Sömn tvättar hjärnan

Det här är en artikel från 2016.

Inget annat organ i kroppen bränner så mycket energi som hjärnan. Den utgör bara två procent av kroppsvikten – men slukar mer än 20 procent av alla kalorier vi sätter i oss. Det höga tempot i hjärnans biologiska maskineri alstrar samtidigt massor av avfall.

Varje dag måste den mänskliga hjärnan byta ut ungefär sju gram proteiner för att hålla sig i trim. Under ett år motsvarar det kemiska avfallet långt mer än organets hela vikt. I flera decennier har forskare brottats med den till synes enkla frågan: Vart tar allt skräpet vägen?

Huvudregeln i kroppen är att cellerna måste återvinna en del av sitt eget avfall. Organen dumpar dessutom stora mängder uttjänta proteiner i lymfsystemet, ett finmaskigt nät av vätskefyllda rör som likt bäckar och åar flyter samman och mynnar ut i blodomloppet. Till slut tar lever och njurar hand om skräpet. Lymfsystemet är också en viktig del av kroppens försvar mot bakterier och virus.

Men hjärnan är ett undantag. I över hundra år har läroböcker förklarat att den saknar lymfsystem. Det vanliga sopnedkastet är stängt. Dessutom är det centrala nervsystemet inkapslat av blod–hjärnbarriären – ett filter på blodkärlens insida som bara släpper in mycket små molekyler, samt ett fåtal utvalda ämnen som hjärnan behöver. Barriären har inga luckor för uttjänt proteinskrot.

En vanlig slutsats av detta har varit att hjärnan måste ta hand om allt sitt skräp själv. Organet som rymmer livsviktiga reflexer, tankar, känslor och hela det märkliga fenomen vi kallar medvetandet måste till råga på allt vara kroppens mästare i att återvinna sopor. Det är mycket begärt.

I själva verket saknar hjärnan sådana superkrafter. Ny forskning visar att den faktiskt har ett sinnrikt system för att spola bort avfall, en inbyggd tvättmaskin. Upptäckten är viktig eftersom ansamlingar av skadliga proteiner i hjärnan kännetecknar Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom och flera andra neurodegenerativa sjukdomar som främst drabbar äldre.

– Det kanske går att behandla sådana sjukdomar om man kan förstå och styra det här systemet, säger Maiken Nedergaard, professor i neurovetenskap vid Köpenhamns universitet.

Hon upptäckte att systemet existerar för fem år sedan, och har sedan dess beskrivit det i detalj. I bästa fall kan mediciner eller andra behandlingar som stärker hjärnans tvättmaskin hejda sjukdomar som uppstår när härvor av proteinskräp klumpar ihop sig.

Maiken Nedergaard har lång erfarenhet av att utforska glia, en typ av stödjeceller i det centrala nervsystemet. I storhjärnan är gliacellerna tio gånger fler än de elektriskt aktiva nervcellerna – men betydligt mindre utforskade.

En av de vanligaste typerna av gliaceller sänder utskott mot alla blodkärl i hjärnan. Utskotten bildar en mikroskopisk hinna kring artärer, kapillärer och vener. Mellan hinnan och blodkärlen finns en vätskefylld glipa – ett rör utanpå ett rör – som kallas det perivaskulära rummet. Sådana rör finns enbart i centrala nervsystemet, ingen annanstans i kroppen. Sedan upptäckten i mitten av 1800-talet har forskare undrat vad rören är till för.

Tidiga spekulationer gick ut på att de rymmer hjärnans motsvarighet till den övriga kroppens lymfa. Men tunga kritiker avfärdade den tanken. En professor i anatomi vid brittiska Cambridge university slog fast att det perivaskulära rummets uppgift bara var att skydda de känsliga nervcellerna från vibrationer från blodkärl på grund av hjärtats slag. En stötdämpare, helt enkelt.

I början av 1980-talet utforskade Patricia Grady, då doktorand vid University of Maryland i USA, de gåtfulla rören. Hon sprutade in ett färgämne i hjärnan på katter och hundar och såg att färgen spred sig via det perivaskulära rummet och vidare ut i hjärnvävnaden. I en vetenskaplig rapport publicerad år 1985 upprättade hon tanken på att hjärnan har ett särskilt slags lymfsystem. Hon skrev att hjärtslagens vibrationer förmodligen hjälper till att pumpa vätska genom systemet.

