Erfassung der Schlafprobleme von Autisten mit Geräten, die in der Nähe und am Körper tragbar sind

Jun 04, 2023

Autismus-Wissenschaftler sind seit langem auf der Suche, das Schlafproblem dieser Erkrankung zu lösen. Probleme beim Ein- und Durchschlafen gelten normalerweise nicht als Kernmerkmal von Autismus, kommen aber bei autistischen Menschen äußerst häufig vor und haben komplexe Auswirkungen: Sie können eine Reihe von Autismusmerkmalen verschlimmern und gehen mit größeren Schwierigkeiten bei der Alltagsbewältigung einher.

Aber um zu verfolgen und zu beurteilen, was im Körper während des Schlafs vor sich geht – zumindest in der Vergangenheit – mussten Forschungsteilnehmer in einem Labor schlafen, versteckt in einem Netz sperriger Geräte: Der Goldstandard-Ansatz, die Polysomnographie, verwandelt einen Schläfer vorübergehend in einen Schlafenden Etwas, das der Beute einer riesigen elektrischen Spinne ähnelt und in Elektroden und Drahtleitungen eingebunden ist, die unter anderem die Gehirnaktivität mittels Elektroenzephalographie (EEG) sowie Atmung und Körperposition erfassen.

Dieses Szenario ist für neurotypische Menschen unangenehm genug, ganz zu schweigen von jemandem mit Autismus, der möglicherweise auch Angstzustände und sensorische, Kommunikations- oder Verhaltensschwierigkeiten hat, bemerkt Beth Ann Malow, Professorin für Neurologie und Pädiatrie an der Vanderbilt University in Nashville, Tennessee.

„Die Frage ist, ob Sie unter diesen Bedingungen wirklich ausreichend schlafen können?“

Einige Studienteilnehmer mit Autismus können möglicherweise überhaupt nicht schlafen, bemerkt Thomas Frazier, Professor für Psychologie an der John Carroll University in University Heights, Ohio, wie es der Fall war, als Fraziers jugendlicher autistischer Sohn für eine EEG-Studie über Nacht in eine Klinik ging. „Es ist schwierig, gute Daten zu erhalten und diese dann so zu skalieren, dass man sie tatsächlich sinnvoll nutzen kann“, sagt er.

Drahtgewebe:EEG-Helme, die für die Standard-Polysomnographie verwendet werden, können den Schlaf einer Studienteilnehmerin beeinträchtigen, insbesondere wenn sie sensorische Empfindlichkeiten oder Angstzustände aufweist.

Um das Problem anzugehen, arbeiten mehrere Labore daran, minimalinvasive Schlaf-Tracking-Geräte einzusetzen – sowohl „Wearables“, die jemand anzieht, als auch „Nearables“, die Messungen aus der Ferne durchführen. Diese Geräte sammeln tendenziell weniger Arten von Daten als die Polysomnographie, aber ihre Entwickler sagen, dass sie genug tun, um ihre Aufgabe zu erfüllen, indem sie Schlafstadien und bestimmte Aspekte der Physiologie und Gehirnaktivität eines Schläfers verfolgen.

Die drei im Folgenden beschriebenen Technologien sorgen alle für das Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Skalierbarkeit und können Forschern dabei helfen, die Zahl autistischer Teilnehmer an ihren Studien zu erhöhen. „Es wird wahrscheinlich nützlicher sein, einen Kernsatz an Maßnahmen zu haben, von dem Sie glauben, dass Sie ihn konsistent in der realen Umgebung umsetzen können, und Ihnen dann die Skalierung auf größere Stichprobengrößen zu ermöglichen, damit Sie die Heterogenität zwischen Individuen wirklich einschätzen und verstehen können.“ als das, was wir in den letzten 20 Jahren getan haben“, sagt Frazier.

„Ich bin froh, dass die Leute tatsächlich echte Lösungen finden“, fügt er hinzu. „Wir haben ungefähr ein Jahrzehnt darauf gewartet.“

Tagsüber sammeln sich unsere Erlebnisse in unserem Gedächtnis an und nachts festigen sie sich im Schlaf. Diese Konsolidierung wird durch im Thalamus erzeugte Schlafspindeln, langsame Wellen, die sich vom Kortex ausbreiten, und Wellen, die vom Hippocampus ausgehen, vermittelt, sagt Dimitrios Mylonas, Dozent für Psychologie und Forscher im Labor von Dara Manoach am Massachusetts General Hospital in Boston. „Sie haben eine Diskussion zwischen diesen verschiedenen Strukturen des Gehirns.“

Wellenuhr:Indem Dimitrios Mylonas auf die Fehlkommunikation zwischen Thalamus und Hippocampus während des Schlafs abzielt, möchte er die Kernmerkmale von Autismus lindern.

