Schlaf: Theorien, Funktion und Physiologie

Einleitung(edit | edit source)

Schlaf ist ein wichtiger Bestandteil unseres Tagesablaufs. Es wird geschätzt, dass wir etwa ein Drittel unserer Zeit mit Schlafen verbringen.

Schlaf ist lebenswichtig für die Gesundheit!

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Was ist Schlaf? ( edit | edit source )

Schlaf kann definiert werden als „ein aktiver, vom Körper erzeugter Zustand des verminderten Bewusstseins, in dem sich das Gehirn in einem relativen Ruhezustand befindet und in erster Linie auf interne Reize reagiert.“(2) Der Schlaf ist gekennzeichnet durch:

  • geringe körperliche Aktivität;
  • verminderte sensorische Wahrnehmung.

Der Schlaf wird auch durch den zirkadianen Rhythmus und homöostatische Mechanismen reguliert. Darüber hinaus können bestimmte Muster der Hirnaktivität sowie die verschiedenen Phasen des Schlafs mit Hilfe der Elektroenzephalographie (EEG) sichtbar gemacht werden.

Mehrere Bereiche im Gehirn arbeiten zusammen, um den Schlaf-Wach-Rhythmus zu steuern. Einige dieser Bereiche sind:

Während des Schlafs schütten mehrere endokrine Drüsen Hormone aus und regulieren sie, darunter:

  • Melatonin – an der Regulierung der biologischen Rhythmen und des Immunsystems beteiligt(4)
  • Follikelstimulierendes Hormon (FSH) – wird von der Hypophyse (Hirnanhangdrüse) ausgeschieden und spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Fortpflanzungssystems(5)
  • Luteinisierendes Hormon (LH) – wird von der Hypophyse ausgeschüttet und spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Fortpflanzungssystems(5)
  • Wachstumshormon – wird von der Hypophyse ausgeschüttet und spielt eine Rolle beim körperlichen Wachstum und bei der Reifung(6)

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Geschichte der Schlafwissenschaft ( edit | edit source )

Die Wissenschaft des Schlafes hat einen langen Weg zurückgelegt und sich im Laufe der Jahre erheblich verändert. Ursprünglich wurde der Schlaf als eine Nahtoderfahrung betrachtet.

  • Aristoteles untersuchte das Konzept des Schlafs und schrieb darüber in „Über Schlaf und Schläfrigkeit“. Aristoteles war der Ansicht, dass das Einschlafen mit der Verdauung von Nahrungspartikeln einhergehe. Diese Nahrungspartikel würden Dämpfe erzeugen, die aus dem Magen aufsteigen, sich im Gehirn ansammeln und dann zum Einsetzen des Schlafs führen würden.
  • Andere Denkschulen im 18. und 19. Jahrhundert vertraten die Auffassung, dass Schlaf das Ergebnis einer mangelnden Blutzufuhr zum Gehirn sei oder das genaue Gegenteil, nämlich dass Schlaf durch einen Überschuss an Blut im Gehirn verursacht werde.(8)

Der Schlaf wurde auch zunächst als rein passiver Zustand angesehen, doch mit der Entwicklung des Elektroenzephalogramms (EEG) durch Hans Berger in den späten 1920er Jahren konnte das Gegenteil bewiesen werden.(9)

  • Das EEG ermöglicht die objektive Messung der Gehirnaktivität während des Schlafs und zeigt, dass es unterschiedliche Muster der Gehirnaktivität während der Schlaf- und Wachphasen gibt.(10)
  • Die Vorstellung, dass der Schlaf ein passiver Zustand ist, wurde daher ab diesem Punkt verworfen.
  • Ein EEG zeigt auch deutlich, dass der Geist während des Schlafs aktiv bleibt und in bestimmten Schlafphasen eine erhöhte Aktivität aufweist.

Konzepte rund um den Schlaf ( edit | edit source )

Schläfrigkeit – „Neigung zum Schlafen; Schwierigkeit, wach zu bleiben; Schlummrigkeit“ oder „Schlafneigung und verminderte Wachsamkeit“.(11)

  • Das subjektive Gefühl des Schlafs kann Folgendes umfassen:
    • Schwierigkeiten, die Augen offen zu halten;
    • die Tendenz, in Ruhe zu bleiben;
    • langsamer sein.

