Søvn renser hjernen for giftstoffer og metabolitter

En fersk studie publisert i tidsskriftet Nature Neuroscience fant at hjernens klarhet reduseres under anestesi og søvn.

Søvn er en tilstand av sårbar inaktivitet. Gitt risikoen ved denne sårbarheten, har det blitt foreslått at søvn kan gi noen fordeler. Det har blitt foreslått at søvn fjerner giftstoffer og metabolitter fra hjernen via det glymfatiske systemet. Denne antydningen har viktige implikasjoner; for eksempel kan redusert eliminering av giftstoffer på grunn av kronisk dårlig søvn forverre Alzheimers sykdom.

Mekanismene og anatomiske veiene som toksiner og metabolitter fjernes fra hjernen gjennom er fortsatt uklare. I følge den glymfatiske hypotesen fjerner basalvæskestrømmen, drevet av hydrostatiske trykkgradienter fra arterielle pulseringer, aktivt salter fra hjernen under langsom bølgesøvn. I tillegg øker beroligende doser av anestetika clearance. Hvorvidt søvn øker clearance gjennom økt basalstrøm er fortsatt ukjent.

I denne studien målte forskerne væskebevegelse og hjerneklaring hos mus. Først bestemte de diffusjonskoeffisienten til fluoresceinisotiocyanat (FITC)-dekstran, et fluorescerende fargestoff. FITC-dekstran ble injisert i nucleus caudatus, og fluorescens ble målt i frontal cortex.

Innledende eksperimenter involverte venting til stabil tilstand, bleking av fargestoffet i et lite vevsvolum og bestemmelse av diffusjonskoeffisienten ved å måle bevegelseshastigheten til ubleket fargestoff inn i det blekede området. Teknikken ble validert ved å måle diffusjonen av FITC-dekstran i hjernesimulerende agarosegeler som ble modifisert for å tilnærme den optiske absorpsjonen og lysspredningen i hjernen.

Resultatene viste at diffusjonskoeffisienten til FITC-dekstran ikke var forskjellig mellom bedøvet tilstand og søvntilstand. Teamet målte deretter hjerneclearance i forskjellige våkenhetstilstander. De brukte et lite volum av det fluorescerende fargestoffet AF488 hos mus som ble injisert med saltvann eller bedøvelse. Dette fargestoffet beveget seg fritt i parenkymet og kunne bidra til å kvantifisere hjerneclearance nøyaktig. Det ble også gjort sammenligninger mellom våken tilstand og søvntilstand.

Ved maksimale konsentrasjoner var clearance 70–80 % hos mus behandlet med saltvann, noe som indikerer at normale clearance-mekanismer ikke var svekket. Clearance ble imidlertid betydelig redusert når anestetika (pentobarbital, deksmedetomidin og ketamin-xylazin) ble brukt. I tillegg var clearance også redusert hos sovende mus sammenlignet med våkne mus. Diffusjonskoeffisienten var imidlertid ikke signifikant forskjellig mellom bedøvet og sovende tilstand.

A. Tre eller fem timer etter injeksjon av AF488 i CPu ble hjernene frosset ned og kuttet i 60 μm tykke kryosnitt. Gjennomsnittlig fluorescensintensitet for hver seksjon ble målt ved hjelp av fluorescensmikroskopi; gjennomsnittsintensitetene for grupper på fire seksjoner ble deretter beregnet som gjennomsnitt.

B. Gjennomsnittlig fluorescensintensitet ble konvertert til konsentrasjon ved hjelp av kalibreringsdataene presentert i tilleggsfigur 1 og plottet mot anteroposterior avstand fra injeksjonspunktet for våken (svart), sovende (blå) og KET-XYL-anestesi (rød) tilstander. Øverst er data etter 3 timer. Nederst er data etter 5 timer. Linjene representerer Gauss-tilpasninger til dataene, og feilfelt viser 95 % konfidensintervaller. Ved både 3 og 5 timer var KET-XYL-konsentrasjonene under anestesi (P < 10⁻⁶ etter 3 timer; P < 10⁻⁶ etter 5 timer) og søvn (P = 0,0016 etter 3 timer; P < 10⁻⁴ etter 5 timer) signifikant høyere enn de under våkenhet (toveis ANOVA med Bonferroni-Holm multippel sammenligningskorreksjon).

C. Representative bilder av hjernesnitt i forskjellige avstander (anteroposterior) fra injeksjonsstedet for AF488 etter 3 timer (tre øverste rader) og etter 5 timer (tre nederste rader). Hver rad representerer data for tre våkne tilstander (våken, søvn og KET-XYL-anestesi).

Studien fant at hjerneclearance var redusert under anestesi og søvn, noe som motsier tidligere rapporter. Clearance kan variere på tvers av anatomiske steder, men variasjonsgraden kan være liten. Imidlertid var hemmingen av clearance av ketamin-xylazin signifikant og uavhengig av sted.

Nicholas P. Franks, en av forfatterne av studien, sa: «Forskningsfeltet har vært så fokusert på ideen om renhold som en av hovedgrunnene til at vi sover at vi ble svært overrasket over de motsatte resultatene.»

Det er spesielt viktig å merke seg at resultatene gjelder et lite volum fargestoff som beveger seg fritt i det ekstracellulære rommet. Større molekyler kan oppføre seg annerledes. I tillegg er de nøyaktige mekanismene som søvn og anestesi påvirker hjernens klarering fortsatt uklare. Disse funnene utfordrer imidlertid forestillingen om at søvnens primære funksjon er å rense hjernen for giftstoffer.