深度睡眠可以更好的清理大脑垃圾
作者: Mints 编译 / 1453次阅读 时间: 2019年11月06日
来源: Simon Makin 文 标签: 脑脊液 失眠 睡眠
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深度睡眠可以更好的清理大脑垃圾
Simon Makin 文
Mints 编译

“无梦睡眠中的慢波活动有助于清除神经碎屑”

为什么睡眠会对认知、以及大脑健康有恢复(或破坏)作用?这一直是生物学中一个永恒的谜题。

研究人员认为脑脊液(CSF = Cerebrospinal Fluid)可以冲洗有毒废物——“清洗”大脑。研究表明,睡眠过程中可以更好的清理大脑中的垃圾。不过,科学家仍然不确定这一切究竟是如何运作的,也不知道为什么清理大脑的进程会在睡眠中增强这么多。

我们都知道,以深度非快速眼动睡眠为特征的慢电波振荡(或“慢波”)促进了记忆的巩固——即,新的记忆被转移到了长期记忆存储之中。

睡眠周期

波士顿大学的神经学家Laura Lewis领导的一个研究小组深入了解了脑脊液流经大脑的原因。他们发现:协调记忆巩固的慢波也会引起脑内血流和脑脊液的振荡。

这项工作对理解睡眠障碍和精神/神经性退行性疾病之间的关系有一定的意义,甚至可能为诊断和治疗这些疾病指明新的途径。

Lewis说:“我们发现,大脑只有在睡眠时才会出现大量的脑脊液。”

“这种效应真得很惊人,我们也特别想知道睡眠对于维持大脑健康的意义,尤其是对老年痴呆症等疾病患者的睡眠状况。”

流经大脑的脑脊液(蓝色)通过在睡眠中得到扩张的通道清除了脑内毒素。Maiken Nedergaard


该研究于10月31日发表在《科学》杂志上的,研究小组着手研究脑脊液流量在睡眠期间的动态变化,以及这些变化和脑部血流变化、脑电活动变化之间的关系。

“我们知道睡眠对大脑健康非常重要,清除废物可能是一个关键原因;目前还不太清楚的是:为什么在睡眠期间会发生这种变化?”Lewis说,“这让我们很好奇,脑脊液里到底发生了什么?”

研究人员使用脑电图仪(EEG)监测了13名睡眠正常的成年人的脑电波,同时也使用顶尖的“加速fmri”技术捕捉大脑的更快变化。加速FMRI能够测量脑脊液流量以及血氧变化(这表明血液流向电活动区、缺氧区)。

Lewis说:“我们意识到,我们可以利用这一点,在测量脑脊液流量的同时测量血液氧合。这很关键,因为事实证明,如果我们不同时测量血液、脑脊液和大脑的放电活动,这些东西就会以一种我们从未见过的方式相互耦合。”


睡眠期间,大脑会出现大范围的波动:血氧合波(红色)之后是脑脊液波(蓝色)DOI: 10.1126/science.1241224


研究小组发现,在非快速眼动睡眠中出现的慢波、以及血流和脑脊液的变化是同步的。不过,仅仅因为事情发生在一起并不一定意味着这两者之间有因果关系。

但是研究小组还建立了一个计算机模型,其中包含了我们所知道的连接这些过程的物理知识,它预测慢波只会对血液和脑脊液产生这类影响。

似乎正在发生的情况是,当大脑的活动让血流发生变化后,大脑中的血容量会减少,而且由于大脑是一个封闭的血管,脑脊液会流入并填充空出来的空间。

罗切斯特大学的神经学家Maiken Nedergaard在阅读了论文之后说:““这很有说服力,这也很有意义:电活动驱动血流变化,然后驱动脑脊液变化。”


研究小组测量了进入第四脑室的脑脊液流入量,这是四个充满液体的脑腔之一,脑腔(通过过滤血浆)参与了脑脊液产生过程,同时也参与了脑脊液在大脑周围的循环过程。由于脑脊液通常从第四脑室流出,这意味着脑脊液的流动像波一样的“脉动”。这推动了脑脊液围绕脑室进入大脑和脊髓膜之间的空间——也就是脑膜,脑脊液在脑膜中和脑室内的“间质液”发生混合,以带走有毒废物。

脑脊液流动图示

由于慢波对记忆巩固很重要,因此这将睡眠的两个不同功能联系起来。

Nedergaard说:“令人兴奋的是,这项研究将那些人们通常认为不相关的大脑功能特征结合在了一起。虽然脑功能各不相同,但是我们不能把任务分为更高级别和更低级别,这就像在理一家公司的时候,有一位老板来做出决定是否要清理员工。但是在生物学中,每个人都有贡献,因为这更有意义。”

这些发现将会影响神经退行性疾病的治疗,通常认为神经退行性疾病是由脑内的有毒蛋白质积聚引起的,如阿尔茨海默病中的β淀粉样蛋白。

先前的研究表明,睡眠可以有效的清除β-淀粉样蛋白,而阿尔茨海默病患者的这种机制通常被破坏了。

慢波睡眠的紊乱也常常伴随着衰老,这可能与认知能力下降有关。

Lewis说:“我们知道阿尔茨海默病患者慢波较少,所以我们可能会发现他们的脑脊液波也较少。我们现在必须在老年人和病人群体中进行这些研究,以了解这对这些疾病意味着什么。”

睡眠障碍也是许多精神疾病(从抑郁症到精神分裂症)的一个特征。她说:“不同的精神状态会破坏不同的睡眠电信号。因此对许多疾病进行随访将会非常有趣。”


研究小组下一步希望通过实验控制大脑活动,以确定电振荡是否真的引起了他们在观察到的脑脊液流动变化。Lewis说:“找到合适的合作者,一起在老鼠身上进行研究,在研究中,我们可以操纵神经活动,然后观察之后的后果,这将是一件很棒的事。我们同时也在考虑如何安全无创地控制人类的神经震荡。”

最终或许可以利用电磁刺激来影响脑电波,以此作为治疗大脑疾病的方法。研究人员已经在老鼠身上看到了这种方法令人鼓舞的结果,这些发现可能有助于解释内在的原因。

评估脑脊液流量的变化是否可以作为这些症状的诊断指标可能是另一个潜在的应用。

Lewis说:“这让我们很多探索和理解有趣新生物学的知识,因为大脑在睡眠中所做的事情似乎以一种惊人的方式相互关联。”

“也许最重要的信息是,睡眠是一件严肃的事情,”Nedergaard说,“你真的需要睡觉来保持大脑的健康,因为它将电活动与实用的脑内内务管理功能联系起来。”

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