Ermüdung – „überwältigendes Gefühl von Müdigkeit, Energielosigkeit und ein Gefühl der Erschöpfung, verbunden mit einer Beeinträchtigung der körperlichen und/oder kognitiven Leistungsfähigkeit.“

  • Ermüdung ist mit körperlicher und geistiger Anstrengung und der Unfähigkeit verbunden, eine Aufgabe weiter zu erledigen.(11)

Körperliche (physische) Ermüdung ist ein physiologisches Phänomen, das durch das „Time-on-Task“ gekennzeichnet ist (d. h. die Zeit, die für die Ausführung einer bestimmten Aufgabe zu Hause oder am Arbeitsplatz aufgewendet wird).

  • Körperliche Ermüdung ist auch mit einer Abnahme der Leistung bei einer bestimmten Aufgabe verbunden, und diese Ermüdung wird oft durch einen Wechsel der Aufgabe gelindert.(8)

Geistige (mentale) Ermüdung ist eng mit ausreichender Ruhe verbunden – dazu gehört Schlaf, aber nicht nur Schlaf, sondern auch Ruhe oder eine Pause von einer bestimmten Aufgabe.(8)

  • Die Theorie der kognitiven Belastung (Cognitive Load Theory – CLT) bezieht sich auf die Menge der Informationen, die das Arbeitsgedächtnis gleichzeitig aufnehmen kann. Das Arbeitsgedächtnis hat eine begrenzte Kapazität. Die CLT geht davon aus, dass man nicht über seine kognitive Belastungsfähigkeit hinaus arbeiten sollte, aber innerhalb einer Kapazität, die anregend genug ist, um sich nicht zu langweilen.(12)

Müdigkeit – bezieht sich auf einen Mangel an Energie und Initiative und kann z. B. durch Ruhe und eine angemessene Nahrungsaufnahme verbessert werden.(8)

Schlafregulierung ( edit | edit source )

Der Schlaf wird durch zwei Prozesse reguliert: den zirkadianen Rhythmus und die Schlaf-Wach-Homöostase.

  1. Der zirkadiane Rhythmus synchronisiert biologische Rhythmen, einschließlich des Schlafs, über einen Zyklus von 24 Stunden.
  2. Die Schlaf-Wach-Homöostase beschreibt den körpereigenen neurophysiologischen Antrieb, entweder zu schlafen oder zu wachen.(13)

Die Homöostase bezieht sich auf Prinzipien des Gleichgewichts oder der Ausgewogenheit, und der Körper strebt nach einem Gleichgewicht zwischen Schlaf und Wachsein, d. h. nach langen Wachphasen ist ein neurophysiologischer Drang zum Schlafen erkennbar, und nach langen Schlafphasen gibt es einen neurophysiologischen Drang zum Wachsein.

Funktion des Schlafs ( edit | edit source )

Es gibt mehrere Theorien, die die Funktion des Schlafs und seine Notwendigkeit zu erklären versuchen. Zu diesen Theorien gehören die restaurative Schlaftheorie, die Theorie der kognitiven Funktion, die Energieerhaltungstheorie des Schlafs und die adaptive Schlaftheorie.

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Restaurative Theorie ( edit | edit source )

Die restaurative oder Wiederherstellungstheorie stützt die Vorstellung, dass der Schlaf notwendig ist, um die physiologischen Prozesse zu beleben und wiederherzustellen, die zur Verjüngung von Körper und Geist beitragen. Diese Theorie besagt, dass der NREM-Schlaf für die Wiederherstellung der physiologischen Funktionen und der REM-Schlaf für die Wiederherstellung der geistigen Funktionen wichtig ist.(15)

Die Erkenntnisse über zahlreiche biologische Funktionen, die hauptsächlich während des Schlafs ablaufen, stützen die restaurative Schlaftheorie. Einige dieser Funktionen sind:

  • Reparatur von geschädigtem Muskelgewebe
  • Zellreparatur
  • Gewebewachstum
  • Proteinsynthese
  • Ausschüttung vieler für das Wachstum wichtiger Hormone

Der Schlaf ermöglicht es dem Körper also, verschiedene Zellbestandteile zu reparieren und Komponenten wieder aufzufüllen, die für physiologische Funktionen benötigt werden und während des Tages verbraucht werden. Dies unterstützt das Konzept, unseren Patienten nach Operationen ausreichend Ruhe zu gönnen, um effiziente Genesungsprozesse zu fördern.