Rapporten väckte stor uppmärksamhet. Flera andra forskargrupper försökte upprepa hennes försök. Tyvärr var det ingen som lyckades. Slutsatsen blev att hon nog hade gjort ett misstag, kanske hade hon sprutat in för mycket färgämne i huvudet på sina försöksdjur.

Det blev ett hårt bakslag för Patricia Grady. Hon var ung, kvinna och utbildad sjuksköterska i en värld dominerad av manliga molekylärbiologer och läkare. Anslagen till hennes forskning tog slut. Till slut gav hon upp sin forskarkarriär och tog ett jobb som administratör på ett statligt institut för vårdvetenskap.

Ett drygt kvartssekel senare började Maiken Nedergaard utforska det perivaskulära rummet. Hon tog fasta på att gliacellernas utskott kring blodkärlen innehåller massor av porer – så kallade akvaporiner – som släpper igenom vatten. Celler i njurarna använder samma slags porer för att reglera kroppens vätskebalans. Rimligen borde även gliacellerna använda sina porer för att sköta någon viktig uppgift, tänkte hon.

Genom en ny typ av mikroskop kunde hon filma hur ett färgämne spred sig via det perivaskulära rummet in i hjärnvävnaden hos sövda möss. Hos genförändrade möss utan porer i gliacellerna var flödet mycket trögt. Porernas uppgift är alltså att slussa in vätska i hjärnvävnaden.

Hennes forskargrupp kunde också visa att vätskeflödet sköljer bort skräp. Det spolar bland annat ut beta-amyloid, ett protein som bildar trassliga klumpar hos människor med Alzheimers sjukdom.

Maiken Nedergaard och hennes medarbetare kallar den biologiska tvättmaskinen för det glymfatiska systemet, eftersom det bygger på gliaceller och liknar lymfsystemet i övriga kroppen. Till sin förvåning upptäckte de att tvättprogrammet klickar igång under sömnen.

Hos möss och råttor flyter minst tio gånger mer vätska genom det glymfatiska systemet när de sover än när de är vakna. I en sovande hjärna är utrymmet mellan cellerna över 60 procent större än i vaket tillstånd, vilket får rengöringsvätskan att flyta lättare.

Exakt hur mycket vätska som rinner genom en mänsklig hjärna varje natt har ingen ännu kunnat mäta, men Maiken Nedergaard uppskattar att det handlar om mellan en halvliter och flera liter.

– Jag tror att den biologiska orsaken till att vi måste sova är att hjärnan inte klarar renhållningen i vaket tillstånd, säger hon.

Bortåt en tredjedel av människans liv försvinner i dvala. Det är knappast för att hushålla med näring – hjärnan förbrukar nästan lika mycket energi när den sover som när den är vaken. Med tanke på att många djurarter riskerar att bli någon annans byte medan de sover, kan man fråga sig varför evolutionen inte har utvecklat några ständigt klarvakna hjärnor. Hjärtat, levern, njurarna och alla andra organ klarar sig utmärkt utan sömn. Men inte hjärnan. Det finns flera teorier om vad det beror på.

Nyligen rapporterade sömnforskaren Giulio Tononi vid University of Wisconsin-Madison i USA att merparten av nervcellernas inbördes kopplingar – synapserna – krymper och blir svagare under sömnen. Utan sömn skulle kopplingarna bara bli starkare och starkare ända tills hjärnan tappar förmågan att ta in nya intryck, enligt Giulio Tononi.

– Sömnen är priset hjärnan betalar för sin formbarhet, för att kunna befästa vad vi har lärt oss och vara redo att lära nya saker nästa dag, säger han.

Maiken Nedergaard anser att det är ett intressant resonemang som vilar på välgjord forskning. Men hon lutar åt att det viktigaste skälet till att vi måste sova handlar om renhållning.

I en vaken hjärna har gliacellerna fullt upp med att hjälpa nervcellerna att signalera till varandra med hög precision via synapserna. Samtidigt hopar sig allt mer avfall medan arbetet pågår i timme efter timme.

När sömnen kommer blir de elektriska signalerna diffusa och flyter samma i långsamma vågor. Gliacellerna behöver inte längre stödja aktiviteten i enskilda synapser. I stället kan de övergå till att städa. Gliacellerna byter skepnad så att de mer påminner om njurceller och slussar rengöringsvätska genom vävnaden. Arbetsuppgifterna under sömn och vakenhet skiljer sig åt som natt och dag.

