Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Aktivität des Gehirns während des Schlafs, insbesondere die Erzeugung rhythmischer Gehirnwellen, für die Ausscheidung von Abfallstoffen entscheidend ist. Dieser Prozess könnte neue Strategien zur Vorbeugung neurodegenerativer Erkrankungen und zur Verbesserung der Schlafeffizienz bieten und möglicherweise die Notwendigkeit langer Schlafdauern verringern.
Die Erkenntnisse könnten den Weg für innovative Strategien zur Bekämpfung von Alzheimer und verschiedenen anderen neurologischen Erkrankungen ebnen.
Im Schlaf liegt ein Paradoxon. Seine scheinbare Ruhe steht im Kontrast zur geschäftigen Aktivität des Gehirns. Die Nacht ist still, aber das Gehirn schläft noch lange nicht. Während des Schlafs erzeugen Gehirnzellen elektrische Impulse, die sich zu rhythmischen Wellen akkumulieren – ein Zeichen für eine gesteigerte Funktion der Gehirnzellen.
Aber warum ist das Gehirn aktiv, wenn wir ruhen?
Langsame Gehirnwellen werden mit erholsamem, erfrischendem Schlaf in Verbindung gebracht. Und jetzt haben Wissenschaftler der Washington University School of Medicine in St. Louis herausgefunden, dass Gehirnwellen dabei helfen, Abfallstoffe im Schlaf aus dem Gehirn auszuspülen. Einzelne Nervenzellen koordinieren sich, um rhythmische Wellen zu erzeugen, die Flüssigkeit durch dichtes Gehirngewebe treiben und dabei das Gewebe waschen.
„Diese Neuronen sind Miniaturpumpen. „Synchronisierte neuronale Aktivität fördert den Flüssigkeitsfluss und die Entfernung von Trümmern aus dem Gehirn“, erklärte der Erstautor Li-Feng Jiang-Xie, PhD, ein Postdoktorand in der Abteilung für Pathologie und Immunologie. „Wenn wir auf diesem Prozess aufbauen können, besteht die Möglichkeit, neurologische Erkrankungen zu verzögern oder sogar zu verhindern Alzheimer und die Parkinson-Krankheit, bei der sich überschüssiger Abfall – wie Stoffwechselabfall und Junk-Proteine – im Gehirn ansammelt und zur Neurodegeneration führt.“
Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
Gehirnzellen und Abfallbeseitigung
Gehirnzellen orchestrieren Gedanken, Gefühle und Körperbewegungen und bilden dynamische Netzwerke, die für die Gedächtnisbildung und Problemlösung unerlässlich sind. Doch um solche energieintensiven Aufgaben zu erfüllen, benötigen Gehirnzellen Treibstoff. Durch die Aufnahme von Nährstoffen aus der Nahrung entstehen dabei Stoffwechselabfälle.
„Es ist von entscheidender Bedeutung, dass das Gehirn Stoffwechselabfälle entsorgt, die sich ansammeln und zu neurodegenerativen Erkrankungen beitragen können“, sagte Jonathan Kipnis, PhD, Alan A. und Edith L. Wolff Distinguished Professor für Pathologie und Immunologie und BJC-Forscher. Kipnis ist der leitende Autor des Artikels. „Wir wussten, dass der Schlaf eine Zeit ist, in der das Gehirn einen Reinigungsprozess einleitet, um Abfallstoffe und Giftstoffe auszuspülen, die sich im Wachzustand ansammeln. Aber wir wussten nicht, wie das passiert. Diese Erkenntnisse könnten uns Hinweise auf Strategien und mögliche Therapien geben, um die Beseitigung schädlicher Abfälle zu beschleunigen und sie zu beseitigen, bevor sie schlimme Folgen haben können.“
Der Mechanismus der Gehirnreinigung
Doch die Reinigung des dichten Gehirns ist keine einfache Aufgabe. Die das Gehirn umgebende Liquor cerebrospinalis dringt in komplizierte Zellnetze ein und durchdringt sie, wobei sie auf ihrem Weg giftige Abfälle sammelt. Beim Verlassen des Gehirns muss kontaminierte Flüssigkeit eine Barriere passieren, bevor sie in die Lymphgefäße in der Dura Mater gelangt – der äußeren Gewebeschicht, die das Gehirn unterhalb des Schädels umhüllt. Aber was treibt die Bewegung von Flüssigkeit in, durch und aus dem Gehirn an?