Theorie der kognitiven Funktion ( edit | edit source )

Schlaf ist wichtig für die kognitive Funktion und die Gedächtnisbildung. Studien über Schlafentzug zeigen eine Störung der kognitiven Fähigkeiten und weisen auf Gedächtnisdefizite hin.(16) Diese Störungen führen zu:(16)

  • Beeinträchtigung der Fähigkeit, die Aufmerksamkeit aufrechtzuerhalten
  • Beeinträchtigungen der Entscheidungsfindung
  • Schwierigkeiten, Langzeiterinnerungen abzurufen

Diese Arten von Störungen korrelieren auch positiv mit dem Ausmaß des Schlafentzugs, wobei die Beeinträchtigungen mit zunehmender Dauer des Schlafentzugs stärker werden.(16)

Es hat sich auch gezeigt, dass der Tiefschlaf (NREM N3) nach dem Erlernen einer neuen Aufgabe die Leistung bei dieser Aufgabe verbessern kann. Stickgold (2005) zeigte ebenfalls, dass der Tiefschlaf für eine effektive Gedächtnisbildung unerlässlich ist.(17) Es ist daher keine gute Idee, die ganze Nacht aufzubleiben, um für einen Test zu lernen, da dies möglicherweise nicht effektiv ist und sogar kontraproduktiv sein kann.

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Energieerhaltungstheorie ( edit | edit source )

Der Schlaf wird bei dieser Theorie als Mittel zur Energieerhaltung angesehen. Die Energieerhaltungstheorie besagt, dass die Hauptfunktion des Schlafs darin besteht, den Energiebedarf während eines Teils des Tages und der Nacht zu senken. Die Tatsache, dass der Körper während des Schlafs einen um bis zu 10 % verringerten Stoffwechsel hat, unterstützt diese Theorie. Die Körpertemperatur und der Kalorienbedarf sinken während des Schlafs und steigen im Wachzustand an, was wiederum die Hypothese stützt, dass der Schlaf eine wichtige Rolle bei der Erhaltung der Energieressourcen spielt.(19)

Adaptive Theorie ( edit | edit source )

Die adaptive Theorie wird auch als Evolutionstheorie des Schlafes oder als Inaktivitätstheorie bezeichnet. Es ist eine der frühesten Theorien, die die Funktion des Schlafes erklären. Diese Theorie besagt, dass Schlaf ein Verhalten ist, das unser Überleben insgesamt fördert. Es wird vermutet, dass sich der Mensch im Vergleich zu anderen Spezies schneller entwickelt hat, weil er so viel Wert auf Ruhe legt.

  • Diese Theorie besagt, dass sich alle Arten daran angepasst haben, in Zeiten zu schlafen, in denen sie durch Wachsein stärker gefährdet sind, d.h., dass der Schlaf ein adaptives Verhalten ist, um uns von der Nacht und der Dunkelheit fernzuhalten, wenn Raubtiere einen Vorteil bei der Sicht und Tarnung haben.(15)
  • Ähnlich wie Hunger und Durst kann Schläfrigkeit ein grundlegendes physiologisches Bedürfnis darstellen, das nur durch Schlaf befriedigt werden kann und für das Überleben des Menschen unerlässlich ist.(8)

Physiologie des Schlafs ( edit | edit source )

Beurteilung des Schlafs ( edit | edit source )

Schlafmedizinische Methoden ( edit | edit source )

Im Schlaflabor können verschiedene Untersuchungen zur Beurteilung des Schlafs durchgeführt werden. Zu den Vorteilen dieser Methoden gehören:

  • Einsatz fortschrittlicher Technologie (kann nicht zu Hause verwendet werden)
  • Präzise und spezifische Methoden – können zwischen verschiedenen Schlafphasen unterscheiden
  • Goldstandard für die Beurteilung des Schlafs

Die Nachteile sind:

  • Teure Methoden
  • Zeitaufwendige Methoden
  • Sie benötigen professionelle Unterstützung
  • Sie können nur über einen kurzen Zeitraum durchgeführt werden (ein oder zwei Tage)
  • Ein weiterer wichtiger funktioneller Nachteil besteht darin, dass die Untersuchung in einem Schlaflabor nicht in der gewohnten Umgebung des Patienten zu Hause durchgeführt wird und daher nicht wirklich eine normale Schlafsituation misst.