– Det är som att ordna en fest. Du kan antingen underhålla gästerna eller städa huset, men du klarar inte att göra båda sakerna samtidigt, säger Maiken Nedergaard.

Med stigande ålder blir hjärnans renhållning mindre effektiv. Tvättmaskinen är känslig. Djurförsök visar att en svår hjärnskakning hämmar det glymfatiska systemet – som också påverkas av kroppens läge under sömnen.

Flödet är större hos möss som sover på sidan än hos dem som sover på rygg eller mage, enligt en studie publicerad i fjol. Magläge ger minst flöde. Intressant nog föredrar de flesta djur att sova på sidan. Det gäller även människor.

– Jag brukar sova på höger sida, för då hamnar hjärtat högt. Och det minskar belastningen på hjärtat medan hjärnan rensas, säger Maiken Nedergaard.

I framtiden kanske det blir möjligt att ta en tablett som trimmar hjärnans tvättmaskin under natten. Men risken är stor för att en sådan medicin samtidigt ökar blodtrycket, eftersom njurarna reagerar på samma signalämnen som det glymfatiska systemet.

Ett alternativ utan sådana biverkningar är fysisk aktivitet. Sovande råttor som sprungit i ett löphjul har större flöde i det glymfatiska systemet än råttor som latat sig under sin vakna tid, enligt ännu opublicerade resultat.

– Jag misstänker starkt att meditation och yoga kan ha liknande effekter, säger Maiken Nedergaard.

För att ta reda på om det stämmer krävs förstås försök på människor, vilket är svårt. Förra året använde läkare i Oslo ett färgämne för att spåra en läcka där cerebrospinalvätska sipprade ut hos en 27-årig kvinna. Samtidigt kunde de belägga att den mänskliga hjärnan har ett glymfatiskt system. Men det var ett sällsynt fall. Ingen försöksetisk nämnd skulle godkänna experiment där folk får injektioner med färgämnen i hjärnan om det inte är absolut nödvändigt.

Maiken Nedergaard samarbetar nu med forskare i Finland för att i stället använda en ny typ av ultrasnabb magnetkamera som tar upp till tio bilder per sekund.

– Vi försöker mäta rörelser i hjärnan som driver det glymfatiska flödet, säger Vesa Kiviniemi, neuroradiolog vid Uleåborgs universitet.

Hjärtslagen bidrar till att pumpa vätskan. Det gör även muskelrörelser i blodkärlens väggar, liksom tryckförändringar i kroppen som beror på andhämtningen. Preliminära data tyder på att Alzheimers sjukdom förändrar flödet genom hjärnan.

– Med den här tekniken kan det bli möjligt att hitta människor som riskerar att få Alzheimers sjukdom långt innan de får några symtom, säger Maiken Nedergaard.

I somras var hon ett affischnamn för Europas största konferens om hjärnforskning, Fens forum i Köpenhamn. Under ett fullsatt föredrag om det glymfatiska systemet nämnde hon Patricia Grady, den unga doktoranden som tvingades lämna vetenskapen i vanära på grund av att ingen kunde upprepa hennes banbrytande experiment. Maiken Nedergaard förklarade att kollegernas misslyckande berodde på att de använde metoder som hindrar hjärtslag och andra tryckförändringar från att driva vätskeflödet genom det glymfatiska systemet. Därmed stannade flödet. Tvättmaskinen blev osynlig.

Men efter det bakslaget gick det bra för Patricia Grady. På sin nya arbetsplats steg hon i graderna och blev så småningom högsta chef för National institute of nursing research. Varje år fördelar institutet över en miljard kronor till forskning, som bland annat lett till bättre smärtlindring för cancerpatienter. För ett par år sedan fick hon besök av Maiken Nedergaard.

– Det var fantastiskt att träffas! Maiken är briljant, säger Patricia Grady.

 Hon känner sig inte bitter över att hennes egen karriär som laboratorieforskare tog slut.

– Nej, nej. Jag drev forskningen så långt det var möjligt med metoderna som var tillgängliga då, och det var spännande. Men jag känner att jag har fått möjlighet att bidra inom andra områden, säger Patricia Grady.

Samtidigt håller hon koll på forskningen om det glymfatiska systemet, och tror att den kan leda till nya behandlingar mot flera av hjärnans folksjukdomar.