
een vegetatieve staat wisselt een persoon tussen periodes van slaap en
gematigde opwinding, maar in beide staten heeft de persoon geen
bewustzijn van de omgeving. Een minimale staat van bewustzijn is een
stadium hoger, met zo nu en dan periodes van zinvolle acties en een
begrensde hoeveelheid spraak en begrip. Hersendood is een conditie
zonder tekenen van hersenactiviteit of reacties op stimuli.
De fases van slaap
Onderzoekers wisten niet dat slaap uit verschillende fases bestond, totdat
ze deze fases per ongeluk maten. Met behulp van een EEG konden
hersenonderzoekers hersenactiviteit gedurende de verschillende fases
onderzoeken. Een combinatie van een EEG en oogbewegingsmetingen
heet polisomnografie. Alfagolven zijn karakteristiek voor ontspanning, niet
voor volledige waakzaamheid. In fase 1 (N1) is de slaap net begonnen en
laat de EEG onregelmatige, scherp getande lage spanningsgolven zien. De
hersenactiviteit is minder dan bij ontspannen waakzaamheid, maar meer
dan bij andere fases. Fase twee (N2) wordt gekenmerkt door K-
complexen en ‘sleep spindles’ op de EEG. ‘Sleep spindles’ bestaan uit 12
tot 14 Hz golven tijdens een uitbarsting die ten minste een halve seconde
Chapter 8
Wat zijn ritmes in wakker zijn en slapen?
Zowel mensen als dieren vertonen bepaald gedrag met een zekere
regelmaat. Er is daarbij sprake van een biologisch ritme. Het menselijk
lichaam heeft een biologisch ritme voor slapen en wakker zijn.
Endogene ritmes
Bij trekvogels en dieren die aan een winterslaap doen, zien we dat ze op
tijd voorbereidingen treffen voor deze winterslaap. Er is kennelijk iets
aanwezig dat, ongeacht de omstandigheden buiten het lichaam, de dieren
aanzet tot bepaald gedrag. Trekvogels lijken te weten wanneer ze weg
moeten en trekken dan naar een tropisch land. Bovendien weten ze ook
wanneer ze weer uit een tropisch land weg moeten trekken, ongeacht het
feit dat in de meeste tropische landen de temperatuur en de hoeveelheid
licht het hele jaar bijna hetzelfde blijft. Ze kunnen niet weten wanneer ze
weg moeten door op de omgeving te letten. Daarom veronderstelt men
een biologische klok die verschillende lichaamsfuncties reguleert. De
biologische klok is endogeen, gestuurd van binnenuit. Bij de
bovengenoemde dieren regelt deze klok niet alleen een dagelijks
ritme (circadiaan ritme), maar ook een jaarlijks ritme (circa-annuaal
ritme). Het circadiane ritme vind je niet alleen terug in slaap-en
waakpatronen, maar ook in eet- en drinkgedrag, lichaamstemperatuur, het
vrijkomen van hormonen, de urine-uitstoot en de gevoeligheid voor
bepaalde medicijnen. Uit verschillende onderzoeken blijkt dat zowel dieren
als mensen over zo'n dagelijks 24-uurs ritme beschikken.
Het instellen en opnieuw instellen van de biologische
klok
Meestal duurt het circadiane ritme niet precies 24 uur. We passen onze
interne activiteit aan zodat het beter past bij de wereld om ons heen.
Binnen één individu, onder dezelfde omstandigheden, blijft het redelijk
constant. Bepaalde afwijkingen worden bijvoorbeeld gecorrigeerd door
externe factoren zoals de afwisseling van dag en nacht en van licht en
donker. Voor mensen zijn er meer factoren die ervoor zorgen dat een iets
afwijkend biologisch ritme aangepast wordt aan de 24-uurse dag. Die
factoren worden ook wel zeitgebers genoemd. Voorbeelden zijn: beweging,
geluid, maaltijden en de temperatuur van de omgeving. De belangrijkste
,zeitgeber is licht. Uit verschillende onderzoeken blijkt dat het natuurlijke
circadiane ritme, zonder zeitgebers, ergens tussen de 24 en 25 uur zit.
