Schlaf reinigt das Gehirn von Giftstoffen und Stoffwechselprodukten

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience veröffentlichte Studie ergab, dass die Gehirnklärung während der Narkose und des Schlafs reduziert ist.

Schlaf ist ein Zustand der Inaktivität. Angesichts der Risiken dieser Inaktivität wurde vermutet, dass Schlaf einige Vorteile mit sich bringen könnte. Es wurde vermutet, dass Schlaf über das glymphatische System Giftstoffe und Metaboliten aus dem Gehirn ausscheidet. Diese Annahme hat wichtige Auswirkungen; so kann beispielsweise eine verminderte Ausscheidung von Giftstoffen aufgrund chronisch schlechten Schlafs die Alzheimer-Krankheit verschlimmern.

Die Mechanismen und anatomischen Wege, über die Giftstoffe und Metaboliten aus dem Gehirn ausgeschieden werden, sind noch unklar. Laut der glymphatischen Hypothese reinigt der basale Flüssigkeitsfluss, angetrieben durch hydrostatische Druckgradienten aus arteriellen Pulsationen, das Gehirn während des Tiefschlafs aktiv von Salzen. Zusätzlich verstärken sedierende Dosen von Anästhetika die Ausscheidung. Ob Schlaf die Ausscheidung durch erhöhten basalen Fluss fördert, ist unbekannt.

In dieser Studie maßen die Forscher die Flüssigkeitsbewegung und die Gehirnclearance bei Mäusen. Zunächst ermittelten sie den Diffusionskoeffizienten von Fluoresceinisothiocyanat (FITC)-Dextran, einem Fluoreszenzfarbstoff. FITC-Dextran wurde in den Nucleus caudatus injiziert und die Fluoreszenz im Frontalkortex gemessen.

In ersten Experimenten wurde der stationäre Zustand abgewartet, der Farbstoff in einem kleinen Gewebevolumen gebleicht und der Diffusionskoeffizient durch Messung der Bewegungsgeschwindigkeit des ungebleichten Farbstoffs in den gebleichten Bereich bestimmt. Die Technik wurde durch Messung der Diffusion von FITC-Dextran in gehirnsimulierenden Agarosegelen validiert, die so modifiziert wurden, dass sie die optische Absorption und Lichtstreuung des Gehirns nachbilden.

Die Ergebnisse zeigten, dass sich der Diffusionskoeffizient von FITC-Dextran zwischen Narkose und Schlaf nicht unterschied. Anschließend maß das Team die Gehirnclearance in verschiedenen Wachzuständen. Sie verwendeten eine kleine Menge des Fluoreszenzfarbstoffs AF488 bei Mäusen, denen Kochsalzlösung oder ein Narkosemittel injiziert wurde. Dieser Farbstoff bewegte sich frei im Parenchym und konnte helfen, die Gehirnclearance 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. Die Clearance war jedoch bei der Verwendung von Anästhetika (Pentobarbital, Dexmedetomidin und Ketamin-Xylazin) signifikant reduziert. Darüber hinaus war die Clearance auch bei schlafenden Mäusen im Vergleich zu wachen Mäusen reduziert. Der Diffusionskoeffizient unterschied sich jedoch zwischen anästhesiertem und schlafendem Zustand nicht signifikant.

A. Drei bis fünf Stunden nach der Injektion von AF488 in die CPu wurden die Gehirne eingefroren und in 60 μm dicke Kryoschnitte geschnitten. Die mittlere Fluoreszenzintensität jedes Schnitts wurde mittels Fluoreszenzmikroskopie gemessen; die mittleren Intensitäten von Gruppen von vier Schnitten wurden anschließend gemittelt.

B. Die mittlere Fluoreszenzintensität wurde mithilfe der in Abbildung 1 dargestellten Kalibrierungsdaten in Konzentration umgerechnet und gegen den anterior-posterioren Abstand vom Injektionspunkt für die Zustände Wachs (schwarz), Schlaf (blau) und KET-XYL-Anästhesie (rot) aufgetragen. Oben sind die Daten nach 3 Stunden. Unten sind die Daten nach 5 Stunden. Die Linien stellen Gauß-Anpassungen der Daten dar, und die Fehlerbalken zeigen 95%-Vertrauensintervalle. Sowohl nach 3 als auch nach 5 Stunden waren die KET-XYL-Konzentrationen während der Anästhesie (P < 10⁻⁶ nach 3 Stunden; P < 10⁻⁶ nach 5 Stunden) und des Schlafs (P = 0,0016 nach 3 Stunden; P < 10⁻⁴ nach 5 Stunden) signifikant höher als im Wachzustand (zweifaktorielle ANOVA mit Bonferroni-Holm-Korrektur für Mehrfachvergleiche).

C. Repräsentative Bilder von Gehirnschnitten in unterschiedlichen Abständen (anteroposterior) von der AF488-Injektionsstelle nach 3 Stunden (obere drei Reihen) und nach 5 Stunden (untere drei Reihen). Jede Reihe stellt Daten für drei Wachzustände dar (wach, schlafend und KET-XYL-Anästhesie).

Die Studie ergab, dass die Clearance des Gehirns während Narkose und Schlaf reduziert war, was früheren Berichten widerspricht. Die Clearance kann je nach anatomischer Stelle variieren, wobei der Grad der Variation gering sein kann. Die Hemmung der Clearance durch Ketamin-Xylazin war jedoch signifikant und unabhängig von der Stelle.

Nicholas P. Franks, einer der Autoren der Studie, sagte: „Die Forschung hat sich so sehr auf die Vorstellung konzentriert, dass Putzen einer der Hauptgründe dafür ist, warum wir schlafen, dass wir von den gegenteiligen Ergebnissen sehr überrascht waren.“

Besonders wichtig ist, dass die Ergebnisse nur ein kleines Farbstoffvolumen betreffen, das sich frei im extrazellulären Raum bewegt. Größere Moleküle könnten ein anderes Verhalten zeigen. Darüber hinaus sind die genauen Mechanismen, durch die Schlaf und Narkose die Gehirnreinigung beeinflussen, noch unklar. Diese Ergebnisse stellen jedoch die Annahme in Frage, dass die Hauptfunktion des Schlafs darin besteht, das Gehirn von Giftstoffen zu befreien.