Im Schlaf regeneriert sich nicht nur unser Körper, auch das Gehirn benötigt diese Ruhepause. Wozu, ist bisher allerdings nur in Teilen geklärt. US-Forscher haben nun eine neue Antwort auf die alte Frage gefunden: Unser Denkorgan nutzt den Schlaf zur Müllentsorgung. Es schwemmt während der Nacht molekulare Abfallstoffe aus. Möglicherweise ist es daher sogar das Bedürfnis nach Entsorgung, das unsere Müdigkeit und unser Schlafbedürfnis auslöst, mutmaßen die Wissenschaftler im Fachmagazin „Science“.
Ob Maus oder Mensch, Wal oder Giraffe: Nahezu jedes Tier schläft in irgendeiner Form – und stirbt, wenn ihm die Nachtruhe lang genug verwehrt wird. Bei unserer Spezies gelten chronische Schlafstörungen als Risikofaktor für allerlei Krankheiten, von Epilepsie über Alzheimer bis hin zum Schlaganfall. Schon eine schlaflose Nacht reicht, um uns das Hirn zu vernebeln: Wer müde ist, ist weniger aufmerksam und trifft schlechtere Entscheidungen. Doch warum ist Schlaf so wichtig für uns? Bekannt ist bereits, dass unser Hirn die Nachtruhe benötigt, um neue Erinnerungen zu konsolidieren. Was aber unsere grauen Zellen sonst so treiben, wenn uns die Augen zufallen, war bisher unbekannt.
Entweder aufpassen oder aufräumen
Forscher um Lulu Xie von der University of Rochester haben nun bei Mäusen einen weiteren Mechanismus entdeckt, der Schlaf unabkömmlich macht: Nachts werden schädliche Stoffwechselprodukte im Gehirn weggeschafft. „Das Hirn hat nur eine begrenzte Menge an Energie zur Verfügung, und es scheint, als müsse es sich zwischen zwei funktionellen Zuständen entscheiden – entweder ist es wach und passt auf, oder es schläft und räumt auf“, sagt Koautorin Maiken Nedergaard. „Man kann es sich so vorstellen, als würde man eine Party bei sich zu Hause schmeißen. Entweder man unterhält die Gäste oder man räumt auf, aber man kann kaum beides zur gleichen Zeit machen.“
Die Müllabfuhr im Gehirn bedient sich eines Systems, das die Forscher bereits im vergangenen Jahr aufgespürt hatten. Das glymphatische System ist ein Netzwerk aus winzigen Kanälen, die Hirnwasser transportieren. Kontrolliert wird dieses Netzwerk nicht von Nerven-, sondern von Gliazellen, den Stütz- und Hüllzellen des Gehirns. Ähnlich wie das Lymphsystem im Rest unseres Körpers ist es für den Abtransport von Abfällen zuständig. Der gesammelte Unrat wandert aus dem Hirnwasser zurück in den Blutkreislauf und wird fortgewaschen.
Abflusskanäle erweitern sich im Schlaf
Um die Aktivität des glymphatischen Systems im schlafenden und wachen Hirn vergleichen zu können, brachten die Wissenschaftler Mäusen bei, unter einem speziellen Mikroskop einzuschlafen. Waren die Nager eingedöst, injizierten die Forscher grünen Farbstoff ins Hirnwasser und beobachteten, wie er sich verteilte. Nachdem sie die Mäuse wieder aufgeweckt hatten, injizierten sie rote Farbe und beobachteten wiederum, was mit ihr geschah.
Sie stellten fest, dass der Fluss des Hirnwassers im Schlaf und unter Narkose tief ins Gewebe hineinreichte. Bei wachen Mäusen reduzierte er sich um 95 Prozent und blieb auf die Oberfläche des Gehirns beschränkt. Auch extra markierte β-Amyloide wurden im Schlaf doppelt so schnell weggeschafft wie im Wachzustand. Diese Proteine sind Bestandteil der krankhaften Ablagerungen im Hirn von Alzheimer-Patienten.
Der effizientere Abtransport von molekularem Müll ging mit erstaunlichen Veränderungen der Gewebestruktur einher. Bei wachen Mäusen machte der Zellzwischenraum lediglich 14 Prozent des Hirnvolumens aus, bei schlafenden Tieren waren es hingegen 23 Prozent. Die Forscher vermuten, dass der Neurotransmitter Noradrenalin eine wichtige Rolle bei der Ausdehnung und Kontraktion der Zellen spielt. Das Hormon wird verstärkt ausgeschüttet, wenn wir wachsam sein müssen – etwa in Gefahrensituationen. Im Schlaf sinkt seine Konzentration im Gehirn.
Bestimmt die Müllabfuhr unser Schlafbedürfnis?
Die Forschungsergebnisse werfen eine Reihe weiterer Fragen auf – etwa die, ob die Ansammlung von Müll im Hirn auch unser Schlafbedürfnis beeinflusst. Denkbar wäre, dass uns die Müdigkeit überfällt, sobald die Unordnung zu groß wird. Möglicherweise drängt uns das Hirn zu einem Nickerchen, damit es mit dem Reinemachen beginnen kann. Die zweite Frage ist, ob und zu welchem Ausmaß das Phänomen der nächtlichen Hirnwäsche bei anderen Arten auftritt.
Suzana Herculano-Houzel von der Universidade Federal do Rio de Janeiro schlägt in einem begleitenden Kommentar vor, der Mechanismus könne eine Erklärung für das unterschiedliche Schlafbedürfnis verschiedener Tiere liefern. Denn während Fledermäuse 20 Stunden am Tag ratzen, kommen Giraffen und Elefanten mit drei bis vier Stunden aus. Haben sie dank ihrer großen Hirne einfach größere Zellzwischenräume voller Hirnwasser, die Schadstoffe zwischenspeichern können? Ein Rätsel, das nicht einfach zu lösen sein wird, wie Herculano-Houzel weiß: „Wenn Neurowissenschaftler lebende Tiere mit großem Hirn doch nur so einfach ins Labor holen könnten.“ (Science, 2013; doi: 10.1126/science.1241224)
(Science, 21.10.2013 – NSC)
