圖片：Katherine Streeter for NPR

撰文丨楊心舟

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(zhuǎn)。因此，毫無疑問，睡眠對于高級的認(rèn)知過程和大腦的基礎(chǔ)生理過程有重要作用。一旦缺乏睡眠，人會明顯出現(xiàn)精神渙散、工作效率低下以及反應(yīng)能力下降等負(fù)面影響。

除了這些表面的效應(yīng)，科學(xué)家也一直在探索睡眠影響大腦功能的機(jī)制。其中最經(jīng)典的，當(dāng)屬2013年在《科學(xué)》上發(fā)表的一項突破性進(jìn)展。當(dāng)時來自美國羅徹斯特大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Maiken Nedergaard發(fā)現(xiàn)大腦有一套排污系統(tǒng)，大腦可以在睡覺時，通過該系統(tǒng)將清醒時產(chǎn)生的毒素蛋白排出去。

其中一種稱作腦脊液（CSF）的關(guān)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(dāng)時的實驗中，研究者發(fā)現(xiàn)腦脊液會利用腦部血管周圍的一些小通道進(jìn)入大腦組織。由于這一過程受腦膠質(zhì)細(xì)胞控制，并且這類細(xì)胞在大腦中執(zhí)行著免疫功能相關(guān)的任務(wù)，因此他們也將這一排污系統(tǒng)稱作腦淋巴系統(tǒng)。

圖中藍(lán)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(fù)面影響的蛋白——β-淀粉蛋白，這一蛋白通常被認(rèn)為是阿爾茨海默病的元兇。在動物實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)小鼠在睡眠和麻醉時，大腦皮層中細(xì)胞周圍的空間會擴(kuò)大60%，這意味著睡覺時會有更多的腦脊液進(jìn)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。

Nedergaard的這一發(fā)現(xiàn)激起了神經(jīng)科學(xué)家極大的興趣，因為在醫(yī)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(jīng)具備了潛在的聯(lián)系。

Nedergaard曾將排污系統(tǒng)比作洗滌劑，她認(rèn)為兩者的工作原理是類似的，并且這是包括人類在內(nèi)的動物需要睡眠的最主要原因。只不過當(dāng)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(xué)家就將很有可能揭開睡眠與腦部疾病之間的神秘聯(lián)系，并解決困擾全球數(shù)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(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Laura Lewis也驗證了Nedergaard的預(yù)測。在最近發(fā)表在《科學(xué)》的研究中，Lewis在人類的大腦中觀測到了腦脊液反復(fù)清洗大腦的過程，并且她還發(fā)現(xiàn)這一過程和睡眠節(jié)律是同步進(jìn)行的。至此，兩組科學(xué)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(jìn)入大腦組織間隙

這里所說的睡眠節(jié)律是指，我們在睡眠過程中息息相關(guān)的腦電波節(jié)律，它通常與睡眠的不同階段相關(guān)。比如睡眠過程總是快速眼動睡眠（REM）和慢波睡眠（SWS）交替進(jìn)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(xiàn)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(zhì)量。

當(dāng)我們?nèi)胨瘯r，通常由淺層的慢波睡眠開始，然后進(jìn)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(zhí)行這種循環(huán)，并且在每個新循環(huán)開始之前以及即將醒來時進(jìn)行快速動眼睡眠。

在新研究開始前，Lewis就已經(jīng)觀察到了大腦睡眠過程中許多同步發(fā)生的現(xiàn)象，比如有研究發(fā)現(xiàn)慢波睡眠過程中的低頻腦電與記憶和神經(jīng)功能相關(guān)；血氧水平依賴信號會在慢波睡眠時發(fā)生改變。上文還提到，Nedergaard曾發(fā)現(xiàn)慢波睡眠時大腦間隙中的腦脊液增多，帶走毒素蛋白。

“這些同步發(fā)生的事件背后，一定有一些我們沒有發(fā)現(xiàn)的聯(lián)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(jìn)入慢波睡眠時的腦脊液變化。與此同時，她在Nedergaard的實驗基礎(chǔ)上，還分析了腦電信號以及血氧濃度依賴信號。

首批結(jié)果顯示，當(dāng)自愿者進(jìn)入深度睡眠階段，腦脊液經(jīng)特定腦區(qū)過濾后周期性地進(jìn)入大腦，并且按下圖箭頭所示的方向環(huán)繞整個大腦流動。腦脊液到達(dá)腦部最上側(cè)時，會滲透進(jìn)腦壁細(xì)胞的小動脈之間，充斥腦組織間隙與其中的液體進(jìn)行混合。這一過程會刺激神經(jīng)調(diào)節(jié)信號，促進(jìn)腦中廢物和毒素的排出。

除了這一點，Lewis還后續(xù)發(fā)現(xiàn)，腦脊液平均每20秒就會往大腦中涌進(jìn)一次。在腦脊液進(jìn)入大腦之前的數(shù)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(jié)律的慢波腦電信號。這意味著，在我們執(zhí)行慢波睡眠時，大腦就會反復(fù)上演著“清洗”工作。

藍(lán)色代表著腦脊液

對此，Lewis認(rèn)為這很可能是我們在熟睡時，許多神經(jīng)元會處于關(guān)閉的狀態(tài)，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(qū)域。當(dāng)血液流出，為了彌補(bǔ)下降的腦壓，腦脊液正好趁此時機(jī)涌入大腦，形成液體替補(bǔ)并完成清洗工作。

而發(fā)現(xiàn)這一結(jié)果后，許多神經(jīng)疾病的機(jī)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(jīng)性疾病的人中衰減的更加厲害?！币虼?，包括阿爾茨海默病在內(nèi)的神經(jīng)疾病患者往往都會缺乏優(yōu)質(zhì)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(yán)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(chǎn)生腦脊液沖擊。但此時，這種沖洗作用在大腦中很微弱。Nedergaard認(rèn)為這種沖洗過程非常復(fù)雜，也需要耗費不少的能量。而當(dāng)我們清醒時，大腦需要調(diào)控的功能實在太多，無法抽出額外的精力來完成清洗工作?！耙簿褪钦f當(dāng)我們清醒時，我們的大腦會持續(xù)累積β-淀粉蛋白等毒素蛋白，” Nedergaard表示，“而當(dāng)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?！?/span>

現(xiàn)在，這項實驗已經(jīng)讓科學(xué)家找到了腦脊液、腦電波和慢波睡眠之間的聯(lián)系，我們也能更進(jìn)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(guī)律交替中，是足夠?qū)⒍舅氐鞍着懦龅?，但這還只是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的冰山一角?！澳X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。