Slaap en Leren

Vertaald door Malgorzata Duszczyk

Zijn we, wanneer we slapen, slechts passief aan het bijkomen van een zware dag, of is er meer aan de hand? Angelika Börsch-Haubold bespreekt de implicaties van fascinerend onderzoek – had haar oma dan toch gelijk? Test zelf de conclusies van de onderzoekers!

Mijn oma zei altijd dat een goede nachtrust onontbeerlijk is om te kunnen leren. Ze stond er zelfs op dat voor middernacht naar bed gaan het beste was. Kinderen gaan meestal graag naar bed wanneer ze moe zijn, maar de meeste tieners beschouwen laat opblijven als onderdeel van hun onafhankelijkheid van de bemoeienis van hun ouders. En de samenleving lijkt dit goed te keuren: tegenwoordig slapen we 20% minder dan onze voorouders omdat we onszelf aanzetten tot langere werkdagen en ook graag onze avonden volplannen met sociale activiteiten (Hargreaves, 2000).

Iedereen weet dat onze eigen cognitieve vermogens verzwakt zijn als het de avond ervoor laat geworden is, zelfs als we regelmatig ook maar iets te kort slapen. Schattingen gaan ervan uit dat vermoeidheid een belangrijke oorzaak is in één-derde van alle verkeersongevallen, en de belangrijkste oorzaak in ongevallen met dodelijke afloop bij 18- to 25-jarigen. Maar niet alleen je eigen leven wordt in gevaar gebracht door te kort te slapen. In een anonieme enquete in San Francisco, gaf 40% van het ondervraagde ziekenhuispersoneel toe, vanwege een door vermoeidheid veroorzaakte fout, verantwoordelijk te zijn voor de dood van ten minste één patient.

Een simpele aanwijzing voor het hebben van slaaptekort is de behoefte overdag in slaap te vallen. Dit overkomt leerlingen tijdens de les, studenten boven hun studieboeken, reizende zakenlieden, of bejaarden voor de TV. Slaaptekort is dus een wijdverbreid verschijnsel, en naast de mogelijk dodelijke gevolgen, maakt het inbreuk op ons vermogen dingen te onthouden, en dus te leren.

Verankering van het geheugen en plotseling inzicht

In de laatste paar jaren hebben wetenschappers ontdekt dat slaap meer is dan slechts het verfrissen van onze zenuwcellen. Onze hersenen zijn tijdens het slapen actief in een leerproces verwikkeld (Huber et al., 2004) dat essentieel is voor de vorming van het lange-termijngeheugen. Het eerste geheugen dat ontstaat wanneer we een nieuwe taak leren is nog kwetsbaar. Enige tijd daarna begint een automatisch proces wat geheugensverankering wordt genoemd, dat dit geheugen stabiliseert. Tijdens het slapen gaat deze geheugensverankering door, en versterkt dan zelfs het geheugen. Onze hersenen presteren dus beter na een middagdutje, en zelfs veel beter na een volle nacht slaap (Stickgold, 2005). Dus als we een moeilijk probleem proberen op te lossen, werken onze hersenen door aan de oplossing tijdens onze slaap. Hierdoor kunnen we soms meemaken dat we plotseling iets begrijpen, tot een inzicht komen, wat soms zelfs door een droom aangezet kan zijn. Hieronder worden twee experimenten beschreven die het effect van slaap op geheugensverankering en plotseling inzicht meten.

Wat gebeurt er met onze hersenen tijdens onze slaap?

De hypothalamus is het centrale reguleringsorgaan van het autonome zenuwstelsel. Het regelt het bioritme van onze lichaamstemperatuur, hormoonhuishouding, eetlust en slaap. Het heeft een neurale schakelaar die ‚wakker-zenuwen’ en ‚slaap-zenuwen’ reguleert. Een plotse overschakeling naar de slaapmodus (het in slaap vallen) betekent dat de slaapzenuwen afvuren om de wakkerzenuwen tegen te werken. Deze schakeling wordt gestabiliseerd door een derde groep zenuwen, of neuronen, anders zouden we s’nachts vaak wakker worden (Saper et al., 2005). Om dit neurale mechanisme dat de basis van slaap vormt in te zien, moeten we ons drie kinderen op een wip voorstellen. Twee kinderen zitten aan de uiteinden van een wip en gaan op en neer – dat is de schakel. Het derde kind zit in het midden – door zich naar een van beide kanten te verplaatsen stopt het de wipbeweging – dit is de stabilisator.