Mylonas und seine Kollegen im Manoach-Labor belauschen dieses Gespräch über das Dreem-Stirnband, das EEG-Sensoren zur Verfolgung der Schlafarchitektur und einen Beschleunigungsmesser zur Verfolgung der Atmung, Kopfbewegung und Kopfposition eines Trägers enthält. Ihr übergeordnetes Ziel besteht darin, Missverständnisse zu erkennen, um diese zu korrigieren und möglicherweise sogar Kernmerkmale des Autismus zu lindern oder die Wahrnehmung zu verbessern.

Laut einer Studie aus dem Jahr 2022, die Manoach und ihr Team letztes Jahr in Sleep veröffentlicht haben, ist das Übersprechen zwischen Schlafoszillationen im Gehirn von Kindern mit Autismus gestört. Mittels traditioneller Polysomnographie fanden sie bei den autistischen Kindern im Vergleich zu ihren neurotypischen Altersgenossen veränderte Spindeln, was auf einen Unterschied im Schaltkreis hindeutet, der Thalamus und Kortex verbindet. Jetzt planen sie, das Dreem zu nutzen, um tiefer zu graben, und sie haben Fördermittel vom neuen Deep Autism Grant der Autism Science Foundation und der Simons Foundation erhalten. (Die Simons Foundation ist die Mutterorganisation von Spectrum.)

Da die stacheligen Spindeln des Thalamus bei autistischen Kindern gedämpft zu sein schienen, wollen die Forscher diese schnellen Schwingungen optimieren, sagt Mylonas. „Diese Schlafspindeln können moduliert werden.“

Dreamteam:Dara Manoach, Mitte, bespricht die Ergebnisse mit den Teammitgliedern Mylonas (links) und Paige Hickey (rechts).

Zunächst planen sie, das unmittelbare Feedback der EEG-Anzeige des Dreem zu nutzen, um den Chor der Schlafoszillationen durch eine geschlossene Hörstimulation zu leiten. Eine solche Hörstimulation beschleunigte langsame Oszillationen bei nicht-autistischen Menschen, und das Ausmaß der Oszillationsänderung korrelierte mit Gedächtnisverbesserungen bei den Teilnehmern einer Studie aus dem Jahr 2018.

Die Schlafstudie 2022 hat sie auf diesen Weg gebracht, war jedoch durch eine kleine Stichprobengröße begrenzt, sagt Mylonas. Zukünftig sollten tragbare Wearables nicht nur die mögliche Teilnehmerzahl erhöhen, sondern auch die Ergebnisse „ökologisch valider“ machen, sagt er – und es Forschern ermöglichen, die Schlafschwankungen von Menschen zu beobachten, die in ihren eigenen Betten schlafen.

Smartwatches können Forschern auch dabei helfen, den Zusammenhang zwischen Autismus und Schlafstörungen besser zu verstehen. Über den Zusammenhang wurde vielfach berichtet, aber seine Richtung – ob schlechter Schlaf zu irgendwelchen autismusbedingten Merkmalen beiträgt oder umgekehrt – bleibt unklar, sagt Ilan Dinstein, außerordentlicher Professor für Psychologie an der Ben-Gurion-Universität des Negev in Israel.

Smartwatch-Option:Mit EmbracePlus erhalten Forscher Zugriff auf die gesammelten Rohdaten.

Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass Schlaf für die kognitiven Fähigkeiten wichtig ist. Als er und seine Kollegen jedoch eine Studie über den Zusammenhang zwischen Autismusmerkmalen und schlechtem Schlaf bei autistischen Kindern durchführten, stellten sie fest, dass sensorische Empfindlichkeiten und Reizbarkeit stärker mit Schlafstörungen verbunden waren als kognitive Fähigkeiten oder Kernmerkmale von Autismus. „Das hat mich wirklich überrascht“, sagt Dinstein.

In der Studie wurden die Schlafgewohnheiten von Kindern anhand von Elternberichten bewertet, bei denen es sich um subjektive Messwerte handelt. Daher suchten Dinstein und seine Kollegen nach einer objektiveren Möglichkeit, verschiedene Schlafparameter zu bewerten.

Sie wandten sich Aktigraphie-Monitoren zu – tragbaren Geräten wie Fitbits, die die Bewegungen einer Person verfolgen. Die Monitore sind klein und können am Handgelenk oder Knöchel getragen oder sogar an einem anderen Körperteil befestigt werden, was sie ideal für die kontinuierliche Verfolgung von Bewegungen und die Festlegung des zirkadianen Rhythmus einer Person macht, sagt Dinstein. Standard-Aktigraphiemonitore können jedoch nur eine grobe Momentaufnahme der Schlafdauer und der Wachphasen liefern; Sie könnten beispielsweise nicht zuverlässig erkennen, wann eine Person zum ersten Mal einschläft, sagt er. „Die Einschränkung besteht darin, dass Sie aus mehreren Gründen inaktiv sein können und nicht unbedingt, weil Sie schlafen.“

Stattdessen haben sie einen neueren Aktigraphie-Monitor eingeführt, der zusätzliche physiologische Daten meldet, um genauer zu bestimmen, ob eine Person wach ist oder schläft: Die EmbracePlus-Smartwatch verfolgt unter anderem die Bewegung, den Hautleitwert, die Körpertemperatur und die Herzfrequenz einer Person und stellt sie den Forschern zur Verfügung Zugriff auf die Rohdaten des Geräts.