Polysomnographie (PSG): Medizinisches Verfahren, das aus mehreren gleichzeitigen, aber unabhängigen Tests besteht, die verschiedene Körperfunktionen während des Schlafs überwachen und zu deren späterer Untersuchung auf verschiedenen Kanälen aufgezeichnet werden(20)

Die im Rahmen einer PSG durchgeführten Tests und gesammelten Informationen können Folgendes umfassen(20):

  • Elektroenzephalogramm (EEG) – misst und zeichnet die Hirnstromaktivität auf – wird zur Identifizierung von Schlafstadien und zur Erkennung von Anfällen verwendet
  • Elektrookulogramm (EOG) – zeichnet Augenbewegungen auf. Wichtig für die Identifizierung der verschiedenen Schlafstadien, insbesondere des REM-Stadiums
  • Elektromyogramm (EMG) – zeichnet Muskelaktivitäten wie Zähneknirschen, Gesichtszuckungen und Gliederbewegungen auf. Das Kinn-EMG wird benötigt, um das REM-Stadium vom Wachzustand zu unterscheiden, und das Extremitäten-EMG identifiziert periodische Gliedmaßenbewegungen im Schlaf (periodic limb movements – PLMS)
  • Elektrokardiogramm (EKG) – Herzfrequenz und -rhythmus
  • Pulsoximetrie – Sauerstoffsättigung (SaO2)
  • Atmungsmonitor – Atmungsanstrengung
  • Kapnographie – Messung und Anzeige der eingeatmeten und ausgeatmeten CO2-Konzentrationen an der Atemwegsöffnung
  • Transkutane Monitore – O2- und CO2-Diffusion durch die Haut
  • Mikrofon – zeichnet Lautstärke und Art des Schnarchens auf
  • Videokamera – gut, um Körperbewegungen und -positionen zu erkennen
  • Thermometer – Körperkerntemperatur und Veränderungen
  • Light Intensity Tolerance Test (etwa: Lichtintensitätstoleranztest) – untersucht den Einfluss der Lichtintensität auf den Schlaf
  • Tests für die Speiseröhre
  • Nasaler und oraler Luftstromsensor – zeichnet Luftstrom und Atemfrequenz auf
  • Blutdruckmessgerät – misst den Blutdruck und dessen Veränderungen

Die obige Liste ist eine umfassende Aufzählung von Tests, die verwendet werden können. Im Allgemeinen werden nur einige spezifische Tests für jeden spezifischen Fall ausgewählt. Das EEG, das EOG und das EMG sind jedoch die wichtigsten Messwerte.

Weitere Tests der schlafmedizinischen Diagnostik umfassen:(20)

  • Multipler Schlaflatenztest (MLST)
  • Multipler Wachbleibetest (MWT)
  • CPAP Titration Test (CTT)
  • Home Sleep Test (HST)

Methoden zur Selbsteinschätzung ( edit | edit source )

  • Fragebögen zum Schlaf(20)
  • Schlaf-Tagebücher
  • Geräte wie Apps zur Schlaferkennung

Schlafstadien ( edit | edit source )

Graph showing the passage through the four principle phases of sleep over the course of a night. Portions marked in red indicate REM sleep

Der Schlaf kann in zwei Schlafzustände oder -typen unterteilt werden, und zwischen diesen beiden Schlafzuständen wird während einer Nacht mehrmals (5 bis 6 Mal) hin- und hergewechselt. Diese Rotationen dauern in der Regel zwischen 90 und 100 Minuten pro Zyklus. Die beiden Hauptphasen des Schlafs sind:

  • REM-Schlaf (REM = Rapid Eye Movement) – Schlaf mit schnellen Augenbewegungen
  • NREM-Schlaf (Non-REM) – Schlaf ohne schnelle Augenbewegungen

Die zunehmend längeren und tieferen REM-Stadien treten im Allgemeinen im letzten Teil des Schlafzyklus auf.

