圖片：Katherine Streeter for NPR
睡眠質量決定著白天的精神和工作效率，對此我們都深有體會。而最新的研究告訴我們，睡眠不足不僅影響工作，還會讓我們變傻。這項發表在《科學》上的研究發現，慢波睡眠會與大腦清除廢物的過程同步進行。
這意味著缺乏深度睡眠的人，大腦中會積累大量毒素蛋白，進而導致痴呆等神經疾病。撰文丨楊心舟
大腦的排汙系統
幾乎所有動物都需要依靠睡眠來維持生命活動的正常運轉。因此，毫無疑問，睡眠對於高級的認知過程和大腦的基礎生理過程有重要作用。一旦缺乏睡眠，人會明顯出現精神渙散、工作效率低下以及反應能力下降等負面影響。
除了這些表面的效應，科學家也一直在探索睡眠影響大腦功能的機制。其中最經典的，當屬2013年在《科學》上發表的一項突破性進展。當時來自美國羅徹斯特大學的神經科學家Maiken Nedergaard發現
大腦有一套排汙系統，大腦可以在睡覺時，通過該系統將清醒時產生的毒素蛋白排出去。其中一種稱作腦脊液（CSF）的關鍵成分，扮演著“清洗劑”的效果。腦脊液平時充斥在大腦周圍以及脊髓中。在當時的實驗中，研究者發現腦脊液會利用腦部血管周圍的一些小通道進入大腦組織。由於這一過程受腦膠質細胞控制，並且這類細胞在大腦中執行著免疫功能相關的任務，因此他們也將這一排汙系統稱作腦淋巴系統。
圖中藍色的是含有指示劑的腦脊液。圖片：Maiken Nedergaard
在這一清洗過程，大腦會隨著腦脊液排出一種有重要負面影響的蛋白——β-澱粉蛋白，這一蛋白通常被認為是阿爾茨海默病的元兇。在動物實驗中，研究人員發現小鼠在睡眠和麻醉時，大腦皮層中細胞周圍的空間會擴大60%，這意味著睡覺時會有更多的腦脊液進入大腦。而且Nedergaard也觀察到在這一過程中，β-澱粉蛋白消失的速度大約是清醒時的兩倍。
睡眠與排汙
Nedergaard的這一發現激起了神經科學家極大的興趣，因為在醫療診斷中，許多患有阿爾茨海默病或者痴呆的患者，都伴有睡眠紊亂的症狀。這意味著睡眠、毒素蛋白的清除以及痴呆之間，已經具備了潛在的聯繫。
Nedergaard曾將排汙系統比作洗滌劑，她認為兩者的工作原理是類似的，並且這是包括人類在內的動物需要睡眠的最主要原因。只不過當時，Nedergaard的實驗都是在小鼠中完成的，如果該過程能夠在人類大腦中得到印證，那麼科學家就將很有可能揭開睡眠與腦部疾病之間的神秘聯繫，並解決困擾全球數千萬人的阿爾茨海默病。
而在這場研究接力中，來自波士頓大學的神經科學家Laura Lewis也驗證了Nedergaard的預測。在最近發表在《科學》的研究中，Lewis在人類的大腦中觀測到了腦脊液反覆清洗大腦的過程，並且她還發現這一過程和睡眠節律是同步進行的。至此，兩組科學家通過跨時7年的工作，揭開了深度睡眠時腦部上演的“清洗”活動。
紅色代表著腦脊液，小鼠在睡眠時，腦脊液會迅速進入大腦組織間隙
這裡所說的睡眠節律是指，我們在睡眠過程中息息相關的腦電波節律，它通常與睡眠的不同階段相關。比如睡眠過程總是
快速眼動睡眠（REM）和慢波睡眠（SWS）交替進行的。REM會伴隨高度活躍的腦電信號，夢境就是在REM階段出現的；而SWS則只會伴隨低活躍的慢腦電波，因此SWS也被稱作深度睡眠，決定著每晚的睡眠質量。當我們入睡時，通常由淺層的慢波睡眠開始，然後進入深度的慢波睡眠，最後再回到淺層慢波睡眠。睡眠過程中，大腦會多次執行這種循環，並且在每個新循環開始之前以及即將醒來時進行快速動眼睡眠。
在新研究開始前，Lewis就已經觀察到了大腦睡眠過程中許多同步發生的現象，比如有研究發現慢波睡眠過程中的低頻腦電與記憶和神經功能相關；血氧水平依賴信號會在慢波睡眠時發生改變。上文還提到，Nedergaard曾發現慢波睡眠時大腦間隙中的腦脊液增多，帶走毒素蛋白。
20秒一次的清洗工作
“這些同步發生的事件背後，一定有一些我們沒有發現的聯繫。” Lewis表示。為此，Lewis召集了13名自願者並且實時觀測了他們進入慢波睡眠時的腦脊液變化。與此同時，她在Nedergaard的實驗基礎上，還分析了腦電信號以及血氧濃度依賴信號。
首批結果顯示，當自願者進入深度睡眠階段，腦脊液經特定腦區過濾後周期性地進入大腦，並且按下圖箭頭所示的方向環繞整個大腦流動。腦脊液到達腦部最上側時，會滲透進腦壁細胞的小動脈之間，充斥腦組織間隙與其中的液體進行混合。這一過程會刺激神經調節信號，促進腦中廢物和毒素的排出。
除了這一點，Lewis還後續發現，腦脊液平均每20秒就會往大腦中湧進一次。在腦脊液進入大腦之前的數秒鐘前，血液會迅速退出大腦，給大腦騰出更多的容量，並且還會伴隨有節律的慢波腦電信號。這意味著，在我們執行慢波睡眠時，大腦就會反覆上演著“清洗”工作。
藍色代表著腦脊液
對此，Lewis認為這很可能是我們在熟睡時，許多神經元會處於關閉的狀態，因此大腦不再需要高水平的血氧濃度，血液也開始退出局部區域。當血液流出，為了彌補下降的腦壓，腦脊液正好趁此時機湧入大腦，形成液體替補並完成清洗工作。
而發現這一結果後，許多神經疾病的機理似乎就能夠說得通了。Lewis解釋道：“慢波腦電會隨著年齡增長而減弱，在患有神經性疾病的人中衰減的更加厲害。”因此，包括
阿爾茨海默病在內的神經疾病患者往往都會缺乏優質的慢波睡眠，而這樣會積累更多的毒素蛋白，最終病情也會變得更加嚴重。對於正常人來說，人類在保持清醒時，呼吸、心跳和身體的其他運動也會產生腦脊液衝擊。但此時，這種沖洗作用在大腦中很微弱。Nedergaard認為這種沖洗過程非常複雜，也需要耗費不少的能量。而當我們清醒時，大腦需要調控的功能實在太多，無法抽出額外的精力來完成清洗工作。“也就是說當我們清醒時，我們的大腦會持續累積β-澱粉蛋白等毒素蛋白，” Nedergaard表示，“而當人入睡時，大腦就可以將毒素排出去。這也是動物為什麼需要睡眠的原因。”
現在，這項實驗已經讓科學家找到了腦脊液、腦電波和慢波睡眠之間的聯繫，我們也能更進一步理解睡眠這項重要活動的意義。人類在清醒與睡眠的規律交替中，是足夠將毒素蛋白排出的，但這還只是科學家發現的冰山一角。“腦脊液大清洗時會帶走腦中的垃圾，但它們可能還做著更加重要的事情。” Lewis表示。
Coupled electrophysiological, hemodynamic, and cerebrospinal fluid oscillations in human sleep
https://science.sciencemag.org/content/366/6465/628.full
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