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《科學》:熬夜,正讓無數人走在變傻的邊緣

2019-11-06 09:27:35  來源:環球科學

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,進而導致癡呆等神經疾病。

大腦的排污系統

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,睡眠對于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發現大腦有一套排污系統,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。由于這一過程受腦膠質細胞控制,并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污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

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-淀粉蛋白,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-淀粉蛋白消失的速度大約是清醒時的兩倍。

睡眠與排污

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癡呆的患者,都伴有睡眠紊亂的癥狀。這意味著睡眠、毒素蛋白的清除以及癡呆之間,已經具備了潛在的聯系。

Nedergaard曾將排污系統比作洗滌劑,她認為兩者的工作原理是類似的,并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,那么科學家就將很有可能揭開睡眠與腦部疾病之間的神秘聯系,并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復清洗大腦的過程,并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

這里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,然后進入深度的慢波睡眠,最后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,并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后,一定有一些我們沒有發現的聯系。” Lewis表示。為此,Lewis召集了13名自愿者并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,當自愿者進入深度睡眠階段,腦脊液經特定腦區過濾后周期性地進入大腦,并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還后續發現,腦脊液平均每20秒就會往大腦中涌進一次。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,并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,大腦就會反復上演著“清洗”工作。

藍色代表著腦脊液

藍色代表著腦脊液

對此,Lewis認為這很可能是我們在熟睡時,許多神經元會處于關閉的狀態,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涌入大腦,形成液體替補并完成清洗工作。

而發現這一結果后,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。

對于正常人來說,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沖擊。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復雜,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-淀粉蛋白等毒素蛋白,” Nedergaard表示,“而當人入睡時,大腦就可以將毒素排出去。這也是動物為什么需要睡眠的原因。”

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系,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。

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