Schwarzbären im Winterschlaf: KI analysiert die Hirnaktivität in Alaska

Im Winter ziehen sich Amerikanische Schwarzbären für fünf bis sechs Monate in ihre Höhlen zurück. Viele Menschen stellen sich darunter einen einzigen langen Schlaf vor. Hirnaufzeichnungen aus Alaska zeigen jedoch, dass der Winterschlaf von Schwarzbären ganz anders abläuft.

Die untersuchten Bären schliefen in der Höhle rund 65 % eines Tages. Während der übrigen Zeit waren sie im Dunkeln wach, eingerollt und nahezu regungslos.

Diese Erkenntnis reicht über die Bärenbiologie hinaus. Ein überwinternder Bär senkt seinen Stoffwechsel um etwa 75 %. Über Monate hält er diesen Zustand aufrecht, ohne seine Muskeln oder Knochen erheblich zu schädigen.

Forschende zeichneten die Hirnaktivität der Bären auf

Die Aufzeichnungen stammen von Bären, die in Freigehegen in Fairbanks, Alaska, gehalten wurden. Implantierte Telemetriesysteme erfassten Hirnwellen, Augenbewegungen und Muskelaktivität.

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

Eine Messung stammte aus der Mitte des Winterschlafs zum Höhepunkt eines Körpertemperaturzyklus, eine weitere aus der Nähe des Tiefpunkts und die dritte aus dem Sommer.

Drei erfahrene Schlafexpertinnen und Schlafexperten beurteilten unabhängig voneinander jeden 10-Sekunden-Abschnitt der Daten. Das Mehrheitsvotum bildete das endgültige Ergebnis. Nur bei 0.5 % der Segmente gingen ihre Einschätzungen auseinander; fast immer betraf dies den Übergang der Bären zwischen Schlaf und Wachheit.

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, angegliederter leitender Forschungswissenschaftler am Institute of Arctic Biology der Universität, beantwortete Earth.com per E-Mail Fragen dazu, was die Bären während des Drittels des Tages taten, in dem sie wach waren.

„Während wir dies noch systematischer bewerten müssen, ist der erste Eindruck, dass die meisten dieser wachen Stunden das sind, was wir als ruhiges Wachsein bezeichnen. Das bedeutet, dass sie nicht ganz schlafen, sich aber kaum bewegen“, sagte Tøien gegenüber Earth.com.

„Nach einer Videoaufnahme würden sie während der meiste Zeit so aussehen, als schliefe sie, doch die Hirnwellenaktivität zeigt etwas anderes“, sagte er.

Doppelt so viel Schlaf wie im Sommer

Im Sommer zeigten dieselben Bären ein deutlich anderes Bild. Der Non-REM-Schlaf beanspruchte 21.9 % des Tages, während der REM-Schlaf 9.7 % ausmachte. Die Tiere waren 68 % der Zeit wach.

Die gesamte Schlafdauer in der Höhle betrug das 2.05-Fache des Sommerwerts. Besonders stark nahm der REM-Schlaf zu, die mit Träumen verbundene Schlafphase: Sein Anteil erreichte das 2.26-Fache des Sommerniveaus.

Die Wachzeit entwickelte sich dagegen in die entgegengesetzte Richtung und sank auf ungefähr die Hälfte des Sommerwerts. Sämtliche Unterschiede waren statistisch deutlich. Sowohl die maschinellen als auch die menschlichen Bewertungen bestätigten jeden einzelnen davon.

Der Stoffwechsel der Bären sinkt, das Gehirn bleibt warm

Der Winterschlaf eines Bären entspricht nicht dem tiefen Auskühlen eines Ziesels. Seine Körperkerntemperatur fällt im Mittel lediglich um 5.5 °C (10 °F). Sie sinkt von ungefähr 38 °C (100 °F) auf 30 bis 35 °C (86 bis 95 °F).

Beim Stoffwechsel ergibt sich ein völlig anderes Bild. Er geht auf etwa ein Viertel der normalen Ruhe-Stoffwechselrate zurück. Diese Verringerung ist erheblich stärker, als sich durch den geringen Temperaturrückgang erklären ließe.

Da das Gehirn warm bleibt, kann ein Bär zu jedem Zeitpunkt des Winters aufgeweckt werden. Kleinere Winterschläfer geraten dagegen in eine Torporphase, in der es für auswertbare Hirnaktivität zu kalt ist.

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

Über fünf Jahre sammelte die Alaska-Gruppe mehr als 3.500 Tage Polysomnographie-Daten von 16 Schwarzbären – während und ausserhalb des Winterschlafs. Für keinen anderen grossen Winterschläfer gibt es ein vergleichbares Archiv. Seine enorme Grösse stellt zugleich das Problem dar.

