Winterschlaf von Schwarzbären: Hirnaufzeichnungen aus Alaska zeigen überraschende Schlafmuster

Der Winter treibt Amerikanische Schwarzbären für fünf bis sechs Monate in ihre Höhlen. Die meisten Menschen stellen sich darunter einen einzigen langen Schlaf vor. Hirnaufzeichnungen aus Alaska zeigen jedoch, dass der Winterschlaf von Schwarzbären völlig anders abläuft.

Die Bären dieser Studie schliefen in der Höhle ungefähr 65 % des Tages. Die übrige Zeit waren sie im Dunkeln wach, eingerollt und nahezu regungslos.

Das ist nicht nur für die Biologie der Bären relevant. Ein überwinternder Bär senkt seinen Stoffwechsel um etwa 75 %. Diesen Zustand kann er monatelang aufrechterhalten, ohne seine Muskeln oder Knochen massiv zu schädigen.

Forschende überwachten die Hirnaktivität von Bären

Die Aufzeichnungen stammen von Bären, die in Freigehegen in Fairbanks im US-Bundesstaat Alaska lebten. Implantierte Telemetriegeräte zeichneten ihre Hirnwellen, Augenbewegungen und Muskelaktivität auf.

Geleitet wurde die Arbeit von Øivind Tøien von der University of Alaska Fairbanks (UAF) gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Stanford. Das Team wertete von jedem der sechs Bären drei Aufzeichnungen von jeweils 24 Stunden aus.

Eine Aufnahme stammte aus der Mitte des Winterschlafs am Höhepunkt eines Körpertemperaturzyklus, eine weitere nahe dem Tiefpunkt und die dritte aus dem Sommer.

Drei erfahrene Schlafexpertinnen und Schlafexperten bewerteten unabhängig voneinander jedes 10-Sekunden-Segment der Aufzeichnungen. Das Mehrheitsurteil wurde als Endergebnis festgelegt. Nur bei 0,5 % der Segmente herrschte Uneinigkeit, fast ausschliesslich dann, wenn die Bären zwischen Schlafen und Wachsein wechselten.

Schwarzbären bleiben still wach

Nach diesem Konsens verbrachten die überwinternden Bären 42,9 % des Tages im Non-REM-Schlaf, 22 % im REM-Schlaf und 34,6 % wach.

Tøien, affiliierter leitender Wissenschafter am Institute of Arctic Biology der Universität, beantwortete Earth.com per E-Mail Fragen dazu, was die Bären während jenes Drittels des Tages machten, in dem sie wach waren.

„Während wir dafür eine systematischere Beurteilung brauchen werden, ist der erste Eindruck, dass die meisten dieser wachen Stunden das sind, was wir ruhiges Wachsein nennen. Das bedeutet, sie schlafen nicht ganz, bewegen sich aber kaum“, sagte Tøien zu Earth.com.

„Nach einer Videoaufnahme würden sie während des grössten Teils dieser Zeit aussehen, als ob sie schlafen, doch die Hirnwellenaktivität zeigt etwas anderes“, sagte er.

Doppelt so viel Schlaf wie im Sommer

Dieselben Bären zeigten sich im Sommer deutlich anders. Der Non-REM-Schlaf machte 21,9 % des Tages aus, der REM-Schlaf 9,7 %. Die Tiere waren 68 % der Zeit wach.

Der Gesamtschlaf in der Höhle betrug das 2,05-Fache des Sommerwerts. Der REM-Schlaf, jene Phase, die mit Träumen verbunden ist, stieg am stärksten an und erreichte das 2,26-Fache seines Sommeranteils.

Die Wachzeit entwickelte sich in die entgegengesetzte Richtung und fiel auf etwa die Hälfte des Sommerniveaus. Sämtliche dieser Unterschiede waren statistisch deutlich. Die maschinellen Bewertungen und die menschlichen Bewertungen stimmten in jedem Fall überein.