  • Es gibt keine Einteilung der REM-Schlafstadien
  • Der NREM-Schlaf besteht aus drei oder vier großen Unterabschnitten.
    • Rechtschaffen und Kales veröffentlichten 1968 standardisierte Kriterien für die Einstufung des Schlafs.(21)
    • Die American Academy of Sleep Medicine hat diese Kriterien überarbeitet und die überarbeitete Version 2007 veröffentlicht.(22)
    • Wichtigste Änderung: Zusammenlegung von Stadium drei und vier in ein einziges Stadium – nun definiert als Slow-Wave-Schlaf, Deltaschlaf oder Tiefschlaf (für die Zwecke dieser Seite wird auf die Klassifizierung der American Academy of Sleep Bezug genommen).

Mit Hilfe der Polysomnographie lassen sich die verschiedenen Schlafzustände erkennen und kategorisieren.(23)

  • Der NREM-Schlaf wird in drei Phasen (N1, N2 und N3) mit zunehmender Schlaftiefe unterteilt.(2)(24)

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NREM-Schlafstadium 1 (N1) ( edit | edit source )

  • Übergangsphase zwischen Wachen und Schlafen (Einschlafphase – die Zeit, in der wir in den Schlaf abdriften)
  • Flaches Schlafstadium
  • Reduzierte Atemfrequenz
  • Langsamere Herzfrequenz
  • Gehirnwellenaktivität (EEG)(23)
    • Assoziiert mit Alpha- und Theta-Wellen
    • Früher in N1 – Alpha-Wellen, niederfrequente (8-13 Hz), hochamplitudige Muster elektrischer Aktivität (Wellen), die synchronisiert werden
    • Dieses Muster der Gehirnwellenaktivität ist wie bei jemandem, der sehr entspannt, aber wach ist
    • Später im Stadium N1 – Erhöhung der Theta-Wellen-Aktivität
    • Theta-Wellen – niedrigere Frequenz (4 – 7 Hz), höhere Amplitude der Gehirnwellen
  • Es ist einfach, jemanden aus der Stufe 1 aufzuwecken
  • Dauert etwa 5 bis 10 Minuten

NREM-Schlafstadium 2 (N2) ( edit | edit source )

  • Der Körper gerät in einen tiefen Entspannungszustand
  • Einsetzen des Schlafs
  • Absinken der Körpertemperatur
  • Herzfrequenz verlangsamt sich weiter
  • Gehirn produziert Schlafspindeln im EEG
  • Die Person nimmt ihre Umgebung weniger bewusst wahr
  • Dauert etwa 20 Minuten
  • Gehirnwellenaktivität(23)
    • Theta-Wellen dominieren weiterhin, werden aber von Schlafspindeln unterbrochen (schnelle Ausbrüche höherfrequenter Hirnwellen – diese können für Lernen und Gedächtnis wichtig sein)
    • K-Komplexe entstehen auch in dieser Phase (sehr hohe Amplitudenmuster der Hirnaktivität, die als Reaktion auf Umweltreize auftreten können – können als Brücke zu höheren Erregungsniveaus als Reaktion auf das, was in unserer Umgebung vor sich geht, dienen)
    • Schlafspindeln und K-Komplexe helfen bei der Unterscheidung zwischen NREM N1 und N2

NREM-Schlafstadium 3 (N3) ( edit | edit source )

Überarbeitete Kombination der früheren Stadien 3 und 4 nach Rechtschaffen und Kales.(22) Auch bekannt als Slow-Wave-Schlaf (SWS), langsamwelliger Schlaf, Tiefschlaf oder Deltaschlaf

  • Muskeln entspannen sich
  • Senkung des Blutdrucks
  • Verlangsamte Atemfrequenz
  • Der tiefste Schlaf tritt ein
  • Die Person ist weniger reaktionsfähig
  • Geräusche und Aktivitäten in der Umgebung können zu keiner Reaktion führen
  • Übergangszeit zwischen leichtem Schlaf und sehr tiefem Schlaf
  • Dauert etwa 20 bis 40 Minuten(26).
  • Gehirnwellenaktivität(23) – Delta-Wellen mit niedriger Frequenz (bis zu 4 Hz) und hoher Amplitude

