Zusammenfassung: Eine neue Studie zielt darauf ab, den Nutzen einer neuen Technologie zu bewerten, die den Abtransport von Stoffwechselabfällen über das glymphatische System während des Schlafs beschleunigen und verbessern könnte.

Quelle: Universität von North Carolina

Das US-Verteidigungsministerium finanziert den ersten Versuch am Menschen mit einem Gerät, das das natürliche Reinigungssystem des Gehirns im Schlaf beschleunigen und verbessern soll.

Die Studie wird mit 90 Personen an drei Versuchsstandorten durchgeführt – der University of North Carolina, der University of Washington School of Medicine und einer Zusammenarbeit zwischen der Oregon Health & Science University und dem Brain Electrophysiology Laboratory (BEL). Die Ergebnisse werden im Herbst 2022 erwartet.

Jüngste Entdeckungen weisen darauf hin, wie wichtig ein guter Schlaf für die Beseitigung von Stoffwechselabfällen im Gehirn durch das neu entdeckte glymphatische System des Gehirns ist.

Wenn der Schlaf gestört ist, sind auch diese entscheidenden Prozesse gestört, was zu kognitiven Beeinträchtigungen führt, wie z. B. fehlerhafte motorische Koordination, Aufmerksamkeitsdefizite, verlangsamte Verarbeitungsgeschwindigkeit, verringerte Entscheidungsfähigkeit und beeinträchtigtes Kurzzeitgedächtnis, sowie zu einem erhöhten Risiko für neurodegenerative Erkrankungen im späteren Leben.

Diese Probleme können für Angehörige des US-Militärs Folgen auf Leben und Tod haben. Deshalb finanziert das Verteidigungsministerium innovative Forschungsinitiativen, darunter auch dieses dreijährige, 4,3 Millionen Dollar teure Projekt, dessen Ziel es ist, Angehörige der Streitkräfte bei der Überwindung von akutem Schlafmangel und chronischer Schlafeinschränkung zu unterstützen.

Die Wissenschaftler, die dieses Projekt leiten, kommen von der UNC-Chapel Hill, der University of Washington School of Medicine, dem Brain Electrophysiology Lab der Oregon Health & Science University und der Montana State University.

„Unser Ansatz besteht darin, neuartige bildgebende Verfahren des menschlichen glymphatischen Systems zu validieren und gleichzeitig neue Technologien zur Verbesserung der glymphatischen Clearance und der kognitiven Funktion zu bewerten“, so Dawn Kernagis, PhD, Assistenzprofessorin für Neurochirurgie an der UNC School of Medicine, die die Studie mit leitet.

„Wenn dies funktioniert, hätte es große Auswirkungen auf die Angehörigen der Streitkräfte und möglicherweise auf alle Menschen mit diagnostizierten Schlafstörungen. Es könnte auch Auswirkungen auf Menschen mit anderen neurologischen Erkrankungen haben, wie traumatische Hirnverletzungen, Alzheimer und andere Demenzerkrankungen.“

Dieses Projekt mit dem Titel „Augmented Neurophysiology of Sleep and Performance Readiness“ (Erweiterte Neurophysiologie des Schlafs und der Leistungsbereitschaft) ist Teil des Medical Technology Enterprise Consortium, einer Zusammenarbeit zwischen Industrie und Hochschulen zur Erleichterung von Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in Zusammenarbeit mit dem U.S. Army Medical Research and Development Command und anderen Einrichtungen des Verteidigungsministeriums im Bereich der biomedizinischen Wissenschaften zum Schutz, zur Behandlung und zur Optimierung der Gesundheit und Leistungsfähigkeit des Militärpersonals.

Diese Bemühungen hatten eine jahrelange Vorgeschichte, die mit der Entdeckung des glymphatischen Systems durch Jeffrey Iliff, PhD, und Maiken Nedergaard, MD, als Hauptforscher begann. Im Jahr 2013 wurde es vom Science Magazine als eine der 10 wichtigsten Entdeckungen des Jahres bezeichnet.

Iliff, Professor für Psychiatrie und Verhaltenswissenschaften sowie Neurologie an der University of Washington School of Medicine, erklärte, die Biologie sei einfach. Die Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit umgibt das Gehirn, und während wir schlafen, spült die Flüssigkeit durch die Gehirnzellen und unterstützt den Abbau von Abfallstoffen. Iliffs TED-Vortrag über diesen Prozess wurde bereits mehr als 5 Millionen Mal angesehen.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese glymphatische Funktion das Herzstück der erholsamen Kraft des Schlafes ist. Wissenschaftler glauben daher, dass eine Unterbrechung des Schlafs das glymphatische System stört, die Kognition beeinträchtigt und möglicherweise die langfristige Gesundheit des Gehirns beeinträchtigt.

„Die Verbesserung der glymphatischen Funktion, ob pharmakologisch oder durch ein Gerät, könnte die kognitiven Auswirkungen von akutem Schlafentzug und chronischer Schlafeinschränkung verbessern“, sagte Iliff. „Die Forschungen unseres Labors in den letzten acht Jahren über die Beseitigung von Gehirnabfällen bei Tieren haben dazu beigetragen, die Biologie des Lymphsystems zu definieren. Jetzt hoffen wir zu sehen, ob wir das, was wir gelernt haben, nutzen können, um Menschen bei der Überwindung von schlechtem oder unterbrochenem Schlaf und den daraus resultierenden Hirnfunktionsstörungen zu helfen.“

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Die vorgeschlagene Technologie zur Verbesserung der glymphatischen Funktion nennt sich Augmented Neural Oscillation Driver oder „AugNOD“, ein einfach zu bedienendes, drahtloses, kombiniertes Elektroenzephalographie (EEG)/transkranielles elektrisches Stimulations-Stirnband, das vor dem Schlaf angelegt werden kann, um den Langsamschlaf und die glymphatische Clearance zu überwachen und zu verbessern. Die Technologie wurde von Don Tucker, PhD, emeritierter Professor an der Universität von Oregon und CEO von BEL, entwickelt, der das Projekt mitentwickelt hat.

Das Forschungsteam hat auch ein Bildgebungs- und Analysesystem entwickelt und validiert, einschließlich der Verwendung von Magnetresonanztomographie zur Messung des glymphatischen Flüssigkeitsaustauschs, wenn Personen eine Infusion mit Kontrastmitteln erhalten. Die neue Studie wird neuartige bildgebende Verfahren validieren, die an der University of Washington School of Medicine entwickelt wurden und keine Kontrastmittel benötigen.

Durch eine vollständige Modellierung, die an der University of Montana durchgeführt wird, wird das Team auch in der Lage sein, den weiträumigen Flüssigkeitstransport und die Diffusion im Gehirn sowie Veränderungen des Drucks in den Blutgefäßen des Gehirns zu erfassen; beides ist eng mit der Funktion der glymphatischen Bahnen verbunden.

„Neben der Evaluierung potenzieller Technologien zur Verbesserung der glymphatischen Funktion könnten die in dieser Studie validierten Bildgebungs- und Modellierungsansätze angesichts der begrenzten Möglichkeiten zur Untersuchung eines potenziell kritischen Systems für die kurz- und langfristige Gesundheit des Gehirns von großer Bedeutung für die Neurowissenschaften und die neurologische Forschung sein“, so Kernagis.
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Autor: Mark Derewicz
Quelle: Universität von North Carolina
Kontakt: Mark Derewicz – Universität von North Carolina

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