Schlaf reinigt das Gehirn von Giftstoffen und Metaboliten
Zuletzt überprüft: 14.06.2024
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Eine kürzlich in Nature Neuroscience veröffentlichte Studie ergab, dass die Gehirnclearance während der Anästhesie und des Schlafs reduziert ist.
Schlaf ist ein Zustand anfälliger Inaktivität. Angesichts der Risiken dieser Anfälligkeit wird vermutet, dass Schlaf einige Vorteile bieten könnte. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass Schlaf das Gehirn über das glymphatische System von Toxinen und Metaboliten befreit. Diese Annahme hat wichtige Implikationen; Beispielsweise kann eine verringerte Entgiftung aufgrund chronisch schlechten Schlafs Alzheimer verschlimmern.
Die Mechanismen und anatomischen Wege, durch die Giftstoffe und Metaboliten aus dem Gehirn entfernt werden, sind noch unklar. Laut der glymphatischen Hypothese entfernt der basale Flüssigkeitsfluss, der durch hydrostatische Druckgradienten aus arteriellen Pulsationen angetrieben wird, während des Tiefschlafs aktiv Salze aus dem Gehirn. Darüber hinaus verbessern sedierende Dosen von Anästhetika die Clearance. Es ist noch unbekannt, ob Schlaf die Clearance durch erhöhten basalen Fluss erhöht.
In dieser Studie haben Wissenschaftler die Flüssigkeitsbewegung und die Gehirnclearance bei Mäusen gemessen. Zunächst wurde der Diffusionskoeffizient von Fluoresceinisothiocyanat (FITC)-Dextran, einem fluoreszierenden Farbstoff, bestimmt. FITC-Dextran wurde in den Nucleus caudatus injiziert und die Fluoreszenz im Frontalkortex gemessen.
Bei den ersten Experimenten wartete man auf einen stabilen Zustand, bleichte den Farbstoff in einem kleinen Stoffvolumen und bestimmte den Diffusionskoeffizienten anhand der Bewegungsgeschwindigkeit des ungebleichten Farbstoffs in den gebleichten Bereich. Die Technik wurde validiert, indem die Diffusion von FITC-Dextran in gehirnähnlichen Agarosegelen gemessen wurde, die so modifiziert wurden, dass sie die optische Absorption und Lichtstreuung des Gehirns nachahmen.
Die Ergebnisse zeigten, dass sich der Diffusionskoeffizient von FITC-Dextran zwischen Anästhesie- und Schlafzuständen nicht unterschied. Anschließend maß das Team die Gehirnreinigung in verschiedenen Wachzuständen. Sie verwendeten ein kleines Volumen des fluoreszierenden Farbstoffs AF488 bei Mäusen, denen Kochsalzlösung oder ein Anästhetikum injiziert wurde. Dieser Farbstoff bewegte sich frei im Parenchym und konnte helfen, die Gehirnreinigung genau zu quantifizieren. Es wurden auch Vergleiche zwischen Wach- und Schlafzuständen angestellt.
Bei Spitzenkonzentrationen betrug die Clearance bei mit Kochsalzlösung behandelten Mäusen 70–80 %, was darauf hindeutet, dass die normalen Clearance-Mechanismen nicht beeinträchtigt waren. Bei der Verwendung von Anästhetika (Pentobarbital, Dexmedetomidin und Ketamin-Xylazin) wurden jedoch erhebliche Verringerungen der Clearance beobachtet. Darüber hinaus war die Clearance bei schlafenden Mäusen im Vergleich zu wachen Mäusen ebenfalls verringert. Der Diffusionskoeffizient unterschied sich jedoch zwischen Anästhesie- und Schlafbedingungen nicht signifikant.
A. 3 oder 5 Stunden nach der Injektion von AF488 in CPu wurden Gehirne eingefroren und in 60 μm dicke Schnitte kryogeschnitten. Die durchschnittliche Fluoreszenzintensität jedes Schnitts wurde mithilfe von Fluoreszenzmikroskopie gemessen; dann wurden die mittleren Intensitätswerte der Gruppen von vier Schnitten gemittelt.
B. Die mittlere Fluoreszenzintensität wurde mithilfe der in ergänzender Abbildung 1 dargestellten Kalibrierungsdaten in Konzentration umgerechnet und gegen den anteriorposterioren Abstand vom Injektionspunkt für die Zustände Wachsein (schwarz), Schlaf (blau) und KET-XYL-Anästhesie (rot) aufgetragen. Oben – Daten nach 3 Stunden. Unten – Daten nach 5 Stunden. Die Linien stellen Gaußsche Anpassungen an die Daten dar und die Fehlerhüllkurven zeigen 95 %-Konfidenzintervalle an. Sowohl die 3- als auch die 5-Stunden-Konzentrationen während der KET-XYL-Anästhesie (P
C. Repräsentative Bilder von Gehirnschnitten in unterschiedlichen Abständen (antero-posterior) von der AF488-Injektionsstelle nach 3 Stunden (obere drei Reihen) und 5 Stunden (untere drei Reihen). Jede Reihe stellt Daten für drei Wachzustände dar (wach, schlafend und KET-XYL-Anästhesie).
Die Studie ergab, dass die Gehirnclearance während der Anästhesie und des Schlafs reduziert war, was früheren Berichten widerspricht. Die Clearance kann an verschiedenen anatomischen Stellen variieren, aber der Grad der Variation kann gering sein. Die Hemmung der Clearance durch Ketamin-Xylazin war jedoch signifikant und unabhängig vom Ort.
Nicholas P. Franks, einer der Autoren der Studie, sagte: „Das Forschungsfeld hat sich so sehr auf die Idee der Reinigung als einen der Hauptgründe dafür konzentriert, warum wir schlafen, dass wir von den gegenteiligen Ergebnissen sehr überrascht waren.“
Es ist besonders wichtig zu beachten, dass sich die Ergebnisse auf ein kleines Farbstoffvolumen beziehen, das sich frei im extrazellulären Raum bewegt. Größere Moleküle können ein anderes Verhalten zeigen. Darüber hinaus sind die genauen Mechanismen, durch die Schlaf und Anästhesie die Clearance des Gehirns beeinflussen, noch unklar; Diese Ergebnisse stellen jedoch die Vorstellung in Frage, dass die Hauptfunktion des Schlafs darin besteht, das Gehirn von Giftstoffen zu befreien.