Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology haben nachgewiesen, dass gezielte akustische Impulse in Form von rosa Rauschen während des Schlafs die Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit verstärkt fließen lassen. Die in Science Translational Medicine veröffentlichte Methode zielt darauf ab, die nächtliche Reinigung des Gehirns von Stoffwechselabfällen wie Amyloid und Tau zu unterstützen.
Rosa Rauschen im Tiefschlaf regt Gehirnreinigung an
Im menschlichen Gehirn sammeln sich tagsüber Abbauprodukte wie Milchsäure und verbrauchte Proteine an. Während der nächtlichen Ruhephasen übernimmt ein spezielles System die Aufgabe, diese Rückstände abzutransportieren, um das Gewebe gesund zu halten. Forscher um Laura Lewis am Massachusetts Institute of Technology fanden nun heraus, dass sich diese natürlichen Reinigungsströme durch präzise getaktete Tonimpulse gezielt intensivieren lassen.
Die schützende Funktion der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit
Cerebrospinal fluid is a clear liquid that surrounds and cushions the brain and spinal cord. In addition to protecting the brain from injury, it also helps provide nutrients such as glucose and removes waste products secreted by brain cells as they burn energy.
Gezielte akustische Reize auf das schlafende Gehirn
Im Zentrum des Ansatzes stehen kurze Einheiten von sogenanntem rosa Rauschen. Anders als weißes Rauschen deckt rosa Rauschen zwar ebenfalls alle für Menschen hörbaren Frequenzen ab, gewichtet tiefere Tonhöhen jedoch stärker und lässt hohe Frequenzen leiser klingen. Das Resultat ähnelt einem gleichmäßigen Regenguss oder dem fernen Rauschen eines Wasserfalls. In einer Untersuchung an 14 gesunden Versuchspersonen nutzte das Forschungsteam 50 Millisekunden lange Signale, die exakt auf die Höhepunkte langsamer elektrischer Gehirnwellen im Tiefschlaf abgestimmt waren.
Die akustischen Signale erwiesen sich als so dezent, dass sie die Probanden nicht aus dem Schlaf rissen. Dennoch bewirkten sie eine messbare Veränderung der physiologischen Abläufe im Kopf. Die Reize vergrößern die Amplitude der langsamen elektrischen Wellen im schlafenden Gehirn. Diese elektrischen Schwingungen regen wiederum die Blutgefäße im Gehirn dazu an, sich rhythmisch zu verengen und zu weiten, wodurch sie als eine Art Pumpe für die umspülende Flüssigkeit dienen.
We found that we were able to increase the size of the CSF flow wave during sleep, which as far as we know, there hasn’t been a method to do before.
Laura Lewis, Athinoula A. Martinos Associate Professor of Electrical Engineering and Computer Science at MIT
Echtzeit-Messung im MRT trotz starker magnetischer Störfelder
Die Umsetzung des Experiments erforderte einen erheblichen technischen Aufwand. Um die Strömung der Zerebrospinalflüssigkeit gleichzeitig mit der Gehirnaktivität zu beobachten, arbeiteten die Wissenschaftler mit funktioneller Magnetresonanztomographie. Die starken Magnetfelder eines MRT-Scanners stören jedoch die Elektroenzephalografie, die zur Überwachung der Hirnströme während des Schlafs dient.
Um diese Hürde zu umschiffen, konstruierte das Team ein Verfahren, das die EEG-Signale in weniger als 100 Millisekunden von den gerätebedingten Störungen befreit. Da selbst diese kurze Verarbeitungszeit eine minimale Verzögerung bedeutet, entwickelten die Beteiligten zusätzlich einen Algorithmus. Dieser rechnet voraus, wann der nächste Wellenberg der langsamen Gehirnwellen erreicht sein wird, damit der Tonimpuls ohne Zeitverzug exakt im optimalen Moment einsetzen kann.
Neue Perspektiven für die Alzheimer-Forschung
Die Erkenntnisse eröffnen neue Wege für die Erforschung neurodegenerativer Erkrankungen. Bei Krankheiten wie Alzheimer spielen schädliche Proteine wie Amyloid-beta und Tau eine zentrale Rolle, die sich im Laufe der Zeit im Gewebe ablagern. Eine effektivere Zirkulation der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit könnte dazu beitragen, diese Moleküle gründlicher abzutransportieren.
Dennoch betonen die Verantwortlichen, dass es sich derzeit um Grundlagenforschung an gesunden Erwachsenen handelt. Ob sich die Technik auf Patienten mit Schlafstörungen oder Demenzerscheinungen übertragen lässt und welche therapeutischen Effekte sich daraus ergeben, sollen anschließende Untersuchungen an klinischen Patientengruppen zeigen.
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