Bei der Untersuchung der Gehirne schlafender Mäuse stellten die Forscher fest, dass Neuronen die Reinigungsbemühungen vorantreiben, indem sie elektrische Signale auf koordinierte Weise abfeuern, um rhythmische Wellen im Gehirn zu erzeugen, erklärte Jiang-Xie. Sie stellten fest, dass solche Wellen die Flüssigkeitsbewegung antreiben.
Das Forschungsteam brachte bestimmte Gehirnregionen zum Schweigen, sodass die Neuronen in diesen Regionen keine rhythmischen Wellen erzeugten. Ohne diese Wellen könnte die frische Liquor cerebrospinalis nicht durch die zum Schweigen gebrachten Gehirnregionen fließen und eingeschlossene Abfallstoffe könnten das Gehirngewebe nicht verlassen.
Verbesserung des Reinigungsprozesses des Gehirns
„Einer der Gründe, warum wir schlafen, ist die Reinigung des Gehirns“, sagte Kipnis. „Und wenn wir diesen Reinigungsprozess verbessern können, ist es vielleicht möglich, weniger zu schlafen und gesund zu bleiben. Nicht jeder hat den Vorteil, acht Stunden pro Nacht zu schlafen, und Schlafmangel wirkt sich negativ auf die Gesundheit aus. Andere Studien haben gezeigt, dass Mäuse, die genetisch dazu veranlagt sind, weniger zu schlafen, ein gesundes Gehirn haben. Könnte es daran liegen, dass sie Abfallstoffe effizienter aus ihrem Gehirn entfernen? Könnten wir Menschen mit Schlaflosigkeit helfen, indem wir die Reinigungsfähigkeit ihres Gehirns verbessern, sodass sie mit weniger Schlaf auskommen?“
Die Muster der Gehirnwellen verändern sich im Laufe der Schlafzyklen. Bemerkenswert ist, dass höhere Gehirnwellen mit größerer Amplitude Flüssigkeit mit mehr Kraft bewegen. Die Forscher sind nun daran interessiert zu verstehen, warum Neuronen im Schlaf Wellen mit unterschiedlichem Rhythmus abfeuern und welche Regionen des Gehirns am anfälligsten für die Ansammlung von Abfallstoffen sind.
„Wir glauben, dass der Gehirnreinigungsprozess dem Geschirrspülen ähnelt“, erklärte der Neurobiologe Jiang-Xie. „Sie beginnen zum Beispiel mit einer großen, langsamen, rhythmischen Wischbewegung, um lösliche Abfälle, die über den Teller verspritzt sind, zu entfernen. Anschließend verringern Sie den Bewegungsbereich und erhöhen die Geschwindigkeit dieser Bewegungen, um besonders klebrige Speisereste vom Teller zu entfernen. Trotz der unterschiedlichen Amplitude und des Rhythmus Ihrer Handbewegungen bleibt das übergeordnete Ziel gleich: verschiedene Arten von Abfällen vom Geschirr zu entfernen. Vielleicht passt das Gehirn seine Reinigungsmethode je nach Art und Menge des Abfalls an.“
Referenz: „Neuronale Dynamik steuert die Perfusion der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit und die Gehirn-Clearance“ von Li-Feng Jiang-Xie, Antoine Drieu, Kesshni Bhasiin, Daniel Quintero, Igor Smirnov und Jonathan Kipnis, 28. Februar 2024, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-024-07108-6
Die Studie wurde gefördert durch Nationales Gesundheitsinstitut.