Ο ύπνος καθαρίζει τον εγκέφαλο από τις τοξίνες και τους μεταβολίτες

Μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Neuroscience διαπίστωσε ότι η εκκαθάριση του εγκεφάλου μειώνεται κατά τη διάρκεια της αναισθησίας και του ύπνου.

Ο ύπνος είναι μια κατάσταση ευάλωτης αδράνειας. Δεδομένων των κινδύνων αυτής της ευαλωτότητας, έχει προταθεί ότι ο ύπνος μπορεί να προσφέρει ορισμένα οφέλη. Έχει προταθεί ότι ο ύπνος απομακρύνει τις τοξίνες και τους μεταβολίτες από τον εγκέφαλο μέσω του γλεμφικού συστήματος. Αυτή η πρόταση έχει σημαντικές επιπτώσεις. Για παράδειγμα, η μειωμένη απομάκρυνση τοξινών λόγω χρόνιας κακής ποιότητας ύπνου μπορεί να επιδεινώσει τη νόσο Αλτσχάιμερ.

Οι μηχανισμοί και οι ανατομικές οδοί μέσω των οποίων οι τοξίνες και οι μεταβολίτες απομακρύνονται από τον εγκέφαλο παραμένουν ασαφείς. Σύμφωνα με την γλυμφατική υπόθεση, η βασική ροή υγρών, που καθοδηγείται από τις διαβαθμίσεις υδροστατικής πίεσης από τους αρτηριακούς παλμούς, απομακρύνει ενεργά τα άλατα από τον εγκέφαλο κατά τη διάρκεια του ύπνου αργού κύματος. Επιπλέον, οι ηρεμιστικές δόσεις αναισθητικών ενισχύουν την κάθαρση. Το εάν ο ύπνος ενισχύει την κάθαρση μέσω της αυξημένης βασικής ροής παραμένει άγνωστο.

Σε αυτήν τη μελέτη, οι ερευνητές μέτρησαν την κίνηση υγρών και την κάθαρση του εγκεφάλου σε ποντίκια. Αρχικά, προσδιόρισαν τον συντελεστή διάχυσης της ισοθειοκυανικής φλουορεσκεΐνης (FITC)-δεξτράνης, μιας φθορίζουσας χρωστικής. Η FITC-δεξτράνη εγχύθηκε στον κερκοφόρο πυρήνα και ο φθορισμός μετρήθηκε στον μετωπιαίο φλοιό.

Τα αρχικά πειράματα περιελάμβαναν την αναμονή για σταθερή κατάσταση, τη λεύκανση της χρωστικής σε μικρό όγκο ιστού και τον προσδιορισμό του συντελεστή διάχυσης μετρώντας τον ρυθμό κίνησης της μη λευκασμένης χρωστικής στην λευκασμένη περιοχή. Η τεχνική επικυρώθηκε μετρώντας τη διάχυση της FITC-δεξτράνης σε πηκτές αγαρόζης που προσομοιώνουν τον εγκέφαλο, οι οποίες τροποποιήθηκαν για να προσεγγίζουν την οπτική απορρόφηση και τη σκέδαση φωτός του εγκεφάλου.

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο συντελεστής διάχυσης της FITC-δεξτράνης δεν διέφερε μεταξύ των καταστάσεων αναισθητοποίησης και ύπνου. Στη συνέχεια, η ομάδα μέτρησε την κάθαρση του εγκεφάλου σε διαφορετικές καταστάσεις αφύπνισης. Χρησιμοποίησαν μια μικρή ποσότητα της φθορίζουσας χρωστικής AF488 σε ποντίκια στα οποία εγχύθηκε φυσιολογικός ορός ή αναισθητικό. Αυτή η χρωστική κινούνταν ελεύθερα στο παρέγχυμα και θα μπορούσε να βοηθήσει στην ακριβή ποσοτικοποίηση της κάθαρσης του εγκεφάλου. Έγιναν επίσης συγκρίσεις μεταξύ των καταστάσεων αφύπνισης και ύπνου.

Σε μέγιστες συγκεντρώσεις, η κάθαρση ήταν 70-80% σε ποντίκια που έλαβαν φυσιολογικό ορό, υποδεικνύοντας ότι οι φυσιολογικοί μηχανισμοί κάθαρσης δεν επηρεάστηκαν. Ωστόσο, η κάθαρση μειώθηκε σημαντικά όταν χρησιμοποιήθηκαν αναισθητικά (πεντοβαρβιτάλη, δεξμεδετομιδίνη και κεταμίνη-ξυλαζίνη). Επιπλέον, η κάθαρση μειώθηκε επίσης σε ποντίκια που κοιμόντουσαν σε σύγκριση με τα ποντίκια που ήταν ξύπνια. Ωστόσο, ο συντελεστής διάχυσης δεν διέφερε σημαντικά μεταξύ της αναισθητοποιημένης και της κοιμισμένης κατάστασης.