Dit dynamische systeem zorgt voor de verschillende fasen van slaap die al enige tijd bekend zijn: de zogenaamde rapid eye-movement (snelle oogbeweging – REM) slaap waarin we dromen, en non-REM slaap met de lichte slaapfasen I en II en de diepe slaapfasen III en IV. Het patroon van een nacht slaap bestaat uit cycli van 90 minuten die elk weer bestaan uit fasen van lichte en diepe slaap. Een lange periode van fase III – en IV slaap wordt gevolgd door een korte periode van REM – en fase I slaap. Gedurende de nacht worden de diepe slaap fasen korter en de droomfasen langer.

De fysiologische functies van slaap lijken tweeslachtig: Ten eerste is non-REM slaap een periode met een lage stofwisseling, waarin de energieopslag van adenosine trifosfaat (ATP), dat wordt verbruikt als we wakker zijn, weer wordt aangevuld. Het degradatieprodukt van ATP, adenosine, werkt als een fysiologisch slaapmiddel door direct de slaap-neuronen te activeren. Ten tweede speelt slaap een sleutelrol in neurale plasticiteit, want tijdens het slapen worden belangrijke verbindingen tussen neuronen versterkt, terwijl onbelangrijke, toevallige verbindingen, verwijderd worden. Alle verschillende stadia van slaap zijn betrokken bij slaap-afhankelijk leren.

Slaap-afhankelijke geheugensverbetering

Het effect van slaap op leren is het makkelijkst te kwantificeren door metingen te doen aan het onbewuste leerproces. Dit kan gedaan worden door motorische vaardigheden te testen, zoals met de vingers tikken op een toetsenbord of een lijn, die op een computerscherm afgebeeld is, na te trekken, of door waarnemingsvaardigheden te testen, zoals het kunnen onderscheiden van diagonale strepen op een achtergrond van horizontale strepen.

In de tik-opdracht moeten proefpersonen herhaaldelijk zo snel mogelijk een nummervolgorde typen, bijvoorbeeld 4-1-3-2-4 (zie kader). Ze worden de eerste 5 minuten steeds beter, en daarna bereiken ze een verbetering van 60% over 12 tests van 30 seconden (Stickgold, 2005). Als dezelfde dag nog, 4 tot 12 uur later, nog eens wordt getest, is geen verbetering merkbaar. Maar na een nacht slaap wordt de precisie van het typen gemiddeld 20% vergroot. Na nog eens twee nachten wordt een verdere verbetering van 26% gemeten. Deze gegevens demonstreren duidelijk het proces van geheugensverbetering als gevolg van slaap.

Slaap helpt echter slechts als we niet teveel tegelijkertijd met behulp van hetzelfde soort geheugen proberen te leren. Als tijdens het tik-experiment meteen na de eerste trainingssessie een tweede, niet verwante nummervolgorde wordt geleerd, wordt alleen het tikken van deze tweede volgorde verbeterd door te slapen (Walker et al., 2003). Verschillende tijdstippen waarop getest en hertest werd laten zien dat het geheugen een eerste verankeringsfase ondergaat binnen 10 minuten tot 6 uur na het leren, en alleen dan weerstand biedt aan concurrerend geheugen dat tussenbeide kan komen. Toch kunnen korte periodes van herhaling (zoals bij het hertesten) het geheugen laten terugkeren tot een labiele toestand waarin het weer kwetsbaar wordt voor tussenkomst van een concurerrende herinnering die verankerd moet worden.

Het wetenschappelijke bewijs voor slaap-afhankelijke verankering van ons geheugen voor geburtenissen (wat er gisteren gebeurd is) en feiten (de naam van een collega op het werk) is zwakker. Hoewel, bij proefpersonen die werden gevraagd onzinnige lettergrepen te onthouden of associaties tussen woordenparen te vinden, zorgde vroeg naar bed gaan (rijk aan diepe slaap) voor stabilisering van dit ‚declaratieve geheugen’ (Stickgold, 2005).