Der Stoffwechsel der Bären verlangsamt sich, das Gehirn bleibt warm

Der Winterschlaf eines Bären ist nicht mit dem tiefen Durchfrieren eines Erdhörnchens vergleichbar. Die Körperkerntemperatur sinkt im Schnitt nur um etwa 5,5 °C. Sie fällt von rund 38 °C auf 30 bis 35 °C.

Beim Stoffwechsel zeigt sich ein anderes Bild. Er sinkt auf ungefähr ein Viertel der normalen Ruheumsatzrate. Diese Verringerung ist weitaus stärker, als die geringe Temperaturänderung erklären könnte.

Da das Gehirn warm bleibt, kann ein Bär zu jedem Zeitpunkt im Winter aufgeweckt werden. Kleinere Winterschläfer geraten in eine Torporphase, in der es für lesbare Hirnaktivität zu kalt wird.

Ihr Schlaf lässt sich nur während der kurzen Aufwärmphasen zwischen den Torporperioden bewerten. Bären, sowohl Schwarz- als auch Braunbären, halten ihre Gehirne während des Winterschlafs aktiv.

Fünf Jahre Hirnaufzeichnungen von Bären

Die Alaska-Gruppe sammelte über fünf Jahre mehr als 3.500 Tage Polysomnografie von 16 Schwarzbären, während und ausserhalb des Winterschlafs. Für keinen anderen grossen Winterschläfer gibt es ein vergleichbares Archiv. Gerade dessen Umfang stellt jedoch auch das Problem dar.

Schlaf manuell zu bewerten bedeutet, alle 10 Sekunden jeden einzelnen Kanal zu beurteilen. Kein Team kann das über ein Jahrzehnt an Aufzeichnungen hinweg leisten. Daher prüften die Forschenden, ob Software die Dateien stattdessen auswerten könnte.

Die schwierigere Frage lautete, ob man ihr bei einem Gehirn vertrauen kann, dessen Temperatur den ganzen Winter über schwankt.

Zwei KI-Systeme bewerteten den Schlaf der Bären

Zwei Klassifikatoren traten gegeneinander an. Somnotate ist ein quelloffenes, probabilistisches Bewertungssystem, das an der University of Oxford entwickelt wurde. In dieser Untersuchung wurde es mit vollständigen Tagesaufzeichnungen trainiert.

Somnivore ist ein kommerzielles Paket eines Spin-offs der University of Melbourne. Es lernt aus einem kleinen, markierten Abschnitt jeder Datei, die es auswertet.

Beide kamen dem menschlichen Konsens nahe. Die F-Masse, ein strenger Genauigkeitswert, der Fehlklassifikationen und falsche Alarme gleichermassen bestraft, lagen überwiegend zwischen 0,90 und 0,98.

Mit den besten Trainingskonfigurationen erreichte die Gesamtgenauigkeit 92 % bis 93,6 %. Einzelne menschliche Bewertende stimmten in 94,5 % der Fälle mit dem Gruppenkonsens überein.

KI erreichte beinahe das Niveau menschlicher Expertinnen und Experten

Damit lag die Software nur etwa zwei Prozentpunkte hinter einer geschulten Person. Während des Winterschlafs unterschieden sich ihre Schlaf- und Wachzeitwerte überhaupt nicht signifikant vom menschlichen Konsens.

Angesichts der starken Schwankungen der Körpertemperatur von Bären im Laufe eines Winters hatte das Team dieses Ergebnis nicht erwartet.

„Wir waren tatsächlich überrascht, wie gut das maschinelle Lernen im Vergleich zur manuellen Bewertung funktionierte, obwohl die Körpertemperatur an den beiden analysierten Tagen auf recht unterschiedlichen Niveaus lag“, sagte Tøien.

Die Werte lagen seiner Aussage nach so nahe an der manuellen Auswertung derselben Daten, dass die Software hinsichtlich der Biologie selbst keine Überraschungen lieferte.

Software hatte mit Sommerschlaf Schwierigkeiten

Der Sommer war anspruchsvoller als der Winter. Beide Programme überschätzten dort den Schlaf leicht, beim Non-REM-Schlaf um 2,4 %, und erfassten die Wachzeit um 4 % bis 5 % zu niedrig.