Α. Τρεις ή πέντε ώρες μετά την έγχυση AF488 σε CPu, οι εγκέφαλοι καταψύχθηκαν και κόπηκαν σε κρυοτομές πάχους 60 μm. Η μέση ένταση φθορισμού κάθε τομής μετρήθηκε με μικροσκοπία φθορισμού. Στη συνέχεια, υπολογίστηκε ο μέσος όρος των μέσων εντάσεων ομάδων τεσσάρων τομών.

Β. Η μέση ένταση φθορισμού μετατράπηκε σε συγκέντρωση χρησιμοποιώντας τα δεδομένα βαθμονόμησης που παρουσιάζονται στο Συμπληρωματικό Σχήμα 1 και απεικονίστηκε γραφικά έναντι της πρόσο-οπίσθιας απόστασης από το σημείο ένεσης για καταστάσεις εγρήγορσης (μαύρο), ύπνου (μπλε) και αναισθησίας KET-XYL (κόκκινο). Στην κορυφή είναι τα δεδομένα στις 3 ώρες. Στο κάτω μέρος είναι τα δεδομένα στις 5 ώρες. Οι γραμμές αντιπροσωπεύουν Γκαουσιανές προσαρμογές στα δεδομένα και οι γραμμές σφάλματος δείχνουν διαστήματα εμπιστοσύνης 95%. Τόσο στις 3 όσο και στις 5 ώρες, οι συγκεντρώσεις KET-XYL κατά τη διάρκεια της αναισθησίας (P < 10⁻6 στις 3 ώρες· P < 10⁻6 στις 5 ώρες) και στον ύπνο (P = 0,0016 στις 3 ώρες· P < 10⁻4 στις 5 ώρες) ήταν σημαντικά υψηλότερες από εκείνες κατά την εγρήγορση (αμφίδρομη ANOVA με πολλαπλή διόρθωση σύγκρισης Bonferroni-Holm).

Γ. Αντιπροσωπευτικές εικόνες τομών εγκεφάλου σε διαφορετικές αποστάσεις (πρόσο-οπίσθια) από το σημείο ένεσης AF488 μετά από 3 ώρες (άνω τρεις σειρές) και μετά από 5 ώρες (κάτω τρεις σειρές). Κάθε σειρά αντιπροσωπεύει δεδομένα για τρεις καταστάσεις εγρήγορσης (εγρήγορση, ύπνος και αναισθησία KET-XYL).

Η μελέτη διαπίστωσε ότι η κάθαρση του εγκεφάλου μειώθηκε κατά τη διάρκεια της αναισθησίας και του ύπνου, γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με προηγούμενες αναφορές. Η κάθαρση μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με την ανατομική θέση, αλλά ο βαθμός διακύμανσης μπορεί να είναι μικρός. Ωστόσο, η αναστολή της κάθαρσης από την κεταμίνη-ξυλαζίνη ήταν σημαντική και ανεξάρτητη από τη θέση.

Ο Nicholas P. Franks, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, δήλωσε: «Ο ερευνητικός τομέας έχει επικεντρωθεί τόσο πολύ στην ιδέα του καθαρισμού ως έναν από τους βασικούς λόγους για τους οποίους κοιμόμαστε, που μας εξέπληξαν πολύ τα αντίθετα αποτελέσματα».

Είναι ιδιαίτερα σημαντικό να σημειωθεί ότι τα αποτελέσματα αφορούν έναν μικρό όγκο χρωστικής ουσίας που κινείται ελεύθερα στον εξωκυτταρικό χώρο. Μεγαλύτερα μόρια μπορεί να εμφανίζουν διαφορετική συμπεριφορά. Επιπλέον, οι ακριβείς μηχανισμοί με τους οποίους ο ύπνος και η αναισθησία επηρεάζουν την εκκαθάριση του εγκεφάλου παραμένουν ασαφείς. Ωστόσο, αυτά τα ευρήματα αμφισβητούν την άποψη ότι η κύρια λειτουργία του ύπνου είναι ο καθαρισμός του εγκεφάλου από τις τοξίνες.