Es gibt etwa 170 Milliarden Zellen im Gehirn, und wenn sie ihre normalen Aufgaben erfüllen, produzieren sie eine Menge Abfall. Um gesund zu bleiben, muss das Gehirn all diesen Müll ausspülen. Doch wie er das genau macht, blieb ein Rätsel. Jetzt haben zwei Wissenschaftlergruppen drei Artikel veröffentlicht, die das Abfallentsorgungssystem des Gehirns detailliert beschreiben. Ihre Erkenntnisse könnten Forschern helfen, ein breites Spektrum von Hirnerkrankungen besser zu verstehen, zu behandeln und möglicherweise zu verhindern.
Die Arbeiten, die alle in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurden, deuten darauf hin, dass während des Schlafs langsame elektrische Wellen Flüssigkeit um die Zellen herum aus der Tiefe des Gehirns an die Oberfläche drücken. Dort ermöglicht eine komplexe Schnittstelle die Aufnahme von Abfallprodukten in dieser Flüssigkeit in den Blutkreislauf, der sie zur Leber und zu den Nieren transportiert, wo sie aus dem Körper entfernt werden.
Eines der ausgeschiedenen Abfallprodukte ist Amyloid, eine Substanz, die im Gehirn von Alzheimer-Patienten klebrige Plaques bildet.
Laut Jeffrey Ayliffe, der an der University of Washington neurodegenerative Erkrankungen untersucht, aber nicht an den neuen Studien beteiligt war, mehren sich die Hinweise darauf, dass die Alzheimer-Krankheit das Abfallentsorgungssystem des Gehirns stört.
Die neuen Erkenntnisse sollten den Forschern helfen, das Problem genau zu verstehen und es vielleicht zu lösen, sagt Ayliffe.
„Wenn wir die Entwässerung wiederherstellen, können wir dann die Entwicklung der Alzheimer-Krankheit verhindern?“ er fragt.
Die neue Forschung kommt mehr als ein Jahrzehnt, nachdem Iliffe und die dänische Wissenschaftlerin Dr. Maiken Nedergaard erstmals vorgeschlagen hatten, dass klare Flüssigkeiten im und um das Gehirn Teil eines Abfallspülsystems sind.
Wissenschaftler nannten es das glymphatische System, eine Anspielung auf das Lymphsystem des Körpers, das dabei hilft, Infektionen zu bekämpfen, den Flüssigkeitsspiegel aufrechtzuerhalten und Abfallstoffe und abnormale Zellen herauszufiltern.
Jonathan Kipnis von der Washington University in St. Louis, Autor der beiden neuen Arbeiten, argumentiert, dass beide Systeme wie die Sanitäranlagen in einem Haus funktionieren.
„Es gibt Wasserrohre und Abwasserrohre“, sagt Kipnis. „Das saubere Wasser kommt also rein, und dann wäscht man sich die Hände und das schmutzige Wasser geht raus.“
Aber das Lymphsystem nutzt ein Netzwerk dünner Schläuche, die Abfallstoffe in den Blutkreislauf transportieren. Im Gehirn gibt es keine solchen Röhren.
Laut Kipnis haben Wissenschaftler daher jahrzehntelang versucht, die grundlegende Frage zu beantworten: „Wie gelangt ein Abfallmolekül aus der Mitte des Gehirns an die Ränder des Gehirns“ und wird schließlich aus dem Körper ausgeschieden?
Ein Teil der Antwort kam 2012 und 2013, als Iliffe und Nedergaard begannen, das glymphatische System vorzuschlagen. Sie zeigten, dass bei schlafenden Tieren die Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit schnell durch das Gehirn zu fließen beginnt und Abfallstoffe ausspült.
Aber was drückte die Flüssigkeit? Und wie transportierte es Abfallstoffe über die Barriere, die normalerweise Gehirngewebe vom Blutkreislauf trennt?
