Es gab und gibt viele Ideen, Annahmen und Hypothesen, warum wir (soviel) ResearchBlogging.orgschlafen (müssen), immerhin verschläft der Mensch rund ein Drittel seines Lebens. Im Vergleich zu anderen essentiellen Tätigkeiten wie Essen oder Atmen, deren Nutzen und Funktionsweise man gut versteht, ist der Schlaf, der nicht minder notwendig ist, rätselhaft geblieben.

Bis jetzt? Die neue Hypothese der Gruppe um M. Nedergaard aus New York lautet, daß das Hirn während des Schlafs den „Hausputz“ erledigt, sich also selbst reinigt. Und im Gegensatz zu diesen derzeit angesagten aber unsinnigen wenn nicht esoterischen Entschlackungs- bzw. „Detox“-Kuren (es gibt im Körper keine „Schlacken“ und zur Entgiftung reichen gesunde Leber und Nieren völlig aus), ist das sogar sinnvoll, denn während des normalen Betriebs des Hirns entstehen Stoffwechselendprodukte, die, wenn sie sich ansammeln, toxisch wirken können und daher abtransportiert werden müssen. Die Vermutung, daß Schlaf irgendwie der Erholung oder Reinigung dient, ist nicht neu aber in ihrer in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie legen Xie et al. dafür nun erstmalig direkte, experimentale Belege auf molekularer Ebene vor.

Die Studie basiert auf einer Entdeckung aus dem letzten Jahr: die Gruppe um Nedergaard hatte erstmalig ein Netzwerk mikroskopisch kleiner, flüssigkeitsgefüllter Kanäle im Hirn beschrieben, die, ähnlich wie das Lymphsystem (das allerdings nicht ins Hirn reicht), Toxine und Abfallstoffe abtransportieren können. Diese Kanäle, die die Gruppe „glymphatisches System“ getauft hat, enthalten jedoch keine Lymphe sondern abfallstoffbeladene Cerebrospinalflüssigkeit (CSF) und bevor sie entdeckt wurden, dachte man, das Hirn könne Abfallstoffe nicht abführen, sondern müsse sie chemisch aufspalten und dann die Einzelbestandteile recyclen.

Der CSF-Strom im Netzwerk wird, wie Nedergaard et al. beschreiben, durch Kanäle in den Zellmembranen von Gliazellen (= Hirnzellen, die aber keine Nervenzellen sind) kontrolliert. Der Flüssigkeitstransport durch Zellmembranen hindurch verbraucht jedoch sehr viel Energie und Nedergaard vermutete, daß das Hirn damit überfordert ist, gleichzeitig sensorische Information zu verarbeiten (was es im Wachzustand ständig tun muß) und den für eine Abfallentsorgung nötigen Flüssigkeitsstrom aufrecht zu erhalten. Um diese Vermutung zu überprüfen, entwarfen Nedergaard und ihre Gruppe ein Experiment, das die Veränderung der Aktivität des glymphatischen Systems während des Schlafes messen sollte. Dafür brachten sie Mäusen bei, sich trotz der stressigen Situation unter einem Zwei-Photonen-Mikroskop (2PLM) liegen zu müssen (damit kann man den Strom angefärbter Flüssigkeiten durch lebendes Gewebe verfolgen) zu entspannen und einzuschlafen.

Den trainierten Mäusen wurde dann über den Nacken eine Art Katheter angelegt, durch den sich Farbstoffe in die CSF einleiten lassen. Sobald die Mäuse auf dem Mikroskop eingeschlafen waren (das wurde durch eine EEG-Ableitung kontrolliert), wurde ein grüner Farbstoff injiziert und nach einer halben Stunde weckte man sie wieder auf und injizierte sofort einen roten Farbstoff, den das 2PLM gut vom grünen Farbstoff unterscheiden kann (s. Abbildung).

experim

ECoG: Elektrokortikographie (mißt Hirnaktivität); EMG: Elektromyographie (mißt Muskelaktivität); CSF tracers: die roten und grünen Farbstoffe, die durch cisterna magna eingeleitet werden

Indem man die Bewegung der Farbstoffe durch das Hirn nachverfolgte, konnte man erkennen, daß im Schlaf größere Mengen CSF ins Hirn gespült wurden, nicht aber im Wachzustand. Eine andere Messung ergab, daß sich die glymphatischen Kanäle in den Gliazellen im Schlaf um ca. 60% erweiterten.

In einem weiteren Experiment injizierte man schlafenden und wachen Mäusen markierte Beta-Amyloid-Proteine (deren krankhafte Ansammlung mit Morbus Alzheimer in Verbindung gebracht wird) und fand heraus, daß im Schlaf die CSF diese „Verunreinigungen“ doppelt so schnell wegspülen konnte, wie im Wachzustand.

