Unser Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das aus Abermilliarden Nervenzellen besteht und bewusste sowie unbewusste Prozesse steuert. Dieses System ermöglicht es uns, alltägliche Handlungen wie das Trinken einer Tasse Kaffee auszuführen. Doch wie funktioniert dieses System genau und wie wird das Gehirn von Abfallstoffen gereinigt? Dieser Artikel beleuchtet die faszinierenden Aspekte des Nervensystems, die Bedeutung der Blutgefäße im Gehirn und die Rolle des glymphatischen Systems bei der Entsorgung von Stoffwechselprodukten.
Das Nervensystem im Alltag
Das Nervensystem wiegt etwa 2 kg, wobei rund 1,3 kg auf das Gehirn entfallen. Das entspricht nur etwa drei Prozent des durchschnittlichen Körpergewichts. Die Nervenbahnen eines erwachsenen Gehirns sind circa 5,8 Millionen Kilometer lang, was 145 Erdumrundungen entspricht.
Sensorisches, motorisches und vegetatives Nervensystem
Wenn wir eine Tasse Kaffee trinken, ist unser sensorisches Nervensystem aktiv. Augen, Ohren, Nase, Zunge und Sensoren in der Haut senden Informationen über Aussehen, Geruch, Gewicht, Durst, Temperatur und Geschmack des Kaffees über die Nervenbahnen an das Gehirn. Das Gehirn verarbeitet diese Informationen und gibt Befehle: „Ja, Kaffee! Aber er ist heiß und bitter. Milch & Zucker rein, vorsichtig trinken & genießen.“
Das vegetative Nervensystem steuert unbewusste Prozesse wie die Verdauung, Herztätigkeit, Atmung, Kreislauf, Schweißbildung und Körpertemperatur. Diese Abläufe laufen autonom ab.
Das motorische Nervensystem ist aktiv, wenn wir eine Tasse greifen wollen. Das Gehirn berechnet, wohin wir greifen müssen, und sendet über das Rückenmark und die an Muskeln andockenden Nervenzellen den Befehl zum Ausstrecken der Hand. Die Bewegung wird fortlaufend mit den Reizen abgeglichen, die das sensorische Nervensystem ans Hirn zurücksendet.
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Signalübertragung: Nervenbahnen, Nervenzellen und Synapsen
Nervenbahnen durchziehen den gesamten Körper und leiten Reize zum Hirn und Befehle aus der Zentrale wieder zurück zu der Körperstelle. Eine Nervenbahn besteht aus gebündelten Nervenzellen und ist mit einer Schutz-Hülle umgeben. Jeder Mensch hat Abermilliarden Nervenzellen (Neuronen). Mit ihren „Zweigen“ (Dendriten) empfangen sie Signale aus den Nachbarzellen und schicken sie über den Stamm (Axon) zu den Synapsen, den Kontaktstellen zur nächsten Zelle. Nervenzellen sind im Durchmesser nur bis 0,1 Millimeter groß, das Axon kann aber bis zu einem Meter lang sein. Eine Nervenzelle kann bis zu 100.000 Synapsen haben. Wenn Nervenzellen einen Reiz von einer Zelle zur nächsten weiterleiten, arbeiten die meisten Synapsen mit chemischen Botenstoffen, andere mit elektrischen Signalen.
Die Blut-Hirn-Schranke: Schutzwall des Gehirns
Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) trennt den Blutkreislauf vom zentralen Nervensystem und ist außer für einige Nährstoffe des Gehirns praktisch undurchdringbar. Die Endothelzellen der Blut-Hirn-Schranke sind extrem dicht miteinander verknüpft. Zudem wird eine ganze Batterie von Abwehrproteinen exprimiert, die unerwünschte Eindringlinge abwehren.
Kapillargefäße im Gehirn
Sechshundert Kilometer umfasst das System der Kapillargefäße, die das Gehirn durchziehen. Sie sind von außerordentlicher Bedeutung für die sichere Funktion des zentralen Nervensystems, versorgen das Denkorgan mit Nährstoffen und schotten es gleichzeitig vor Fremdstoffen, einschließlich vielen Pharmaka, möglicherweise toxischen Metaboliten und Krankheitserregern ab. Rund 100 Milliarden Kapillaren durchziehen das Gehirn, ihr durchschnittlicher Abstand beträgt etwa 40 μm. Die Dichte an Kapillargefäßen ist in der Großhirnrinde mit 300 bis 800 Kapillarquerschnitten pro mm2 Gewebe am höchsten. Die Gefäßendothelzellen dieser Kapillaren sind durch extrem dichte Verschlussstücke, die sogenannten Tight Junctions oder Zonulae occludentes, miteinander verknüpft und bilden die Blut-Hirn-Schranke. Die Basalmembran besteht aus Heparinsulfat-Proteoglycanen, Fibronectin, Kollagen Typ V, Laminin und anderen extrazellulären Matrixproteinen. Die genaue Funktion der darauf aufsitzenden Zellen ist noch nicht vollständig geklärt; möglicherweise geben sie Wachstumsfaktoren an die Endothelzellen ab.
Exportproteine: Zusätzlicher Schutzmechanismus
Ein entscheidender Grund für die schlechte Gehirngängigkeit der meisten Wirkstoffe sind Exportproteine (ABC-Proteine, von ATP Binding Cassette Proteins), die in der luminalen, also der blutseitigen Membran der Kapillarendothelzellen exprimiert werden und dort wesentlich zum Schutz des Gehirns beitragen. P-Glykoprotein (p-gp) ist der prominenteste Vertreter dieser Exportproteine.