Sie planen außerdem, die Aktigraphie mit einer anderen Messung zu kombinieren, beispielsweise dem EEG des Dreem-Stirnbands, um ein noch umfassenderes Bild des Schlafverhaltens einer Person zu erstellen – und den Daten ähnlicher, die in einer herkömmlichen Schlafstudie gewonnen werden. (Dinstein hat für seine Forschung auch Fördermittel von der Simons Foundation erhalten.)

Dinstein und seine Kollegen testen diese Kombination aus EmbracePlus und Dreem-Stirnband bei nicht-autistischen Erwachsenen und planen später, die Geräte gleichzeitig zu verwenden, um den Schlaf bei autistischen Erwachsenen und Kindern zu verfolgen. Das letztendliche Ziel besteht laut Dinstein darin, eine Interventionsstudie durchzuführen, um herauszufinden, ob die Verbesserung des Schlafes autistischer Menschen andere mit Autismus verbundene Merkmale lindert.

„Die wirklich interessante Frage ist, inwieweit sich die Veränderung des Schlafes auf andere Verhaltensbereiche auswirkt“, sagt er.

Selbst in kurzen Schlafstudien war es eine Herausforderung, den Teilnehmern das Tragen von EEG-Stirnbändern zu ermöglichen, sagt Dina Katabi, Direktorin des Center for Wireless Networks and Mobile Computing am Massachusetts Institute of Technology. „Ohne es überhaupt zu wissen, reißen sie es sich im Schlaf einfach vom Kopf.“

Aber was wäre, wenn ein Schlaf-Tracker nicht einmal den Körper der Person berühren müsste, die er verfolgt? Der Emerald, der an einer Wand montiert wird und einem drahtlosen Internet-Router ähnelt, wurde in Katabis Labor entwickelt, um diese Frage zu testen. Das Gerät sendet Radiowellen in den umgebenden Raum und verfolgt, wie die Bewegungen einer Person die Rückkehr der Wellen verzerren, ähnlich wie ein Sonar kartiert, was sich unter einem Schiff befindet.

Im Gegensatz zur Polysomnographie erstellt der Emerald keine Echtzeitmessung der Gehirnaktivität, Herzfrequenz, Bewegung oder Atmung einer Person. Stattdessen speist das Gerät seine Daten durch ein Verarbeitungsprogramm mit künstlicher Intelligenz ein, das auf Polysomnographiedaten trainiert ist. Das Labor hat das Gerät bei neurotypischen Menschen validiert und kann den Schweregrad der Erkrankung und die Medikamentenreaktion bei Menschen mit Parkinson-Krankheit messen, so zwei Veröffentlichungen aus dem Jahr 2022 aus Katabis Labor, in denen der Emerald zur Verfolgung des Gangs und der nächtlichen Atmung verwendet wurde. Das Gerät könne auch den Schlaf und die Atmung von Menschen mit Rett-Syndrom verfolgen, sagt Katabi, diese Daten seien jedoch noch nicht veröffentlicht.

Wandhalterung:Der Emerald-Schlaf-Tracker nutzt Radiowellen, um den Schlaf einer Person zu überwachen.

Menschen mit Rett-Syndrom neigen dazu, Probleme beim Ein- und Durchschlafen zu haben, und ihre Atmung kann besonders flach sein, was zu Hyperventilation führt. Sie können auch vorübergehend aufhören zu atmen – ein Phänomen, das als Schlafapnoe bekannt ist – und der Emerald kann diese Veränderungen in der Atmung erkennen, sagt Katabi. Im Februar stellte der Rett Syndrome Research Trust Emerald Innovations mehr als 1 Million US-Dollar zur Verfügung, um das Gerät für klinische Studien weiterzuentwickeln. „Hoffentlich hilft das Gerät Forschern dabei, zu erkennen, ob Therapien in einer klinischen Studie funktionieren“, sagt Jana von Hehn, wissenschaftliche Leiterin des Rett Syndrome Research Trust.

Der Emerald sei bereit für den Versuch, sagt Katabi, und die Validierungsdaten zeigten einen so großen Unterschied zwischen Menschen mit und ohne Rett-Syndrom, dass die Ergebnisse selbst bei einer relativ kleinen Teilnehmerzahl statistisch signifikant seien.

„Sie können unauffällig überwachen, solange Sie die Stromrechnung bezahlen. In diesem Sinne ist das enorm“, sagt Bernhard Suter, Assistenzprofessor für pädiatrische Neurologie am Baylor College of Medicine in Houston, Texas. „Es würde Veränderungen in einer ziemlich natürlichen Umgebung wirklich in Echtzeit erfassen.“

Mit zusätzlicher Berichterstattung von Rebecca Horne.