Slaap en plotseling inzicht

Plotseling inzicht is een vorm van complex cognitief leren. Een belangrijk voorbeeld van hoe slaap tot plotseling inzicht kan leiden wordt gegeven door de ontdekker van de dubbele helix, James Watson. Toen hij in 1953 werkte aan de basenparingsregel, een belangrijke voorwaarde voor het oplossen van de driedimensionale structuur van DNA, dacht hij dat hij een manier gevonden had om de vier basen (adenine, guanine, cytosine en thymine) te paren in soort-bij-soort structuren door waterstofbruggen. Snel merkten zijn collega-kristallografen op dat dit model om twee redenen nooit correct kon zijn. Ten eerste werd Watson verteld dat guanine en thymine waarschijnlijk in de zogenaamde keto-configuratie zouden voorkomen (in tegenstelling tot tekeningen in studieboeken die de enol-configuratie voorstelden): ten tweede werd hij herinnerd aan de regel van Chargaff: dat gemiddeld evenveel adenine als thymine, guanine of cytosine aanwezig is in de structuur van DNA.

Met deze nieuwe kennis op zak vond Watson niet gelijk dezelfde dag de oplossing. Hij was wel meteen aan het werk gegaan met kartonnen modellen van de basen, maar pas de volgende ochtend schreef hij: „Plotseling werd ik bewust dat een adenine-thymine paar dat wordt samengehouden door twee waterstofbruggen, identiek van vorm is aan een guanine-cytosine basenpaar [...] Alle waterstofbruggen leken natuurlijk te worden gevormd [...] Chargaff’s regel bleek plotseling een logisch gevolg van de dubbel-helix-structuur van DNA“ (Watson, 1980). De dubbele helix van Watson en Crick was geboren.

Wager en zijn medewerkers hebben een test ontworpen die precies bepaalt waneer zo een abstract inzicht ontstaat tijdens het leren (Kader 2; Wagner et al., 2004). Proefpersonen passen een standaard algoritme (bestaande uit 2 simpele regels) toe om een acht-tallige getalreeks te herleiden tot een antwoord. Ze weten niet dat er een truukje bestaat om het antwoord af te leiden. Het percentage proefpersonen dat dit shortcut of verborgen regel ontdekt als ze hertest worden is 22% in de wakker-groep tegen 60% in de slaapgroep. De ontdekking van een complexe regel, een van de meest geraffineerde menselijke cognitieve activiteiten, wordt dus veel makkelijker na een nacht slaap, zelfs als de proefpersoon niet wist dat er een regel was die ontdekt moest worden.

Conclusie

Recent onderzoek naar slaap en leren heeft mijn oma’s gezegde een degelijke onderbouwing gegeven. Als je daarbij de aanwijzingen voor een wijd verbreid slaaptekort in onze samenleving optelt, word je bewust dat het tijd wordt onze slaapgewoontes te herwaarderen. Omdat we een leven lang profijt hebben van efficiente leerstrategieen, zou een inzicht in de slaapvoorwaarden van het brein ons moeten leren hoe te leren, werken en te spelen in harmonie met, in plaats van tegen onze neurofysiologische achtergrond. Slaap er maar een nachtje over.

Experimenteel protocol voor de tik-opdracht Download voor de tik-opdracht het voorgeprogrammeerde Excel werkblad FingerTap.xlsw1. Sla voor elke leerling een kopie onder zijn/haar naam op. De leerlingen werken samen in tweetallen.
Een van hen (die rechtshandig moet zijn) zet vier vingers van zijn/haar rechterhand op toetsen 1 t/m 4 van het toetsenbord van de computer (zie afbeelding). Beginnend met kolom ‚run 1’ moet deze proefpersoon herhaaldelijk de vijfcijferige code bovenaan zo snel en accuraat mogelijk intikken. Na elke cijfervolgorde moet de leerling de ‚enter’ toets met zijn/haar rechterhand intoetsen om de cursor een cel naar beneden in het werkblad te laten gaan. De partner meet de tijd. Elke run wordt gedurende 30 seconden uitgevoerd, gevolgd door 30 seconden rust. De trainingsfase bestaat uit 12 runs (zie de kolommen ‚training’ ‘run 1’ t/m ‘run 12’ in het werkblad). De hertest (‘hertest’ kolommen ‘run 1’ t/m ‘run 6’) wordt onder dezelfde omstandigheden uitgevoerd, ofwel 6-8 uur later op dezelfde dag (de niet-slaap groep) of de volgende dag na een volle nacht slaap (de slaap-groep).	De tik-opdracht uitvoeren
Het eerste blad van het Excel werkblad is geprogrammeerd om alle correct ingetikte codes te tellen en het resultaat weer te geven onder ‚score’ (rij 56). Het tweede blad analyseert automatisch de data, zet in een grafiek het run-nummer tegen de score uit en vergelijkt de resulaten van de training met die van de hertest. Om het verschil tussen de niet-slaap groep en de slaap-groep te kwantificeren wordt het gemiddelde aantal correct ingetoetste codes van de trainingsfase vergeleken met die van de hertest. De gemiddelden van elke leerling worden automatisch berekend door Excel. Voorbeelden van ingevulde spreadsheets kunnen worden gedownload van de website van Science in School w1.

