Die Müllabfuhr im Kopf

„Wie in einer Waschanlage wird das Gehirn ständig über das glymphatische System gereinigt“, so beschreibt es Gabor Petzold, Neurologe am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE). Und obwohl nur rund 150 Milliliter Nervenwasser das Gehirn umspülen, also weniger als ein Glas Wein, funktioniert die Entgiftung offenbar.

Reinigung über Nacht

Kurz nach Nedergaards Entdeckung der Müllabfuhr in der Maus fiel ihr eine Eigenart des Systems auf. Das brachte ihr 2013 eine Publikation im renommierten Fachjournal Science ein. Sie beobachtete abermals an Mäusen, dass die Entsorgung über das glymphatische System vor allem im Schlaf an Fahrt aufnahm. Nedergaard konnte beobachten, wie die Hirnzellen während des Schlafs schrumpften. Der Zwischenraum zwischen den Zellen nahm immer mehr Platz ein und dehnte sich gar um 60 Prozent aus. Wenn sie auf Höhe der Halswirbelsäule einen Farbstoff injizierte, erreichte er nachts rascher das Gehirn. Nedergaard schloss daraus: Der Strom des Nervenwassers schwillt an. Er stieg in Nedergaards Mausexperimenten um 95 Prozent. Tiefere Hirnregionen würden so überhaupt nur im Schlaf gereinigt, ist die Neurowissenschaftlerin überzeugt.

Dann injizierte die Forschungsgruppe das Protein Beta-Amyloid, das charakteristische Molekül für Alzheimer-Ablagerungen im Gehirn. Sobald die Nagetiere schliefen, konnte das Beta-Amyloid doppelt so effektiv wie im Wachzustand über das Kanalnetz ausgeschwemmt werden. Bis dahin hatte man stets geglaubt, Beta-Amyloid würde im Gehirn selbst entsorgt. Mit Nedergaards Experimenten stellte sich das als falsch heraus. Es wird offenbar via Müllabfuhr aus der Denkzentrale hinausbefördert.

Ihre eigenen Beobachtungen veranlassten die aus Dänemark stammende Neurowissenschaftlerin zu einer neuen These: Wir schlafen überhaupt nur, damit das Gehirn gereinigt werden kann, sagt sie. Bis heute diskutieren Forschende, warum Menschen und viele Tiere die Augen schließen. „Es ist ja eigentlich gefährlich, das Bewusstsein auszuschalten. Wir sind dann leichte, wehrlose Beute“, sagt Alexander Drzezga, Neurowissenschaftler an der Universitätsklinik Köln. Er hält die Theorie der nächtlichen Gehirnwäsche für plausibel. Darüber hinaus scheint die Nachtruhe notwendig, damit die Nervenzellen Botenstoffe neu bilden können.

Das letzte Wort ist aber noch nicht gesprochen. Widerspruch zur nächtlichen Hirnreinigung kommt von einzelnen Forschern. Nicholas Frank, ein Anästhesieforscher am Imperial College in London, warnte beispielsweise, dass Nedergaard in ihren Experimenten nur messe, wie sich der Farbstoff im Gehirn verteilt, und wenn er schneller dort ankommt und schließlich rascher verschwindet, davon ausgehe, dass der Ausstrom aus dem Gehirn auch höher sein muss. Der Ausstrom selbst lässt sich bisher nicht messen. Frank selbst injizierte den Farbstoff in eigenen Experimenten deshalb direkt in den Schädel von Mäusen und platzierte an anderer Stelle unter der Schädeldecke einen Farbsensor. Er detektierte zur allseitigen Überraschung am Tag weniger Farbstoff im Gehirn als in der Nacht. „Die Reinigung des Gehirns ist am Tag besser als in der Nacht“, schrieb er im Mai 2024 in Nature Neuroscience und behauptet damit das glatte Gegenteil von Nedergaard. Die Fachwelt reagierte verhalten. Viele Funde stützen immerhin Nedergaards Deutung. Aber Franks Messergebnisse erklären sie nicht. Nedergaard selbst glaubt, dass das glymphatische System bei Franks rustikalem Eingriff durch die Schädeldecke beschädigt wurde, da es sehr empfindlich sei. Deshalb dürften aus seinen Experimenten überhaupt keine Schlüsse gezogen werden.

