Winterschlaf amerikanischer Schwarzbären in Alaska: Gehirnaktivität und Schlaf

Der Winter zwingt amerikanische Schwarzbären für fünf bis sechs Monate in ihre Höhlen. Viele stellen sich das als einen einzigen langen Schlaf vor – doch Hirnaufzeichnungen aus Alaska zeigen, dass der Winterschlaf dieser Tiere ganz anders abläuft.

In der Höhle schliefen die Bären in der untersuchten Phase nur rund 65% des Tages. Die übrige Zeit waren sie im Dunkeln wach, eingerollt und nahezu regungslos.

Diese Beobachtung ist nicht nur für die Bärenbiologie relevant: Ein Bär im Winterschlaf senkt seinen Stoffwechsel um etwa 75% und hält diesen Zustand über Monate aufrecht, ohne dass dabei Muskeln oder Knochen Schaden nehmen.

Forschende verfolgten die Gehirnaktivität der Bären

Die Messdaten stammen von Bären, die in Freigehegen in Fairbanks (Alaska) untergebracht waren. Implantierte Telemetriegeräte zeichneten kontinuierlich Hirnwellen, Augenbewegungen und Muskelaktivität auf.

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

Eine Aufzeichnung entstand mitten im Winterschlaf am Höhepunkt eines Körpertemperatur-Zyklus, eine zweite nahe dem Tiefpunkt desselben Zyklus und die dritte im Sommer.

Drei erfahrene Schlafexpertinnen und -experten bewerteten unabhängig jedes 10‑Sekunden‑Segment der Aufzeichnungen. Als Endergebnis galt jeweils die Mehrheitsentscheidung. Uneinig waren sie sich nur bei 0.5% der Segmente – fast ausschliesslich in Momenten, in denen die Bären zwischen Schlaf und Wachsein wechselten.

Schwarzbären bleiben still wach

Nach diesem Konsens verbrachten die Bären im Winterschlaf 42.9% des Tages im Non‑REM‑Schlaf, 22% im REM‑Schlaf und 34.6% wach.

Tøien, Affiliate Senior Research Scientist am Institute of Arctic Biology der Universität, beantwortete Earth.com per E‑Mail Fragen dazu, was die Tiere während des rund einen Drittels Wachzeit eigentlich taten.

„Auch wenn wir dafür noch eine systematischere Bewertung brauchen, ist der erste Eindruck, dass der Grossteil dieser Wachstunden das ist, was wir stilles Wachsein nennen – das bedeutet: nicht ganz eingeschlafen, aber fast ohne jede Bewegung“, schrieb Tøien an Earth.com.

„In einer Videoaufzeichnung würden sie die meiste Zeit so aussehen, als würden sie schlafen – aber die Hirnwellenaktivität zeigt etwas anderes“, sagte er.

Im Winter doppelt so viel Schlaf wie im Sommer

Im Sommer zeigten dieselben Bären ein deutlich anderes Muster. Auf Non‑REM‑Schlaf entfielen 21.9% des Tages und auf REM‑Schlaf 9.7%. Wach waren die Tiere 68% der Zeit.

In der Höhle lag die Gesamtschlafzeit bei 2.05‑mal dem Sommerwert. Am stärksten nahm der REM‑Schlaf zu – die Phase, die mit Träumen verbunden ist –, und zwar auf 2.26‑mal seinen Sommeranteil.

Die Wachzeit entwickelte sich entsprechend in die Gegenrichtung und sank auf etwa die Hälfte des Sommerniveaus. Sämtliche Unterschiede waren statistisch robust. Zudem stimmten die automatischen Auswertungen und die Bewertungen durch Menschen in allen diesen Punkten überein.

Stoffwechsel bremst stark, das Gehirn bleibt warm

Der Winterschlaf eines Bären ist keine „Tiefkühlphase“ wie bei einem Erdhörnchen. Die Körperkerntemperatur sinkt im Durchschnitt nur um etwa 5.5 °C (10 °F): von ungefähr 38 °C (100 °F) auf Werte zwischen 30 und 35 °C (86 bis 95 °F).

Beim Stoffwechsel zeigt sich dagegen ein viel drastischeres Bild. Er fällt auf etwa ein Viertel der normalen Ruhe-Rate ab. Diese Reduktion ist deutlich grösser, als sich allein aus der vergleichsweise kleinen Temperaturänderung erklären liesse.

Gerade weil das Gehirn warm bleibt, lässt sich ein Bär im Winter grundsätzlich jederzeit aufwecken. Kleinere Winterschläfer fallen in eine Starre, in der es so kalt wird, dass keine auswertbare Hirnaktivität mehr messbar ist.

Deren Schlaf kann daher nur während der kurzen Aufwärmphasen zwischen den Starre-Episoden bewertet werden. Bären – sowohl Schwarz- als auch Braunbären – halten ihre Gehirnaktivität während des gesamten Winterschlafs aufrecht.

Fünf Jahre Hirnaufzeichnungen von Bären

Die Alaska-Gruppe sammelte über fünf Jahre hinweg mehr als 3,500 Tage Polysomnografie von 16 Schwarzbären – sowohl während als auch ausserhalb des Winterschlafs. Für keinen anderen grossen Winterschläfer gibt es ein vergleichbares Archiv. Ausgerechnet seine Grösse wird jedoch zum Problem.

Schlaf manuell zu bewerten bedeutet, alle 10 Sekunden in jedem Kanal zu beurteilen. Das lässt sich für ein derart umfangreiches Material nicht über Jahre hinweg vollständig von Hand leisten. Deshalb prüften die Forschenden, ob sich die Daten stattdessen zuverlässig per Software auslesen lassen.