Die Sommeraufzeichnungen waren unruhiger. Bären bewegen sich, Muskelsignale überlagern die Augen- und Hirnkanäle, und die Telemetrie fällt aus.

Zudem wechseln die Tiere zwischen Schläfrigkeit und Wachheit, anstatt sich in einen stabilen Zustand einzufinden. Auch das Training muss daher sorgfältig erfolgen.

Wurde Somnivore mit einem anderen Bären trainiert als jenem, dessen Daten bewertet wurden, brach die Genauigkeit im Winterschlaf von 92,7 % auf 69,7 % ein.

Eine kleine Zahl von Dateien überforderte beide Programme und erzielte Werte zwischen 0,67 und 0,88. In beiden Fällen handelte es sich um dieselben Dateien, was die Autorinnen und Autoren als Hinweis darauf deuteten, dass die Aufzeichnungen selbst mehrdeutig waren.

Studie erfasste nur die Mitte des Winterschlafs

Die Schlafsummen beruhen auf zwei Tagen pro Bär in der Mitte des Winterschlafs. Das ist die kälteste Phase der Saison, in der Zittern die Aufzeichnung beeinflussen kann. Tøien betont, dass die Publikation der erste Schritt eines längerfristigen Vorhabens sei und die darin enthaltenen Zahlen entsprechend gelesen werden sollten.

„Daher liefert die vorliegende Analyse eine frühe Momentaufnahme aus der kältesten Phase während der Mitte des Winterschlafs“, sagt er. „Für ein besseres Verständnis der Schlafmuster und ihrer Entwicklung im Verlauf des Winterschlafs werden künftig umfassendere Analysen erforderlich sein.“

Die Autorinnen und Autoren möchten längere Zeiträume bei mehr Tieren bewerten, bevor das Verhältnis als feststehend gilt. Zudem handelte es sich um Bären in Gefangenschaft in isolierten künstlichen Höhlen, nicht um Wildtiere in einer Höhle am Hang.

Die Studie warnt davor, sich bei der Behauptung ungewöhnlicher Zustandsübergänge ausschliesslich auf automatisierte Bewertungen zu stützen. Besonders schwer tat sich die Software beim Eintritt in den REM-Schlaf.

Bärenschlaf könnte der Humanmedizin helfen

Nachdem die Methode bestätigt wurde, lässt sich das gesamte Archiv automatisch bewerten, statt lediglich Stichproben händisch auszuwerten. Der Gewinn wäre ein Bild des Schlafs über eine vollständige Winterschlafsaison hinweg. Darin wären auch die mehrtägigen Körpertemperaturzyklen enthalten, die Bären in der Höhle durchlaufen.

Für einen grossen Winterschläfer gab es das bisher nicht. Forschende beschäftigen sich immer wieder mit Bären wegen des therapeutischen Hypometabolismus – also der gezielten Verlangsamung des Stoffwechsels für medizinische Anwendungen oder lange Raumflüge. Bären meistern diesen Zustand, während sie warm bleiben und wach genug sind, um aufzuwachen.

Schlaf erscheint nun als Teil dieses Gesamtpakets und nicht bloss als Begleiterscheinung. Ein Bär braucht davon doppelt so viel, während sein Organismus mit einem Viertel der Geschwindigkeit arbeitet.

Für Tøien besteht das Rätsel darin, wie ein Tier Monate sensorischer Deprivation in einer dunklen Höhle übersteht, während sein Gehirn warm genug für Bewusstsein bleibt.

„Eine Antwort darauf ist zwar, während des Winterschlafs mehr zu schlafen, doch dadurch stellt sich vielmehr die Frage nach der Schlafregulation“, sagt er. „Die Bären scheinen deutlich mehr zu schlafen, als wir aufgrund dessen erwarten würden, was wir oft Schlafbedarf nennen.“

Menschen tragen eigene ruhende Gene für den Winterschlaf in sich. Das Bärenarchiv könnte letztlich zeigen, was Schlaf bewirkt, während ein Körper im Leerlauf ist.