Kipnis und sein Team begannen zu untersuchen, wie das Gehirn im Schlaf funktioniert. Im Rahmen dieser Bemühungen haben sie die Leistung der langsamen elektrischen Welle gemessen, die im Tiefschlaf bei Tieren auftritt.
Und ihnen wurde etwas klar: „Indem wir die Welle messen, messen wir auch den Fluss der interstitiellen Flüssigkeit“, der Flüssigkeit, die in den Räumen um Zellen herum vorkommt, sagt Kipnis.
Es stellt sich heraus, dass die Wellen als Signal wirken, die Aktivität von Neuronen synchronisieren und sie in winzige Pumpen verwandeln, die Flüssigkeit an die Oberfläche des Gehirns drücken, berichtete das Team im Februar in der Zeitschrift Nature.
In einem zweiten Artikel, der in derselben Ausgabe von Nature veröffentlicht wurde, lieferte ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology weitere Beweise dafür, dass langsame elektrische Wellen dabei helfen, Abfallstoffe aus dem Gehirn zu entfernen.
Das Team verwendete Mäuse, die eine Form der Alzheimer-Krankheit entwickeln. Sie setzten diese Mäuse 40 Mal pro Sekunde Schall- und Lichtstößen aus.
Die Stimulation erzeugte bei den Tieren Gehirnwellen, die mit einer gleichmäßigen, langsamen Frequenz auftraten.
Tests zeigten, dass die Wellen den Fluss sauberer Liquor cerebrospinalis in das Gehirn und den Fluss schmutziger Flüssigkeit aus dem Gehirn erhöhten. Sie zeigten auch, dass die Flüssigkeit Amyloid enthielt, eine Substanz, die sich im Gehirn von Alzheimer-Patienten ansammelt.
In einem einige Wochen zuvor veröffentlichten Artikel zeigte Kipnis, wie Abfallprodukte, darunter Amyloid, offenbar die Schutzmembran durchdringen, die normalerweise das Gehirn isoliert.
Kipnis und sein Team konzentrierten sich auf die Vene, die durch diese Membran verläuft.
„Um die Vene herum befindet sich eine Hülle, die nie vollständig verschlossen ist“, sagt er. „Dort tritt die Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit aus“ und transportiert Abfallstoffe in das Lymphsystem des Körpers.
Zusammengenommen deuten neue Forschungsergebnisse darauf hin, dass die Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit des Abfallbeseitigungssystems des Gehirns zwei separate Schritte erfordert: Zum einen die Entfernung der Abfallstoffe in die Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit, die das Gehirn umgibt, und zum anderen deren Bewegung in das Lymphsystem und schließlich deren Beseitigung vom Körper.
„Wir haben sie getrennt beschrieben“, sagt Ayliffe, „aber aus biologischer Sicht sind sie mit ziemlicher Sicherheit verwandt.“ Ayliffe sagt, dass viele der neuen Erkenntnisse bei Mäusen noch beim Menschen bestätigt werden müssen. „Die anatomischen Unterschiede zwischen Nagetieren und Menschen“, sagt er, „sind ziemlich bedeutsam.“
Allerdings seien die Ergebnisse im Einklang mit der Erforschung der Ursachen neurodegenerativer Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit, sagt er.
Forscher wissen, dass das System des Gehirns zur Abfallbeseitigung mit zunehmendem Alter, Verletzungen und Krankheiten, die die Blutgefäße im Gehirn verstopfen, gestört sein kann.
„Das sind alles Risikofaktoren für die Alzheimer-Krankheit“, sagt Iliff.
Eine beeinträchtigte Abfallentsorgung könnte auch ein Faktor für die Parkinson-Krankheit, Kopfschmerzen und sogar Depressionen sein, sagt Ayliffe. Die Suche nach Möglichkeiten, dem Gehirn dabei zu helfen, sich zu reinigen – vielleicht durch die Induktion dieser langsamen elektrischen Wellen – könnte einer Vielzahl von Störungen vorbeugen.