Schlaf und großmotorisches Lernen bei Schulkindern und Erwachsenen

Das vorliegende interdisziplinäre Projekt zielt darauf ab, die förderlichen Einflüsse von Schlaf auf das großmotorische Lernen bei Schulkindern und Erwachsenen zu untersuchen. Als innovative und ökologisch valide Aufgabe dient das Fahren mit einem Inversionsfahrrad, welches aufgrund seiner gegengleichen Lenkung neu erlernt werden muss. Im letzten Jahrzehnt wurde vielfach der Nachweis erbracht, dass Schlaf für die Konsolidierung von Gedächtnis, unter anderem prozedurales Gedächtnis und motorisches Lernen im Speziellen, eine funktionelle Rolle spielt. Für das motorische Lernen zeigte sich, dass Schlaf in die Offline- oder Wiederverarbeitung von kleinmotorischen Aufgaben (z.B. Finger-Tapping, Spiegelzeichnen) involviert ist. Hinsichtlich großmotorischer Aufgaben, welche die Kontrolle und Steuerung der Mehrzahl der Körpergelenke erfordern (z.B. Radfahren, Skifahren) gibt es kaum Befunde, obwohl sich diese aufgrund ihrer zentralen Rolle in der Alltagsmotorik wesentlich auf die Entwicklung im Kindesalter auswirken. Unter diesem Gesichtspunkt zielt unser Projekt darauf ab, folgende drei fundamentalen, eng zusammenhängenden Fragen zu beantworten: (1) Spielt Schlaf eine funktionelle Rolle für die Konsolidierung von großmotorischen real-life Aufgaben? (2) Gibt es altersspezifische Parameter, die diese schlafabhängige Konsolidierung beim großmotorischen Lernen regulieren? (3) Besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Gehirnaktivität, welche während der großmotorischen Aktivität mittels Elektroenzephalographie gemessen wird, Schlafparametern (z.B. Schlafspindeln, langsame Oszillationen, rasche Augenbewegungen) und großmotorischer Leistung? In Kooperation mit dem Fachbereich für Sport- und Bewegungswissenschaft können die Leistung beim Inversionsradfahren mittels eigens entwickelter Mess- und Analysesysteme exakt bestimmt und dadurch unsere Hypothesen zum Thema Schlaf und großmotorisches Lernen untersucht werden. 40 gesunde Männer im Alter zwischen 20 und 30 Jahren werden im Rahmen eines kombinierten within- und between-subjects Designs untersucht. Nachdem sie gelernt haben mit dem Inversionsrad zu fahren, werden sie einer der beiden Bedingungen, "Schlaf" oder "Wach", zugeteilt. Zur Evaluierung altersabhängiger Mechanismen werden zusätzlich 40 Schulkinder im Alter von 9 bis 10 Jahren getestet. Die großmotorische Leistung wird anhand von Bahnkurven und Fahrverhalten mittels einem speziell für diese Studie angefertigten Fahrrad gemessen. Aufwendige, quantitative EEG-Analysetechniken (z.B. Ereignis- /Aufgaben-korrelierte Synchronisation, Phasenkohärenz, Gabor wavelet basierte Power- und Frequenzanalysen) werden verwendet, um neurokognitive Schlüsselmechanismen während dem Lernen, der Konsolidierung und dem anschließenden Abruf zu identifizieren. Die erhobenen Daten erlauben neue Einsichten in die kognitiven Funktionen von Erwachsenen als auch insbesondere von Kindern und dienen zur theoriebezogenen Klärung, ob und inwiefern alltägliche großmotorische Fertigkeiten tatsächlich in verschiedenen Altersgruppen von Schlaf beeinflusst werden. Die Ergebnisse dieses Projektes sollen auf sehr hohem, internationalem Niveau publiziert werden, da sie wesentlich zu unserem Verständnis für das Lernen und die Konsolidierung von großmotorischen Fertigkeiten bei Kindern und Erwachsenen sowie für die spezifische Bedeutung von Schlaf für diese Prozesse beitragen.