Überwindung der Blut-Hirn-Schranke für therapeutische Zwecke
Für die Pharmakotherapie ist es wichtig, die BHS gezielt zu überwinden. Es gibt zwei Wege: die direkte Hemmung der Transporter-Aktivität und den Einsatz von Vektor-gekoppelten Darreichungssystemen. Als Beispiel für die erste Option wird Paclitaxel genannt, das die BHS nicht überwinden kann. Gibt man zusätzlich einen P-gp-Blocker wie Valspodar, gelangt das Zytostatikum ins Gehirn. Den zweiten Weg beschreiten Forscher mit kolloidalen Trägersystemen, in die Wirkstoffe eingelagert werden. Dafür nutze man pegylierte »Stealth«-Nanopartikel oder -Liposomen, die für das Immunsystem quasi unsichtbar sind.
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Das glymphatische System: Die Müllabfuhr des Gehirns
Lange glaubte man, das Hirnwasser (Liquor) habe vor allem eine Aufgabe: das Gehirn vor Erschütterungen zu schützen. Später entdeckte man seine Funktion für den Zellstoffwechsel. Doch wahrscheinlich erfüllt es eine weitere wichtige Aufgabe: Es scheint die „Müllabfuhr“ für schädliche Stoffwechselprodukte im Gehirn zu übernehmen - und zwar, so die neue Erkenntnis, auch beim Menschen.
Entdeckung des glymphatischen Systems
Den biologischen Mechanismus, der dahintersteckt, entdeckten US-Forschende um Maiken Nedergaard von der University of Rochester schon vor zwölf Jahren: Genauer gesagt stießen sie auf ein ganzes Drainagesystem im Kopf. Denn, so fand das Team heraus, die Flüssigkeit plätschert nicht ziellos zwischen den Hirnstrukturen umher, sie wird zielgerichtet hindurchgeschleust. Dabei durchspült sie auch die winzigen Spalten zwischen den Zellen. Die dahinterstehenden Mechanismen tauften die Forschenden „glymphatisches System“, eine Wortneuschöpfung aus Glia (wie die nicht-neuronalen Zellen des Gehirns auch heißen) und Lymphe (der entsprechenden Flüssigkeit im Körper).
Funktionsweise des glymphatischen Systems
Die innere Röhre bilden die kleinen arteriellen Blutgefäße, die das Gehirn durchziehen. Die äußere liegt wie eine zweite Haut um die Gefäße. Sie wird von spezialisierten Nervenzellen (den Glia-Zellen) und ihren Ausläufern gebildet. In diesem Raum, also dem äußeren Rohr, fließt eine aus verschiedenen Bestandteilen gebildete Hirnflüssigkeit. Sie tritt von dort ins Hirngewebe über. Hier nimmt sie gelöste wie ungelöste Stoffe mit sich. Angetrieben wird der Fluss durch die vom Pulsschlag ausgelösten Wellenbewegungen der Arterienwände. Nachdem die Flüssigkeit auf ihrer Wanderung die winzigen Venengefäße erreicht hat, transportiert sie die Abfälle weiter zu den größeren Venen und entlässt ihre Fracht in die Lymphgefäße des Körpers. Damit vereinigt sich der Reinigungsfluss im Gehirn mit dem Lymphsystem des Körpers.
Bedeutung des glymphatischen Systems
Neuesten Schätzungen zufolge fallen pro Tag in unserem Gehirn etwa sieben Gramm Rückstande an - das sind im Jahr zweieinhalb Kilogramm, fast die doppelte Masse des Gehirns selbst. In den meisten Fällen gelingt es der Müllbeseitigung, die Entsorgung problemlos zu erledigen. Die Entsorgung von Abfallstoffen passiert im Körper nachts, tiefer Schlaf ist für das problemlose Funktionieren des Nervensystems unerlässlich. Schlechter Schlaf könnte für eine Vielzahl die Nerven betreffende Erkrankungen mitverantwortlich sein.
Zusammenhang zwischen glymphatischem System und neurologischen Erkrankungen
Dieser Nachweis ist umso wichtiger, als das glymphatische System eine zentrale Rolle bei der Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer spielen könnte. Mit dem Liquor-Strom könnten im Normalfall auch schädliche Proteine wie Beta-Amyloid entsorgt werden, aus denen sich die typischen Alzheimer-Plaques zusammensetzen. Das würde auch erklären, warum Menschen mit chronischen Schlafstörungen ein erhöhtes Risiko für Alzheimer haben. Tatsächlich hat man beobachtet, dass das glymphatische System normalerweise beim Schlafen besonders aktiv ist. Schlechter Schlaf könnte den Abtransport von Beta-Amyloid und anderen problematischen Molekülen behindern und so beispielsweise die Plaquebildung bei Alzheimer begünstigen.
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Aktuelle Forschungsergebnisse zum glymphatischen System
Eine aktuelle Studie von 2024 aus Taiwan hat aufwändige Untersuchungen angestellt, bei denen das Gehirn abgebildet wird, um die Bedeutung des glymphatischen Systems für Migräne und Medikamentenübergebrauchskopfschmerz besser zu verstehen. Die Forschenden untersuchten die Strukturen und Funktionen des glymphatischen Systems und der ableitenden Lymphgefäße im Bereich der Hirnhäute, wo der Reinigungsfluss ins Lymphsystem des Körpers mündet. Genau dort konnte bei Patient:innen mit chronischer Migräne tatsächlich eine eingeschränkte Funktion beim Zusammenwirken der beiden Leitungsstrukturen nachgewiesen werden. Bei chronischer Migräne war die Beeinträchtigung stärker als bei episodischer Migräne. Besonders ausgeprägt war der Befund bei Betroffenen, die zusätzlich zu ihrer chronischen Migräne einen Medikamentenübergebrauchskopfschmerz entwickelt hatten.
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