Jetlag
Experimentele pogingen om deze ritmes te beïnvloeden laten zien dat
mensen zich moeilijk aanpassen aan een ander ritme. Mensen passen zich
makkelijker aan als de cyclus die ze volgen langer dan 24 uur is – dit is het
geval als ze naar het westen reizen – dan als de cyclus die ze volgen
korter dan 24 uur is – dit is het geval als ze naar het oosten reizen.
Een jetlag is een onderbreking van circadiane ritmes die te wijten is aan
het veranderen van tijdzones. Het is de mismatch tussen de interne
circadiane klok en de externe klok.
Afwisselend werk
Bij mensen die veel ’s nachts werken en dus overdag slapen, is er sprake
van een verminderde kwaliteit van de slaap, maar ook van een
verminderde kwaliteit van het waakleven. Men voelt zich vaak wat duf,
wat ook leidt tot meer ongelukken op het werk. Hun lichaamstemperatuur
bereikt de hoogste waarde als ze proberen te slapen en niet als ze werken
(normaal gesproken is de lichaamstemperatuur tussen het midden en het
eind van de middag op zijn hoogst). Een methode om problemen tegen te
gaan is de nachtploeg te laten werken in heel helder licht. Uit onderzoek
blijkt dat de biologische klok zich dan wel aanpast. De biologische klok is
moeilijk te ontregelen in normale omstandigheden.
Ochtendmensen en avondmensen
Circadiane ritmes verschillen wel per persoon. Sommige mensen
(ochtendmensen) staan vroeg op, zijn snel productief en zijn minder actief
later op de dag. Anderen (avondmensen) staan later op en worden
langzamer actief dan ochtendmensen. Ze zijn actiever in de namiddag of
avond. Niet iedereen is onder te verdelen in deze twee categorieën en het
verschilt ook per leeftijd. Tot aan je twintigste wordt het moment waarop je
wilt gaan slapen steeds later. Daarna verandert dit langzamerhand de
andere richting op. Ouderen zijn het meest productief vlak na het wakker
worden, terwijl jongeren later op de dag actiever worden.
Mechanismen van de biologische klok
De biologische klok wordt door de hersenen gegenereerd. Invloeden van
buitenaf kunnen bijna geen invloed hebben op de werking van deze
biologische klok.
,De nucleus suprachiasmaticus (SCN)
De biologische klok is afhankelijk van de nucleus suprachiasmaticus
(SCN), het deel van de hypothalamus dat boven het optische chiasme ligt.
De SCN zorgt voor de belangrijkste controle over de circadiane ritmes van
slaap en temperatuur. Als de SCN wordt beschadigd, worden de ritmes
minder constant en zijn ze niet langer aangepast aan omgevingspatronen
van licht en donker. Het SCN produceert circadiane ritmes op een manier
die niet aangeleerd is, maar die wordt gecontroleerd door genen.
Neuronen van de SCN produceren impulsen met een circadiaan ritme, zelfs
na verwijdering uit het oorspronkelijke brein. Een enkele, geïsoleerde SCN-
cel kan het circadiane ritme in stand houden, ook al zorgt interactie tussen
cellen voor een preciezer ritme.
Hoe licht de SCN opnieuw instelt
De tractus retinohypothalamicus is een zenuwbaan die vanaf de retinale
ganglioncellen in de retina van beide ogen door de oogzenuw en het
optische chiasme naar de SCN loopt. Axonen van die baan veranderen de
‘instellingen’ van de SCN. De meeste input komt niet van de normale
retinareceptoren, maar van een speciaal soort retinale ganglioncellen met
hun eigen soort fotopigment, menalopsine, een ander soort fotopigment
dan dat van kegeltjes en staafjes. Deze speciale ganglioncellen reageren
direct op licht, ook al krijgen ze geen input van de kegeltjes en staafjes. Ze
ontvangen wel input van de kegeltjes en staafjes, wat hun eigen reactie op
licht versterkt. Ze zijn niet gelijkmatig verdeeld over de retina, maar
bevinden zich voornamelijk bij de neus. De ganglioncellen reageren op de
gemiddelde hoeveelheid licht, niet op plotselinge veranderingen in licht en
ze dragen niet bij aan visie.
