Erholsamer Schlaf trägt substantiell zur kognitiven Leistungsfähigkeit bei. Schlafdefizite beeinträchtigen die kognitive Leistungsfähigkeit und erhöhen in der Folge die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Fehlern und Unfällen. Schichtarbeiter sind besonders gefährdet, Schlafdefizite zu erleiden, da sie eher zu ungünstigen zirkadianen Zeiten schlafen und somit Licht oder Lärm während möglicher Schlafenszeiten ausgesetzt sind. Dabei gibt es große inter-individuelle Unterschiede hinsichtlich der Auswirkungen des Schlafentzugs. Ebenso zeigen sich Unterschiede in der Wirkung von Schlafentzug auf die verschiedenen kognitiven Leistungsbereiche. Ein besseres Verständnis dieser Zusammenhänge kann dazu beitragen, die Arbeitssicherheit durch eine entsprechende Personalauswahl sowie Assistenzsysteme zu verbessern. Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen der Nachwuchswissenschaftlergruppe „Chronic sleep loss: from molecular neuroimaging to safety and health in space” (SomnoSafe) am Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) verfasst. Die drei Veröffentlichungen dieser kumulativen Dissertation basieren auf zwei aufwändigen Kooperationsprojekten mit dem Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-2) des Forschungszentrums Jülich. Untersuchungen zum Schlaf während Weltraummissionen zeigen, dass dieser kurz und gestört ist (Whitmire et al., 2010). Die vorliegende Arbeit zielt daher darauf ab, zum Verstehen der Wirkungen von chronischem und akutem Schlafentzug auf die Schlaf-Wach-Regulation, Kognition und inter-individuellen Unterschieden beizutragen. Bezüglich der Schlaf-Wach-Regulation und Kognition beschäftigt sich die erste Veröffentlichung insbesondere mit adenosinergen Mechanismen, die zweite Veröffentlichung mit der Schlafstruktur und die dritte Veröffentlichung mit möglichen Interaktionen zwischen chronischem und akutem Schlafentzug. Ein vielversprechender Ansatz um inter-individuelle Unterschiede im Schlaf-Wach–Verhalten aufzuklären, ist die Untersuchung des adenosinergen Systems. Adenosin dämpft die zerebrale Nervenaktivität. In Nagetieren und Katzen wurde nachgewiesen, dass es sich über die Wachphase hinweg anreichert und während des Schlafes abgebaut wird (Porkka-Heiskanen et al., 2000). Daher wird angenommen, dass Adenosin das neuromolekulare Korrelat des Tiefschlafbedarfs ist. Dieser steigt während der Wachheit ebenfalls an und fällt während des Schlafes, was durch die Polysomnographie erfasst wird. Die erste Veröffentlichung fokussiert sich auf die Verfügbarkeit menschlicher zerebraler A1 Adenosinrezeptoren (A1AR) während und nach der Erholung von verlängerter Wachheit. A1AR wurden durch [18F]CPFPX Positron-Emissions-Tomographie Scans nach 52 Stunden Wachheit und nach einer 14-stündigen Erholungsschlaf-Möglichkeit quantifiziert und mit Referenzdaten einer erholten Stichprobe verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine erhöhte zerebrale A1AR Verfügbarkeit während ausgedehntem Schlafentzug und eine Reduktion von A1AR auf ein ausgeruhtes Niveau nach dem Erholungsschlaf. Eine hohe A1AR Verfügbarkeit während des Schlafentzugs war mit einer höheren kognitiven Leistungsfähigkeit und einem geringeren Schlafdruck assoziiert. Unterschiede in der Konzentration des endogenen Adenosins und der A1AR Verfügbarkeit könnten so die individuelle Auswirkung von Schlafentzug begründen. Die zweite Veröffentlichung untersucht die Physiologie von Erholungsprozessen nach verlängerter Wachheit. Nach einer Adaptationsnacht und einer Basisnacht wurden die Teilnehmer für 58 Stunden am Schlafen gehindert. Danach hatten sie die Möglichkeit eines 14-stündigen Erholungsschlafes, der mittels Polysomnographie aufgezeichnet wurde. Wir analysierten und verglichen die Anteile der Schlafstadien zwischen der Basis- und der Erholungsnacht auf einer stündlichen Basis. Es zeigte sich, dass die Proportionen der Schlafstadien der beiden Nächte sich mit zunehmender Schlafdauer angleichen. Im Einklang mit Vorhersagen des Zwei-Prozess Modells (Borbély, 1982) war der Bedarf an Tiefschlaf schon nach ungefähr 10-stündigem Schlaf gedeckt. Interessanterweise stiegen die Werte der Intraklassen-Korrelations-Koeffizienten darüber hinaus im Verlauf der weiteren Schlafdauer an, was auf fortlaufende Erholungsprozesse hinweisen könnte. Für die meisten Schlafparameter wurde die individuelle Schlafstruktur erst nach 14 Stunden Erholungsschlaf wieder hergestellt. Die Ergebnisse