Studien am Menschen

Wie auch immer dieser Streit ausgeht: Viele Experimente zum glymphatischen System fanden bisher an Mäusen statt. Und eine Maus ist bekanntlich kein Mensch. Und so sind Forschende seit Nedergaards Entdeckungen damit beschäftigt, das Entsorgungssystem im menschlichen Gehirn zu ergründen. Das Hauptproblem: Das System lässt sich nicht so leicht sichtbar machen. „Wir können es nur indirekt beobachten“, sagt Drzezga. „Als Goldstandard der Bildgebung gilt momentan eine Methode, die ziemlich invasiv ist und sich deshalb nicht im großen Stil eignet.“

Das Verfahren praktiziert die Arbeitsgruppe um den Radiologen Geir Ringstad am Universitätskrankenhaus in Oslo. Sie injiziert gesunden Freiwilligen das gadoliniumhaltige Kontrastmittel Gadubutrol in das Nervenwasser. Wem schon einmal Nervenwasser entnommen wurde, der weiß, wie unangenehm es ist, wenn eine Kanüle auf Höhe der Lendenwirbelsäule in den Spinalkanal geführt wird. Doch bei Ringstad melden sich ausreichend viele Mutige.

Für Aufsehen sorgten beispielsweise seine Schlafexperimente. Ringstad ließ sieben Personen eine ganze Nacht lang wach bleiben. Siebzehn Kontrollpersonen durften dagegen ihre Bettruhe wie gewohnt genießen. Beiden Gruppen injizierte er vorher das Kontrastmittel in das Nervenwasser und verfolgte am Tag nach der Nacht mit oder ohne Schlaf, wie sich die Substanz im Gehirn verteilt hatte. Die Ergebnisse sprechen für sich: Das Kontrastmittel hing bei den Personen mit Schlafentzug im Hirn fest, wohingegen es aus dem Kopf der übrigen Probanden rascher ausgewaschen werden konnte. Besonders im cerebralen Cortex, der Region für Denken, Planen und Handeln, aber auch im Gefühlszentrum, dem Limbischen System, und der weißen Masse zeigte sich die unterschiedliche Vermüllung des Gehirns in beiden Gruppen. Und obwohl alle Probanden anschließend eine Nacht mit normalem Schlaf bekamen, konnte das Entsorgungssystem bei den Testpersonen mit der durchwachten Nacht den Rückstand nicht mehr aufholen. „Schlafmangel oder ein gestörter Schlaf beeinträchtigt die Müllabfuhr im Kopf schon kurzfristig und erheblich“, fasst Thijs van Harten, Neurologe von der Universitätsklinik Leiden, zusammen. In einem EU-Konsortium, das mit 1,27 Millionen Euro ausgestattet ist, erforscht er derzeit zusammen mit den Kolleginnen und Kollegen aus Oslo das glymphatische System.

Die norwegischen Forschenden konnten 78 Probandinnen und Probanden gewinnen, von denen ein Teil einen guten Schlaf hat und die übrigen mit Schlafproblemen zu kämpfen haben. Wieder kristallisierte sich dasselbe Muster heraus: Die Ausgeschlafenen konnten das Kontrastmittel viel effektiver aus ihrem Gehirn ausleiten. Jene, die nachts kaum ein Auge zubekamen, reicherten das Kontrastmittel dagegen im Hirngewebe an.

Die Erkenntnisse weisen weit über die Hirnforschung hinaus: Ernährung und Sport sind die Lieblingskinder aller Ratgeber für einen gesunden Lebensstil. Der Schlaf aber ist selten ein Thema – völlig zu Unrecht, wie die Experimente zum glymphatischen System unterstreichen. Das erhärten auch immer mehr Beobachtungsstudien am Menschen.

Risiko für Demenz und Parkinson

Lange bevor neurodegenerative Erkrankungen einsetzen, schlafen viele Betroffene schlecht. Gleich 18 solcher Längsschnittstudien wertete eine Metaanalyse von 2018 aus. Knapp eine Viertel Million Gesunde und 26.000 Demenzerkrankte wurden einbezogen. Studienteilnehmer mit Schlafproblemen hatten in den folgenden 9,5 Jahren ein erhöhtes Risiko für eine Demenz. Nicht einschlafen zu können und nachts herumzugeistern, sind damit nicht nur die Folge einer Demenz oder Parkinson-Erkrankung, wie viele bisher dachten. Vielmehr tritt die gestörte Nachtruhe lange vorher auf. Weniger als sieben Stunden Schlaf, aber auch mehr als neun Stunden schaden den Daten zufolge dem Gehirn. Weshalb es nur so ein schmales Fenster für gesunden Schlaf gibt, ist Gegenstand weiterer Forschung.

