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 Maiken Nedergaard, Co-Autorin der Studie, die in der aktuellen Ausgabe von „Science” erschienen ist. „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.”
Nachts schrumpfen die Zellen
Die Müllabfuhr im Gehirn bedient sich eines Systems, das die Forschergruppe um Nedergaard bereits im vergangenen Jahr aufgespürt hatte. 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. Es ersetzt das Lymphsystem, das im Rest unseres Körpers für den Abtransport von Abfällen zuständig ist. Der gesammelte Unrat wandert aus dem Hirnwasser schließlich zurück in den Blutkreislauf und wird fortgewaschen.
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.
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