Experimenteel protocol voor de afleidingstest De leerlingen wordt een standaard algoritme onderwezen om uit een achtcijferige getalreeks (bestaande uit de getallen 1, 4 en 9) een uiteindelijke oplossing af te leiden (zie afbeelding). Ze moeten twee simpele regels toepassen:
De afleidingstest	de ‚gelijkheidsregel’ die stelt dat het resultaat van twee identieke getallen hetzelfde getal is (bv. 1 en 1 resulteert in 1) de ‚ongelijkheidsregel’ die stelt dat het resultaat van twee verschillende getallen het overgebleven derde getal is (bv. 1 en 4 resulteren in 9).
Na het eerste antwoord wordt een vergelijking gemaakt tussen het voorafgaande resultaat en het volgende getal (bijvoorbeeld tussen de omcirkelde getallen: de pijl wijst naar het correcte resultaat). Het zevende antwoord is de uiteindelijke oplossing. De tijd om deze af te leiden moet worden gemeten. De leerlingen weten niet dat er een ‚verborgen regel’ is: de reeksen worden zo gegenereerd dat het tweede antwoord van elke poging hetzelfde is als de uiteindelijke oplossing. Inzicht in deze regel verkort sterk de tijd om tot de uiteindelijke oplossing van een reeks te komen. Voor het starten van het experiment moeten de studenten zonder fouten tien oefenreeksen oplossen (deze volgen niet de verborgen regel) om er zeker van te zijn dat ze de gelijkheids- en ongelijkheidsregel begrijpen. Een Word document met oefen- en experimentele cijferreeksen (NumberRed.doc) kan worden gedownloadw1. Het experiment bestaat uit een trainingsfase (drie blokken opdrachten van elk 30 getalreeksen), een periode van acht uur wakker blijven of acht uur slapen en een hertest (tien blokken opdrachten). Aan het einde van het experiment wordt het percentage proefpersonen die de regel hebben ingezien berekend en de slaap-groep wordt vergeleken met de wakker-groep. In de oorspronkelijke publicatie werd de tijd die nodig was om een reeks op te lossen bij de slaap-groep drastisch gereduceerd van 8.7 tot 2.4 seconden. Bij de voorbereiding van het experiment moet ervoor gezorgd worden dat de leerlingen niet weten dat er een verborgen regel is. Wanneer een leerling al tijdens de training de verborgen regel ontdekt, moeten zijn/haar data weggelaten worden uit de uiteindelijke analyse.

Ter kennisgeving

Met dank aan Robert Stickgold (Harvard Medical School, Boston, MA, Verenigde Staten) en Ullrich Wagner (Universiteit van Lübeck, Duitsland), die het hierin beschreven onderzoek hebben uitgevoerd, voor hun commentaar op het ontwerp van de klassikale activiteiten.

Referenties

Hargreaves S (2000) Health, happiness, and a good night's sleep. The Lancet 355: 155

Huber R, Ghilardi MF, Massimini M, Tonomi G (2004) Local sleep and learning. Nature 430: 78-81

Saper CB, Scammell TE, Lu J (2005) Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms. Nature 437: 1257-1263

Stickgold R (2005) Sleep-dependent memory consolidation. Nature 437: 1272-1278

Wagner U, Gais S, Haider H, Verleger R, Born J (2004) Sleep inspires insight. Nature 427: 352-355

Walker MP, Brakefield T, Hobson JA, Stickgold R (2003) Dissociable stages of human memory consolidation and reconsolidation. Nature 425: 616-620

Watson J (1980) The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA. New York, NY, USA: W. W. Norton & Company

Webreferenties

w1 – Alle materialen die nodig zijn voor de oefeningen kunnen hier gedownload worden:

• FingerTap.xls
• FingerTapEx1.xls
• FingerTapEx2.xls
• NumberRed.doc