De biochemie van het circadiane ritme
Om de circadiane ritmes te bestuderen gebruiken onderzoekers insecten,
omdat hun genetische basis eenvoudiger te onderzoeken is. Bij
fruitvliegjes (drosophila) hebben ze twee genen ontdekt, periode en
tijdloos, die circadiane ritmes genereren. Deze genen produceren de
proteïnes PER en TIM. Deze proteïnes hebben een kleine hoeveelheid in
het begin van de dag. De hoeveelheid neemt toe naar mate de dag
vordert. ’s Avonds bereiken ze een hoog niveau waardoor de vlieg gaat
slapen. De productie van proteïnes stopt en de concentratie daalt tot het
begin van de ochtend, het moment waarop de cyclus opnieuw begint. Als
het niveau van PER en TIM hoog is, is er sprake van interactie tussen PER
en TIM en een proteïne die Klok heet, waardoor de behoefte aan slaap
veroorzaakt wordt. De genen die de circadiane ritmes controleren zijn
bijna hetzelfde bij zoogdieren en insecten. Het begrijpen van deze
, mechanismen kan handig zijn om bepaalde slaapstoornissen te verklaren.
Mutaties in genen kunnen leiden tot abnormaal slaapgedrag.
Melatonine
De SCN zorgt voor controle over slaap- en waakritmes door het controleren
van activiteitniveaus van andere hersengebieden, zoals de pijnappelklier,
een endocriene klier die zich achter de hypofyse bevindt. De pijnappelklier
laat melatonine vrij, een hormoon dat zowel de circadiane ritmes als de
circannuale ritmes beïnvloedt. Melatonine wordt meestal ’s nachts
uitgescheden, waardoor we rond die tijd slaperig worden. De uitscheiding
begint meestal twee of drie uur voor bedtijd. Het dagelijks gebruik van
melatonine kan de biologische klok beïnvloeden. Melatonine heeft een
paar voordelige effecten op de gezondheid, maar de lange termijneffecten
zijn nog niet bekend.
Hoe werken de slaapfases en betrokken
hersenmechanismen?
Slaap en andere onderbrekingen van bewustzijn
Slaap is een staat die het brein actief produceert en het wordt
gekarakteriseerd door een afname van hersenactiviteit en reacties op
stimuli. Coma, daarentegen, is een lange periode van onbewust zijn,
veroorzaakt door hersenschuddingen, beroertes of ziektes. Je kunt een
persoon die slaapt wel wakker maken, maar iemand in coma niet. Tijdens
een vegetatieve staat wisselt een persoon tussen periodes van slaap en
gematigde opwinding, maar in beide staten heeft de persoon geen
bewustzijn van de omgeving. Een minimale staat van bewustzijn is een
stadium hoger, met zo nu en dan periodes van zinvolle acties en een
begrensde hoeveelheid spraak en begrip. Hersendood is een conditie
zonder tekenen van hersenactiviteit of reacties op stimuli.
De fases van slaap
Onderzoekers wisten niet dat slaap uit verschillende fases bestond, totdat
ze deze fases per ongeluk maten. Met behulp van een EEG konden
hersenonderzoekers hersenactiviteit gedurende de verschillende fases
onderzoeken. Een combinatie van een EEG en oogbewegingsmetingen
heet polisomnografie. Alfagolven zijn karakteristiek voor ontspanning, niet
voor volledige waakzaamheid. In fase 1 (N1) is de slaap net begonnen en
laat de EEG onregelmatige, scherp getande lage spanningsgolven zien. De
hersenactiviteit is minder dan bij ontspannen waakzaamheid, maar meer
dan bij andere fases. Fase twee (N2) wordt gekenmerkt door K-
complexen en ‘sleep spindles’ op de EEG. ‘Sleep spindles’ bestaan uit 12
tot 14 Hz golven tijdens een uitbarsting die ten minste een halve seconde