Die entscheidende Frage war, ob man einem System vertrauen kann, wenn sich die Hirntemperatur über den Winter hinweg verschiebt.

Zwei KI-Systeme bewerteten den Bärenschlaf

Zwei Klassifikatoren traten gegeneinander an. Somnotate ist ein Open‑Source‑Scorer auf probabilistischer Basis, entwickelt an der University of Oxford, und wurde hier mit vollständigen Tagesaufzeichnungen trainiert.

Somnivore ist ein kommerzielles Paket aus einer Ausgründung der University of Melbourne. Es lernt aus einem kleinen, gelabelten Ausschnitt jeder Datei, die es bewertet.

Beide Verfahren lagen nahe am menschlichen Konsens. Die F‑Maße – ein strenger Genauigkeitswert, der sowohl Auslassungen als auch Fehlalarme bestraft – lagen überwiegend zwischen 0.90 und 0.98.

Die Gesamtgenauigkeit erreichte mit den besten Trainings-Setups 92% bis 93.6%. Einzelne menschliche Bewertende stimmten in 94.5% der Fälle mit dem Gruppenkonsens überein.

KI entsprach den Expertinnen und Experten fast

Damit lag die Software nur um etwa zwei Prozentpunkte hinter einer geschulten Person. Während des Winterschlafs unterschieden sich die ermittelten Anteile von Schlaf und Wachsein statistisch nicht signifikant vom menschlichen Konsens.

Angesichts der Temperaturschwankungen, die der Körper der Bären über den Winter durchläuft, hatte das Team genau dieses Ergebnis nicht erwartet.

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

Die Werte seien so nah an der manuellen Auswertung derselben Daten gewesen, erklärte er, dass die Software auch in biologischer Hinsicht keine unerwarteten neuen Befunde geliefert habe.

Im Sommer tat sich die Software mit dem Schlaf schwer

Der Sommer erwies sich als anspruchsvoller als der Winter. Beide Programme überschätzten dort den Schlaf leicht – um 2.4% beim Non‑REM‑Schlaf – und erfassten das Wachsein um 4% bis 5% zu niedrig.

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

Ausserdem glitten die Tiere eher in und aus Schläfrigkeit, statt sich stabil einzupendeln. Auch das Training musste entsprechend vorsichtig gehandhabt werden.

Wurde Somnivore mit Daten eines anderen Bären trainiert als jenes Tier, das bewertet werden sollte, brach die Genauigkeit im Winterschlaf von 92.7% auf 69.7% ein.

Einige wenige Dateien brachten beide Programme an Grenzen; die Scores lagen dort zwischen 0.67 und 0.88. Es handelte sich jeweils um dieselben Dateien, was die Autorinnen und Autoren als Hinweis werteten, dass die Aufzeichnungen selbst mehrdeutig waren.

Studie erfasste nur die Mitte des Winterschlafs

Die angegebenen Schlafanteile beruhen auf zwei Tagen pro Bär, jeweils in der Mitte des Winterschlafs. Das ist die kälteste Phase der Saison, in der Zittern die Messkurven beeinflussen kann. Tøien betont, die Studie sei ein erster Schritt in einem länger angelegten Vorhaben – und die Zahlen sollten auch so verstanden werden.

„Thus the present analysis gives an early snapshot from the coldest period during mid-hibernation“, sagt er. „More extensive analysis will be needed forward for a better understanding of the sleep patterns and how they develop through hibernation.“

Bevor das Verhältnis als feststehend gilt, möchten die Autorinnen und Autoren längere Zeiträume bei mehr Tieren auswerten lassen. Ausserdem handelte es sich um in Gefangenschaft gehaltene Bären in isolierten, künstlichen Höhlen – nicht um Wildtiere in einer Erd- oder Felshöhle am Hang.

Die Publikation warnt zudem davor, ungewöhnliche Zustandswechsel allein aus automatisierten Bewertungen abzuleiten. Am meisten tat sich die Software beim Übergang in den REM‑Schlaf schwer.

Bärenschlaf könnte der Humanmedizin helfen

Nachdem die Methode validiert ist, kann das gesamte Archiv automatisch bewertet werden, statt nur stichprobenartig von Hand. Der Nutzen wäre ein durchgängiges Bild des Schlafs über eine komplette Winterschlafsaison hinweg – einschliesslich der mehrtägigen Körpertemperatur-Zyklen, die Bären in der Höhle durchlaufen.

Für grosse Winterschläfer gab es so etwas bislang nicht. Bären stehen immer wieder im Fokus, weil es um therapeutische Hypometabolie geht – also darum, den Stoffwechsel eines Körpers gezielt für medizinische Anwendungen oder lange Raumflüge zu verlangsamen. Bären schaffen das, während sie warm bleiben und zugleich wach genug sind, um aufzuwachen.

Der Schlaf wirkt nun eher wie ein Bestandteil dieses Gesamtpakets und nicht wie ein blosses Nebenprodukt. Ein Bär benötigt offenbar doppelt so viel Schlaf, während er nur mit einem Viertel „Tempo“ läuft.

Für Tøien bleibt dabei die Frage, wie ein Tier monatelange sensorische Deprivation in einer dunklen Höhle aushält, obwohl sein Gehirn warm genug für Bewusstsein bleibt.

„Auch wenn eine Antwort darauf ist, während des Winterschlafs mehr zu schlafen, wirft das eher eine Frage zur Schlafregulation auf“, sagt er. „The bears appear to be sleeping much more than expected from what we often call sleep need.“

Menschen tragen ebenfalls ruhende Gene für Winterschlaf in sich. Das Bärenarchiv könnte am Ende zeigen, welche Rolle Schlaf spielt, während ein Körper im Leerlauf läuft.

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