Søvn renser hjernen for toksiner og metabolitter

En nylig undersøgelse offentliggjort i Nature Neuroscience viste, at hjerneclearance reduceres under anæstesi og søvn.

Søvn er en tilstand af sårbar inaktivitet. I betragtning af risiciene ved denne sårbarhed foreslås det, at søvn kan give nogle fordele. Det er blevet antaget, at søvn renser hjernen for toksiner og metabolitter gennem det glymphatiske system. Denne antagelse har vigtige implikationer; for eksempel kan reduceret afgiftning på grund af kronisk dårlig søvn forværre Alzheimers.

De mekanismer og anatomiske veje, hvorigennem toksiner og metabolitter fjernes fra hjernen, er stadig uklare. Ifølge den glymphatiske hypotese fjerner den basale væskestrøm, drevet af hydrostatiske trykgradienter fra arterielle pulsationer, aktivt salte fra hjernen under langsom-bølgesøvn. Derudover øger beroligende doser af bedøvelsesmidler clearance. Det er stadig uvist, om søvn øger clearance gennem øget basal flow.

I denne undersøgelse målte forskere væskebevægelser og hjerneclearance hos mus. Først blev diffusionskoefficienten for fluorescein-isothiocyanat (FITC)-dextran, et fluorescerende farvestof, bestemt. FITC-dextran blev injiceret i caudatkernen, og fluorescens blev målt i frontal cortex.

De første eksperimenter involverede at vente på en stabil tilstand, blege farvestoffet i et lille volumen stof og bestemme diffusionskoefficienten ud fra hastigheden af bevægelsen af det ublegede farvestof ind i det blegede område. Teknikken blev valideret ved at måle diffusionen af FITC-dextran i hjerne-efterlignende agarosegeler, der blev modificeret til at tilnærme den optiske absorption og lysspredning af hjernen.

Resultaterne viste, at diffusionskoefficienten for FITC-dextran ikke var forskellig mellem anæstesi- og søvntilstande. Holdet målte derefter hjernerydning i forskellige tilstande af vågenhed. De brugte et lille volumen af det fluorescerende farvestof AF488 i mus, der blev injiceret med saltvand eller et bedøvelsesmiddel. Dette farvestof bevægede sig frit i parenkymet og kunne hjælpe nøjagtigt med at kvantificere hjerneclearance. Der blev også foretaget sammenligninger mellem vågen og sovende tilstand.

Ved maksimale koncentrationer var clearance 70-80 % i saltvandsbehandlede mus, hvilket indikerer, at normale clearance-mekanismer ikke var svækket. Der blev imidlertid observeret signifikante reduktioner i clearance, når anæstesimidler (pentobarbital, dexmedetomidin og ketamin-xylazin) blev brugt. Derudover var clearance også reduceret hos sovende mus sammenlignet med vågne mus. Diffusionskoefficienten var dog ikke signifikant forskellig mellem anæstesi og søvnforhold.

A. 3 eller 5 timer efter injektion af AF488 i CPu blev hjerner frosset og kryosektioneret i 60 μm tykke sektioner. Den gennemsnitlige fluorescensintensitet af hver sektion blev målt ved anvendelse af fluorescensmikroskopi; derefter blev gennemsnittet af intensitetsværdierne for grupperne med fire skiver beregnet.

B. Gennemsnitlig fluorescensintensitet blev konverteret til koncentration under anvendelse af kalibreringsdataene præsenteret i supplerende figur 1 og plottet mod anteroposterior afstand fra injektionspunktet for vågen (sort), søvn (blå) og KET-XYL anæstesi (rød) tilstande. Ovenfor - data efter 3 timer. Nedenfor - data efter 5 timer. Linjer repræsenterer Gaussiske tilpasninger til dataene, og fejlkonvolutter angiver 95 % konfidensintervaller. Både 3- og 5-timers koncentrationer under KET-XYL anæstesi (P

C. Repræsentative billeder af hjernesektioner i forskellige afstande (antero-posterior) fra AF488-injektionsstedet efter 3 timer (øverste tre rækker) og 5 timer (nederste tre rækker). Hver række repræsenterer data for tre vågne tilstande (vågen, søvn og KET-XYL anæstesi).

Undersøgelsen viste, at hjerneclearance blev reduceret under anæstesi og søvn, hvilket modsiger tidligere rapporter. Clearance kan variere mellem forskellige anatomiske steder, men graden af variation kan være lille. Imidlertid var inhiberingen af clearance af ketamin-xylazin signifikant og uafhængig af stedet.

Nicholas P. Franks, en af undersøgelsens forfattere, sagde: "Forskningsfeltet har været så fokuseret på ideen om oprensning som en af de vigtigste grunde til, at vi sover, at vi blev meget overrasket over de modsatte resultater."

Det er især vigtigt at bemærke, at resultaterne vedrører en lille mængde farvestof, der bevæger sig frit i det ekstracellulære rum. Større molekyler kan udvise forskellig adfærd. Derudover forbliver de præcise mekanismer, hvorved søvn og anæstesi påvirker hjerneclearance, uklare; disse resultater udfordrer imidlertid ideen om, at søvnens primære funktion er at rense hjernen for toksiner.