Interessanterweise sind viele neurologische Erkrankungen wie Alzheimer, Apoplex und Demenz mit Schlafstörungen assoziiert (siehe auch [2] und [3]). Die Studie von Nedergaard liefert dafür nun eine mögliche Erklärung, indem durch Schlafmangel ein unzureichender Abtransport von Abfall- und Giftstoffen bedingt wird, deren Ansammlung letztlich zu einer Schädigung des Hirns führt. Wenn sich diese Befunde bestätigen und so oder ähnlich auch beim Menschen zutreffen, ist eine sensationelle Entdeckung gelungen und die Grundlage für viele neue Diskussionen über Wert und Notwendigkeit von Schlaf dürfte gelegt sein.

Unklar ist bisher auch noch, ob auch das Schlafbedürfnis aktiv durch die Notwendigkeit des Abfallstoffabstransportes reguliert wird, ob man also von angesammelten Abfallstoffen im Hirn tatsächlich müde wird und auch zur Entstehung, Form und Funktion der Transportkanäle sowie zur Frage, ob und wie die nächtliche Hirnsäuberung in allen Spezies auftritt bleibt noch viel zu forschen. Als unstrittig kann wohl lediglich weiterhin gelten, daß Schlaf mehrere sehr wichtige Funktionen erfüllt und man ausreichend davon bekommen sollte.

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Literatur:
[1] Xie L, Kang H, Xu Q, Chen MJ, Liao Y, Thiyagarajan M, O’Donnell J, Christensen DJ, Nicholson C, Iliff JJ, Takano T, Deane R, & Nedergaard M (2013). Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science (New York, N.Y.), 342 (6156), 373-7 PMID: 24136970

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Kommentare (5)

  1. #1 rolak
    08/11/2013

    es gibt im Körper keine „Schlacken“

    Bis auf manchmal 😛

    Bisher kannte ich nur die Hypothese von der mentalen Reinigung, sorta brain-defrag, Erinnerungs- und Neuigkeiten-Aufarbeitung. Falls beides zutrifft, ist der rapide Konditions-Abbau bei Schlafentzug überhaupt kein Wunder…

  2. #2 Julia
    Bayern
    11/11/2013

    Das ist echt mal eine interessante Neuigkeit – bin sehr gespannt, was sich da im weiteren noch tut. Bisherige Erklärungen haben für mich teilweise einen esoterischen Touch wie z.B. die Hypothese, wir müssten im Schlaf unser “Tagesleben” mental verarbeiten (also was auch schon rolak genannt hat). Im Gegensatz zu diesem Hokuspokus klingt obiges Forschungsergebnis mal echt nach was handfestem.

    Ich habe auch mal gehört, eine Erklärung, warum Raubtiere (Katzen z.B.) so viel schlafen, sei, dass andernfalls das biologische Gleichgewicht kippt, weil die sonst die ganze Beute wegjagen würden. Klingt für mich auch eher komisch…

    Und noch eine ganz naive Frage – schlafen eigentlich alle Tiere, also auch Einzeller, Bakterien und so??

  3. #3 rolak
    11/11/2013

    Hokuspokus

    Esoterisch ist diese Erklärung sicherlich nicht zu nennen, Julia (sonst müßte ich mich nachträglich für die Verwendung von ‘Hypothese’ entschuldigen), da sie durch objektive Daten gestützt wird. Nur ist sie halt kein vollständiges Modell, deswegen ist jeder neue, weiterführende Aspekt (speziell bei diesem zentralen Organ) so ungemein interessant.

  4. #4 Cornelius Courts
    11/11/2013

    @Julia: “Klingt für mich auch eher komisch…”

    Ja, das dürfte Unsinn sein, da die Arterhaltung vermittelt über erhöhtes Schlafbedürfnis ja für die Raubtiere (und zwar das Individuum) einen direkten selektiven Vorteil haben müßte. Die Arterhaltung ist aber ganz sicher kein Selektionsfaktor, denn der Natur ist es, einfach gesprochen, völlig wurscht, ob Arten aussterben.

    “Und noch eine ganz naive Frage – schlafen eigentlich alle Tiere, also auch Einzeller, Bakterien und so??”

    Das kommt drauf an, was man unter “schlafen” versteht und dafür voraussetzt. Die meisten Auffassungen setzen ein vorhandenes Nervensystem voraus, so daß es bei Einzellern und Bakterien keinen Schlaf gibt (wohl aber Ruheformen wie Sporen). Aber selbst Fliegen mit ihrem einfachen Nervensystem können schlafen.

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