Kann Schlaf motorisches Lernen und Umlernen fördern? Stellen sie sich folgende Situationen vor: #1 - Sie leihen sich den Laptop eines Freundes. Dabei stellen sie zunächst verärgert fest, dass sie Probleme mit dem Navigieren haben, denn die Maus reagiert schneller, als sie es von ihrem eigenen Computer gewohnt sind. Glücklicherweise benötigt ihr Gehirn jedoch nur ein paar Minuten, um sich an die neuen Gegebenheiten anzupassen und schon bald können Sie den Mauszeiger mit hoher Genauigkeit über den Bildschirm bewegen. #2 - Sie laufen eine Treppe hinunter und verschätzen sich dabei etwas mit der Höhe einer Stufe. Ihr motorisches System nutzt diesen kleinen, kaum wahrnehmbaren Fehler sofort, um den nächsten Schritt dementsprechend anzupassen. #3 - Für gewöhnlich verwenden sie das europäische Standardtastaturformat QWERTZ. Während eines Besuchs in Amerika müssen sie ihre E-Mails jedoch mittels QWERTY-Tastatur beantworten, wodurch sie sich häufig vertippen und deutlich mehr Zeit zum Schreiben benötigen. Diese drei Beispiele zeigen, wie wichtig motorische Anpassung im alltäglichen Leben ist. In unserem Forschungsprojekt verwendeten wir unter anderem eine innovative und auf das Alltags- geschehen geschehen übertragbare Aufgabe: Das Fahren mit einem verkehrt lenkenden Fahrrad. Zur Ermittlung der Fahrleistung wurden Fahrgeschwindigkeit und Lenkgenauigkeit berücksichtig. In einer ersten Studie trainierten wir gesunde männliche Probanden im Alter zwischen 20 und 30 Jahren mit dem verkehrt lenkenden Fahrrad zu fahren und konnten zeigen, dass Schlaf verglichen mit einer Wachphase die großmotorische Leistung in Bezug auf die Fahrtgeschwindigkeit fördert. Des weiteren zeigten Probanden, die am Abend trainiert, anschließend geschlafen und am nächsten Morgen erneut getestet wurden, kaum Verluste bei der Lenkgenauigkeit, während Probanden, die am Morgen trainiert und 8 Stunden später (ohne dazwischen zu schlafen) wieder getestet wurden, deutlich an Lenkgenauigkeit einbüßten. Bezüglich unserer Hypothese zur Gehirnaktivität während des Schlafes und deren Einfluss auf großmotorische Leistung, konnten wir feststellen, dass die Probanden, die in der Nacht nach dem Training mit dem inversen Fahrrad eine stärkere Schlafspindel- aktivität aufwiesen, zugleich diejenigen waren, die ihre Leistung über Nacht verbessern konnten. In einer weiteren Studie trainierten wir gesunde Kinder zwischen 11 - 14 Jahren mit dem verkehrt lenkenden Fahrrad zu fahren. Während die Veränderungen in der Fahrleistung zunächst keine Hinweise auf eine schlafabhängige Gedächtniskonsolidierung lieferten, zeigte sich, dass ein Anstieg der Schlafspindelaktivität von der Kontrollnacht (ohne vorangegangenes motorisches Umlernen) zur Lernnacht (mit vorangegangenem motorischem Umlernen), mit einem Anstieg der Lenkgenauigkeit über Nacht einherging. Zudem war eine Reduktion des REM-Schlafanteils mit einer Verbesserung der Lenkgenauigkeit über Nacht assoziiert, wohingegen ein Anstieg der REM-Schlafdauer für eine Verbesserung der Fahrtgeschwindigkeit förderlich war. Insgesamt darf daher vermutet werden, dass Schlaf bereits im Kindesalter eine Rolle beim motorischen Umlernen spielt.