Eine manuelle Schlafbewertung verlangt, jeden Kanal in jedem 10-Sekunden-Intervall zu beurteilen. Kein Team kann das bei Aufzeichnungen aus einem Jahrzehnt leisten. Deshalb prüften die Forschenden, ob Software die Dateien stattdessen auswerten könnte.

Die schwierigere Frage lautete, ob man einer solchen Software bei einem Gehirn vertrauen kann, dessen Temperatur sich den gesamten Winter über verändert.

Zwei KI-Systeme bewerteten den Schlaf der Bären

Zwei Klassifikatoren traten direkt gegeneinander an. Somnotate ist ein quelloffenes, probabilistisches Bewertungssystem, das an der University of Oxford entwickelt wurde. In dieser Studie wurde es mit vollständigen Aufzeichnungen eines Tages trainiert.

Somnivore ist ein kommerzielles Paket eines Ausgründungsunternehmens der University of Melbourne. Es lernt aus einem kleinen, markierten Ausschnitt jeder Datei, die es auswertet.

Beide Systeme lagen nahe am menschlichen Konsens. Die F-Messwerte, ein strenges Genauigkeitsmass, das Fehlklassifikationen und Fehlalarme gleichermassen bestraft, bewegten sich 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 ungefähr zwei Prozentpunkte hinter einer geschulten Person. Während des Winterschlafs unterschieden sich ihre Berechnungen von Schlaf und Wachheit überhaupt nicht signifikant vom menschlichen Konsens.

Angesichts der starken Schwankungen der Körpertemperatur der Bären im Winter 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 Ergebnisse lagen seiner Aussage nach so nahe an der manuellen Analyse derselben Daten, dass die Software hinsichtlich der Biologie selbst keine Überraschungen lieferte.

Software hatte mit dem Sommerschlaf mehr Schwierigkeiten

Der Sommer erwies sich als anspruchsvoller als der Winter. Beide Programme überschätzten dort den Schlaf geringfügig, beim Non-REM-Schlaf um 2.4 %, und erfassten die Wachzeit um 4 % bis 5 % zu niedrig.

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

Ausserdem wechseln die Tiere immer wieder zwischen Schläfrigkeit und Wachheit, anstatt sich in einen stabilen Zustand einzufinden. Auch das Training muss deshalb 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; ihre Bewertungen lagen 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. Dies ist die kälteste Phase der Saison, in der Zittern die Aufzeichnung beeinflussen kann. Tøien betont, dass die Studie den ersten Schritt eines längeren Vorhabens darstellt 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 während des Winterschlafs werden künftig umfassendere Analysen erforderlich sein.“

Bevor das Verhältnis als feststehend gelten kann, möchten die Autorinnen und Autoren längere Zeiträume bei mehr Tieren bewerten. Zudem handelte es sich um Bären in Gefangenschaft, die in gedämmten künstlichen Höhlen lebten, und nicht um Wildtiere in einem Erdloch am Hang.

Die Studie warnt davor, sich bei Aussagen über ungewöhnliche Zustandsübergänge ausschliesslich auf automatisierte Bewertungen zu verlassen. Die Software hatte besonders beim Eintritt in den REM-Schlaf Schwierigkeiten.

Der Schlaf von Bären könnte der Humanmedizin helfen

Nach der Validierung der Methode kann das gesamte Archiv automatisch bewertet werden, statt nur manuell Stichproben auszuwerten. Dadurch liesse sich ein Bild des Schlafs über eine vollständige Winterschlafsaison gewinnen. Es würde auch die mehrtägigen Körpertemperaturzyklen umfassen, die Bären in ihrer Höhle durchlaufen.

Für einen grossen Winterschläfer gab es das bislang nicht. Forschende beschäftigen sich immer wieder mit Bären wegen der therapeutischen Hypometabolie – der gezielten Verlangsamung des Körperstoffwechsels für medizinische Anwendungen oder lange Raumflüge. Bären schaffen dies, während sie warm und wach genug bleiben, um aufzuwachen.

Schlaf erscheint nun als Teil dieses Gesamtpakets und nicht als blosse Nebenwirkung. Ein Bär benötigt doppelt so viel davon, während sein Körper mit einem Viertel der normalen Geschwindigkeit arbeitet.

Für Tøien besteht das Rätsel darin, wie ein Tier monatelange Reizdeprivation in einer dunklen Höhle aushält, obwohl sein Gehirn warm genug für Bewusstsein bleibt.

„Eine Antwort darauf lautet zwar, dass sie während des Winterschlafs mehr schlafen, doch dadurch entsteht erst recht eine Frage zur Schlafregulation“, sagt er. „Die Bären scheinen viel mehr zu schlafen, als wir aufgrund dessen erwarten würden, was wir häufig Schlafbedarf nennen.“

Menschen tragen eigene ruhende Gene für den Winterschlaf in sich. Das Bärenarchiv könnte endlich zeigen, welche Funktion Schlaf erfüllt, während ein Körper im Leerlauf arbeitet.