REM-Schlaf ( edit | edit source )

  • Die Augen bewegen sich schnell unter geschlossenen Lidern
  • Höhere Gehirnaktivität
  • EEG mit niedriger Amplitude und gemischten Frequenzen (ähnlich wie bei einem wachen Muster)
  • Desynchronisierte EEG-Aktivität
  • Der Körper wird entspannt und immobilisiert
  • Muskelatonie oder -lähmung
  • Träume treten auf
  • Wird auch als paradoxer oder desynchronisierter Schlaf bezeichnet, weil das Gehirn und andere Körpersysteme aktiver werden, während die Muskeln entspannter sind.(27)

Anatomie des Schlafs ( edit | edit source )

The brain 1.png

Zu den Strukturen des Gehirns, die am Schlaf beteiligt sind, gehören:(28)(24)

  • Hypothalamus
    • kleine Struktur tief im Inneren des Gehirns
    • Enthält Gruppen von Nervenzellen, die als Kontrollzentren für Schlaf und Erregung fungieren
  • Nucleus suprachiasmaticus (suprachiasmatischer Kern)
    • Liegt im Hypothalamus
    • Gruppe aus Tausenden von Zellen, die Informationen über die Lichtexposition von den Augen empfangen
  • Hirnstamm
    • An der Basis des Gehirns
    • Kommuniziert mit dem Hypothalamus, um den Übergang zwischen Wachsein und Schlaf zu steuern
    • Umfasst Pons (Brücke), Medulla oblongata (verlängertes Mark) und Mesencephalon (Mittelhirn)
    • Enthält schlaffördernde Zellen (auch im Hypothalamus) – diese Zellen produzieren GABA (Gamma-Aminobuttersäure, ein Neurotransmitter im Gehirn), die die Aktivität der Erregungszentren im Hypothalamus und im Hirnstamm reduziert
    • Pons und Medulla spielen eine Schlüsselrolle im REM-Schlaf, indem sie Signale zur Entspannung der Muskeln senden, die für die Körperhaltung und die Bewegungen der Gliedmaßen benötigt werden – dies soll sicherstellen, dass wir unsere Träume nicht ausleben.
  • Thalamus
    • Fungiert als „Relais“ für sensorische Informationen an die Großhirnrinde (der Teil des Gehirns, der Informationen aus dem Kurz- und Langzeitgedächtnis interpretiert und verarbeitet)
    • Ruht in den meisten Schlafstadien, um die Außenwelt abzuschalten
    • Aktiv während der REM-Phase
      • Sendet Bilder, Töne und andere Eindrücke, die unsere Träume ausfüllen, an die Großhirnrinde
  • Zirbeldrüse
    • Liegt zwischen den beiden Hemisphären des Gehirns
    • Empfängt Signale vom Nucleus suprachiasmaticus und steigert die Melatoninproduktion, die dazu beiträgt, dass der Mensch einschläft, sobald das Licht ausgeht
  • Basales Vorderhirn
    • Im vorderen und unteren Bereich des Gehirns
    • Fördert Schlaf und Wachsein
    • Zellen im basalen Vorderhirn setzen Adenosin frei, das den Schlaftrieb unterstützt
  • Mittelhirn
    • Wirkt als Erregersystem
  • Amygdala und Hippocampus
    • Strukturen des limbischen Systems
    • Beteiligt an der Verarbeitung von Emotionen
    • Zunehmend aktiv während des REM-Schlafs
  • Lateraler präfrontaler Kortex
    • Beteiligung am Denken und Urteilen, also am logischen Schlussfolgern
    • Deaktiviert sich während der REM-Phase (dies könnte der Grund dafür sein, dass wir bizarre, unlogische Träume haben und nicht verstehen können, warum wir sie haben).
  • Anteriorer Gyrus cinguli
    • Steuert Aufmerksamkeit und Motivation
    • Aktiver während des REM-Schlafs
    • Könnte einer der Gründe dafür sein, dass wir in unseren Träumen so lebhafte und veränderliche Bilder haben.

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Ressourcen(edit | edit source)

Referenzen(edit | edit source)

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