Es kommt offenbar vor allem auf die Phasen des Tiefschlafs mit sehr langsamer Atem- und Pulsrate an. Mit jedem Prozent weniger an diesen Phasen klettert die Wahrscheinlichkeit, später eine Demenz zu entwickeln, um 27 Prozent, rechneten US-amerikanische Forschende kürzlich aus. Sie hatten die Daten von 346 Teilnehmenden der Framingham-Heart-Studie ausgewertet, deren Schlaf in der Vergangenheit über längere Zeit überwacht worden war. Im Schnitt waren diese Personen 69 Jahre alt.

„Wenn die Müllabfuhr im Gehirn nicht richtig arbeitet, können auf lange Sicht neurodegenerative Erkrankungen auftreten“, sagt van Harten. Denn sobald die Entsorgung erlahmt, sammeln sich Proteinabfälle zwischen den Gehirnzellen. Dieser Müll könnte das Feuern der Neuronen und den Austausch von Signalstoffen hemmen. Bei Demenzen wie auch Parkinson ist die Ansammlung mutmaßlich schädlicher Proteine im Hirngewebe sicher nachgewiesen. Aber auch Multiple Sklerose und Migräne könnten mit einer veränderten Drainage zu tun haben. „Es sind aufregende Zeiten. Es macht Spaß, auf diesem Gebiet zu forschen, gerade weil wir vieles noch nicht exakt verstehen“, so van Harten.

Er ist dankbar, dass er in der Nähe einer Gemeinde arbeitet, in der aufgrund einer genetischen Häufung eine an sich seltene Krankheit sehr oft vorkommt: die zerebrale Amyloidangiopathie, kurz CAA. Bei der genetisch bedingten CAA lagern sich Amyloide schon ab der Kindheit in und an den Blutgefäßen im Kopf ab. Im Alter von 40 bis 50 Jahren entwickeln die Betroffenen eine Demenz. Van Harten sagt: „Das ist eine sehr traurige Krankheit, aber eine goldene Gelegenheit für uns, um das glymphatische System beim Menschen besser zu verstehen.“

Anders als seine norwegischen Kollegen nutzt er eine andere und weniger invasive Methode, um das glymphatische System zu beobachten. Er misst den Fluss des Nervenwassers mit einem speziellen, hochauflösenden Magnetresonanztomografen. Diese Methode haben der Neuroradiologe Alexander Radbruch am Universitätsklinikum Bonn und Katerina Deike am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) in den letzten Jahren entwickelt. Um die Wasserbewegung in den haarfeinen Kanälen sichtbar zu machen, muss das Gerät sehr hohe Feldstärken von sieben Tesla erzeugen.

Bekannt ist bereits, dass die Plaques bei Personen mit erblicher CAA im Gehirn dann auftreten, wenn der Gehalt an Beta-Amyloid im Nervenwasser sinkt. Beides geht Hand in Hand. Offenbar werden die schädlichen Proteine dann nicht mehr effektiv genug aus dem Gehirn gespült. Möglicherweise beginnt die Erkrankung sogar mit einer gestörten Entgiftung des Gehirns.

An Mäusen mit CAA haben Forschende um van Harten beobachtet, dass das glymphatische System in seiner Leistung um 30 bis 40 Prozent einbricht, sobald es zur Demenz kommt. Die Wasserkanäle dehnen sich dann aus. „Wir erklären uns das so, dass der Abfluss aus dem Kanalsystem nicht mehr richtig funktioniert und die Flüssigkeit sich dadurch dort ansammelt und staut“, berichtet Neurologe Petzold.

„Man darf sich den Fluss im glymphatischen System aber nicht wie einen fließenden Strom vorstellen“, ergänzt er. „Es ist eher so, als würde man etwas neue Flüssigkeit in einem Schwamm hineingegeben und dafür kommt an anderer Stelle ein wenig hinaus. Das passiert mit dem Takt des Herzschlags und des Atems.“ Deutlich weniger als einen Millimeter pro Sekunde bewegt sich das Nervenwasser. Es ist fast ein stehendes Gewässer. Dementsprechend dauert es im Schnitt rund 48 Stunden, bis Substanzen aus dem Hirngewebe ausgewaschen sind.

Die Drainage erfolgt so auf ausgesprochen sanfte Weise. Das hat den Vorteil, dass sich die Konzentration an Botenstoffen und anderen Substanzen im Gehirn nie abrupt oder stark ändert. Darauf würde das Organ nämlich empfindlich reagieren. Unser Denken und Fühlen würde dann womöglich vom Großreinemachen gestört.