heben die Robustheit der individuellen Schlafstruktur hervor und geben Einblicke in Erholungsprozesse nach verlängerter Wachheit. Die kognitive Leistungsfähigkeit während chronischem und akutem Schlafentzug und die Erholung von Schlafmangel wird in der dritten Veröffentlichung adressiert. Eine bisher ungeklärte Frage ist, ob chronischer Schlafmangel, welcher von einer Erholungsnacht gefolgt ist, Individuen während einer darauf folgenden Phase der akuten verlängerten Wachdauer für eine beeinträchtige neurokognitive Leistung prädisponiert. Aus dem Grund untersuchten wir einzelne und kombinierte Effekte von Schlafrestriktion, akutem Schlafentzug und Erholungsschlaf auf die Leistungsfähigkeit (verbales und räumliches Arbeitsgedächtnis, deklaratives Gedächtnis). Chronischer und akuter Schlafentzug waren durch eine Erholungsnacht getrennt. Unser Studiendesign simulierte mögliche Schlaf-Wach-Szenarien von Schichtarbeitern auf der Erde sowie von Astronauten auf der Internationalen Raumstation, wobei im Fall von speziellen Einsätzen chronische Schlafrestriktion mit akuten Schlafdefiziten gepaart sein kann. Nach einer Adaptationsnacht und zwei Basisnächten unterzogen sich die Probanden 5 Nächten chronischer Schlafrestriktion mit 5 Stunden Zeit im Bett (TIB; chronische Schlafrestriktionsgruppe) oder 5 Nächten mit normalem Schlaf mit 8 Stunden TIB (Kontrollgruppe). Nach einer Nacht mit normalem Schlaf (8 Stunden TIB) gab es eine Nacht akuten Schlafentzug (38 Stunden) für beide Gruppen und eine letzte 10-stündige Erholungsnacht. Während der Wachphasen absolvierten die Probanden alle drei Stunden eine kognitive Testbatterie. Das deklarative Gedächtnis wurde mit gepaarten Assoziationslisten getestet, das verbale und räumliche Arbeitsgedächtnis wurde mit einer N-back Aufgabe gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass der deklarative Gedächtnisabruf und das verbale Arbeitsgedächtnis von chronischer Schlafrestriktion unbeeinflusst waren. Jedoch war das räumliche Arbeitsgedächtnis während der chronischen Schlafrestriktion beeinträchtigt. Individuen mit vorangegangener Schlafrestriktion zeigten zudem während des akuten Schlafentzuges größere Beeinträchtigungen im räumlichen Arbeitsgedächtnis als die Individuen der Kontrollgruppe. So fanden wir Interaktionseffekte von chronischem und akutem Schlafverlust bezüglich dieser kognitiven Domäne trotz einer zwischenzeitlichen Erholungsnacht. Außerdem waren die Auswirkungen der chronischen Schlafrestriktion zunächst teilweise verdeckt und zeigten sich erst während des akuten Schlafentzugs. Diese Erkenntnis ist besonders wichtig, weil der Erholungsschlaf Individuen ein trügerisches Gefühl vermeintlich vollständiger Regeneration geben kann. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen geben Einblicke in die Beteiligung des zerebralen adenosinergen Systems an der homöostatischen Schlaf-Wach-Regulation. Wir liefern erste Hinweise auf eine steigende und fallende Adenosinrezeptor-Verfügbarkeit in Übereinstimmung mit Wachheit und Schlaf im Menschen. Mit der zweiten Publikation zeigen wir zudem Erholungsprozesse zusätzlich zu jenen, welche durch die homöostatische Schlaf-Wach-Regulation vorhergesagt werden. Die dritte Publikation liefert Beweise für länger anhaltende Auswirkungen von chronischem Schlafentzug auf die Leistungsfähigkeit. Unsere Ergebnisse heben die Wichtigkeit adäquater Schlaf- und Erholungsphasen hervor. Insbesondere das komplexe Zusammenspiel von inter-individuellen Unterschieden zwischen der Schlaf-Wach-Regulation und der Kognition sowie der Gefahr unzureichender Erholung kognitiver Funktionen nach Erholungsschlaf bedarf weiterer Untersuchungen. Ein weitergehendes Verständnis der Mechanismen inter-individueller Unterschiede wird besonders für die Bereiche Personalauswahl und Entwicklung von Assistenzsystemen bedeutsam sein. Die vorliegende kumulative Dissertation besteht aus zwei Teilen. Teil 1 beinhaltet die Synopse. Im ersten Kapitel wird der theoretische Hintergrund der Veröffentlichungen erläutert und eine Einführung zu Schlaf, Kognition und den Auswirkungen von Schlafentzug auf die Kognition gegeben. Im zweiten Kapitel werden die in den zwei Laborstudien angewandten Methoden erklärt, auf denen die drei Veröffentlichungen basieren. Kapitel 3 gibt einen Überblick zu jeder einzelnen Veröffentlichung. Kapitel 4 bildet eine übergreifende, allgemeine Diskussion. Teil 2 der Dissertation besteht aus Referenzen der Originalarbeiten.