熬夜变傻又得Science实证：科学家看到了大脑在睡眠中的“排毒”过程

来源：科研圈

昨晚你睡了多久？过去的一周里呢？虽然熬夜似乎已经成为了很多人的常态，但是最近发表在 Science 的一项研究再次凸显了睡眠的重要性：充足的睡眠是保证大脑能够正常排出废物和毒素、避免患上阿尔茨海默病的重要条件。

图片来源：Julia Yellow | New Scientist

来源  环球科学、New Scientists 等

大脑中的排污系统

2013 年，美国罗彻斯特大学的麦肯·内德戈德（Maiken Nedergaard）在 Science 上发表了一篇论文，展示了可以称为最近几十年脑科学和睡眠研究领域内最惊人的发现。他和同事们在小鼠大脑中发现了一种叫做类淋巴系统（glymphatic system）的“排污”网络，由神经胶质细胞组成。这些神经胶质细胞位于产生电脉冲的神经元周围。就像淋巴系统排出体内的废弃物一样，类淋巴系统利用脑脊液来收集和分解神经元辛勤工作产生的有害代谢废物。

尽管类淋巴系统白天相对更活跃一些，但内德戈德及其团队发现，在深度睡眠期间，这种排毒系统启动了高速运转模式。随着深度睡眠的脉动节律，大脑排出的废物多出 10 到 20 倍。

此外，内德戈德的研究还解释了为什么在夜间脑脊液会如此有效地排出代谢废物。在深度睡眠期，大脑神经胶质细胞的体积缩小了 60%，为脑脊液创造了更大的空间来清除代谢垃圾。你可以把它比作一个大城市的建筑，在夜间神奇地缩小了。城市里的清洁人员可以更容易地清除当天的垃圾，然后对每个角落和缝隙进行高压喷气清理。

这与阿尔茨海默病有什么关系呢？内德戈德发现，在睡眠过程中被类淋巴系统冲走的一片片毒性碎片是淀粉样蛋白，它被认为是阿尔茨海默病的主要致病蛋白。

在睡眠中“清洗”大脑

内德戈德对睡眠中的“大脑排毒”研究是在小鼠中进行的，而最新的 Science 研究终于在人类身上找到了同样的证据：波士顿大学的神经科学家劳拉·刘易斯（Laura Lewis）和同事们在人类的大脑中观测到了脑脊液反复清洗大脑的过程，并且她还发现这一过程和睡眠节律是同步进行的。

她和同事召集了 13 名被试，实时观测了他们进入慢波睡眠时的脑脊液变化，还分析了脑电信号以及血氧浓度依赖信号。

首批结果显示，当被试进入深度睡眠阶段，脑脊液经特定脑区过滤后周期性地进入大脑，并且按下图箭头所示的方向环绕整个大脑流动。脑脊液到达脑部最上侧时，会渗透进脑壁细胞的小动脉之间，充斥脑组织间隙与其中的液体进行混合。这一过程会刺激神经调节信号，促进脑中废物和毒素的排出。

除了这一点，刘易斯还后续发现，脑脊液平均每 20 秒就会往大脑中涌进一次。在脑脊液进入大脑之前的数秒钟前，血液会迅速退出大脑，给大脑腾出更多的容量，并且还会伴随有节律的慢波脑电信号。这意味着，在我们执行慢波睡眠时，大脑就会反复上演着“清洗”工作。

脑脊液反复清洗大脑的过程，‍蓝色代表‍脑脊液。图片来源：Fultz et al., 2019

对此，刘易斯认为这很可能是我们在熟睡时，许多神经元会处于关闭的状态，因此大脑不再需要高水平的血氧浓度，血液也开始退出局部区域。当血液流出，为了弥补下降的脑压，脑脊液正好趁此时机涌入大脑，形成液体替补并完成清洗工作。

缺乏深度睡眠的后果

这项研究不但验证了内德戈德之前提出的理论，也为探明阿尔茨海默病的机制提供了线索。此前，圣路易斯华盛顿大学的大卫·霍尔茨曼（David Holtzman）和他的团队通过阻止小鼠进入深度睡眠，让它们保持清醒，观察到小鼠大脑中淀粉样蛋白含量出现了即时增加。接下来，他和团队又在健康成年人身上验证了这个现象：他们剥夺了被试的深度睡眠，但保证总睡眠时间不变。为了做到这一点，他们一直等到受试者进入睡眠阶段，然后再播放唤醒音，使大脑脱离深度睡眠状态，但不至于叫醒受试者。一夜后，他们测量了受试者脑脊液中的淀粉样蛋白含量。缺少了经过深度睡眠的清洁，受试者脑脊液中阿尔茨海默病相关的淀粉样蛋白显著增加。

刘易斯的研究正能为这些发现提供更准确的解释。内德戈德认为，这种深度睡眠中的冲洗过程非常复杂，也需要耗费不少的能量。而当我们清醒时，大脑需要调控的功能实在太多，无法抽出额外的精力来完成清洗工作——这代表着“当我们清醒时，大脑会持续累积 β-淀粉样蛋白等毒素蛋白，”内德戈德表示，“而当人入睡时，大脑就可以将毒素排出去。这也是动物为什么需要睡眠的原因。”

根据美国国家睡眠基金会（US National Sleep Foundation）的数据，大多数成年人每晚需要 7 到 9 个小时的睡眠。但随着年龄的增长，我们需要的睡眠量也会发生变化。例如，一个 18 岁的年轻人可能需要 6 到 11 个小时的时间。老年人需要的睡眠时间似乎和年轻人没什么区别，但却很难达到相同的质量。

一般来说，你不应该设置闹钟叫醒自己。如果这么做了，你可能得不到足够的睡眠时间。更重要的是，躺在床上的时间不等于睡觉，给自己定个 8 小时的目标，睡个好觉吧。