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熬夜为何会变傻?科学家发现睡眠中的“洗脑”过程,可清除毒素

北极蚊子 2019-11-12 12:55

现在人们的夜生活可以用四个字来形容——“繁华热闹”,越来越多的人做起了“夜猫子”,加班、追剧、打游戏……都可以成为通宵的理由。虽然大家都知道长期熬夜对我们的身体伤害是很大的,但是不熬夜似乎又有点对不起自己。毕竟在一天 24 小时中,吃饭、上班或学习的时间是固定的,只有晚上的时间是属于自己的。

近日,来自美国波士顿大学 Laura D. Lewis 科研小组惊人地发现睡眠期间大脑会进行“洗脑”过程。具体而言,人类在睡眠过程中,大脑的神经活动会出现周期性停止,而在此期间血液会大量流出大脑,同时脑脊液(CSF)趁机大量进入,有节奏地“清洗”大脑,并带走大脑中的毒素物质,例如 β 淀粉样蛋白。

也就是说,睡眠能够帮助大脑清除“垃圾”,包括一些影响大脑退行性疾病的有毒蛋白,如果长期熬夜,影响了“洗脑”的过程,则有可能让人变傻。这一重磅发现在 Science 杂志发表。

对此,罗切斯特大学的神经科学家 Maiken Nedergaard 教授表示,“这说明人类的睡眠不仅是为了放松,睡眠实际上是一个非常独特的功能。

视频 | 随着大脑血液(红色)的波动,脑脊液(蓝色)有规律地“冲洗”大脑(来源:YouTube/Science News

此外,该研究也是有史以来首次在睡眠期间拍摄脑脊液的图像。研究人员也希望该成果会对各种与睡眠模式中断有关的神经和心理疾病提供新的见解,包括自闭症和阿尔茨海默病等。

研究论文通讯作者、美国波士顿大学助理教授 Laura D. Lewis 表示,这项研究最有趣的成果之一是可以仅仅通过脑部扫描检查少量脑脊液,就可以判断一个人是否在睡觉。

“这简直是一个激动人心的结果,睡眠时脑脊液的搏动是我们之前完全不知道的事情,现在我们只要看一眼大脑的一个区域,就能立刻读出一个人的大脑状态。

生物学最大的谜团之一

我们都知道,睡眠不足会降低学习能力、影响认知表现、延长反应时间,也是导致癫痫发作的一个常见原因。在最极端的情况下,持续的睡眠剥夺会在几天到几周内杀死啮齿动物和苍蝇。在人类中,持续的失眠也会在几个月或几年内导致痴呆甚至死亡。

但是,科学家们付出了几十年的努力,却一直不清楚为什么睡眠有助于机体和大脑的功能恢复,反过来说也就是为什么缺乏睡眠会损害大脑的功能。这也是生物学上最大的谜团之一。

此前的研究曾发现,在人体正常的生命活动中,一些与神经退行性疾病密切相关的蛋白,例如β淀粉样蛋白、α 突触核蛋白以及 tau 蛋白会在大脑周围细胞的间隙中堆积。由于人体大脑中并没有一套完整的淋巴系统,因此,大脑中的毒素并不能像外周组织一样,由淋巴系统清除。

(来源:Pixabay)

同时,一些学者还发现,无论是在小鼠还是人体内,清醒时大脑中的β淀粉样蛋白含量远高于睡觉时。此外,在 2013 年的时候,Nedergaard 教授也曾在 Science 杂志上发表研究,发现在小鼠睡觉的过程中,大脑中可导致阿尔茨海默病的 β 淀粉样蛋白等毒素会被脑脊液清除。

然而,对于脑脊液是如何清除掉这些毒素,以及为什么只有睡觉的时候才会被清除,此前科学家并没有给出合理的解释。

非快眼动睡眠是睡眠的一个阶段。这种睡眠通常发生在深夜,其特点是脑电波呈睡眠表现,肌肉活动较清醒时减弱,不伴剧烈的眼球运动。在此之前有研究发现,非快眼动睡眠与记忆力的保持有关。

长期致力于非快速动眼睡眠相关研究的 Laura D. Lewis 教授,对脑脊液如何清除大脑毒素也十分好奇。

为了搞清楚这些问题,Lewis 教授所在的研究团队对 13 名 23 至 33 岁之间的受试者进行研究,让他们带上脑电帽,在核磁共振 (MRI) 机器里睡觉。一般的脑电图会显示一个人处在哪个睡眠状态,而 MRI 会测量血氧水平,显示有多少脑脊液流进流出。

结果令人惊讶地显示,人类大脑在非快速动眼睡眠期间会出现振荡的电生理、血液动力学和脑脊液的动态变化。

具体来说,研究人员发现在非快速动眼睡眠期间,大脑内的血氧浓度会出现周期性变化,血液大量流出大脑,同时脑脊液会随后流入并有节奏地冲洗大脑。而当人类睡醒后,大脑这种周期性的血液变化就消失了,大脑中充满着血液,脑脊液无法进入,因此无法有效清除大脑中的毒素。

图 | 睡眠时第四脑室出现脑脊液信号的振荡变化(来源:Science

同时,脑电图的数据显示,在非快速动眼睡眠期间神经元开始同步,保持同时打开和关闭,而在血液和脑脊液的流转之前,大脑的神经节律会出现改变,大量的神经元停止激活,减少氧气和能量消耗。

对此,Lewis 教授表示,“首先,我们会看到所有的神经元都安静下来了,由于神经元暂时停止了活动,因此它们不需要那么多的氧气,这意味着更少的血液流向大脑。然后脑脊液会涌入,填补剩下的空间。

下一步研究

既然,大脑会在非快速动眼睡眠阶段清除毒素,而此前的研究表明,随着年龄的增长人类大脑非快速动眼睡眠阶段的时间会缩短,那么这是否意味着,老年人大脑中有毒蛋白质的积累和记忆能力的下降也和这一过程密切相关呢?

当然,这只是一个猜想。因为目前研究中的 13 名受试者的年龄都在 23 到 33 岁之间,为了进一步探索衰老如何影响睡眠中的血液和脑脊液流动,Lewis 和她的团队计划招募老年人参与他们的下一项研究。

随着研究的不断深入,研究团队还有另一个难题需要解决,“我们确实看到,神经变化似乎总是先发生,然后血液从头部流出,然后脑脊液进入头部。”Lewis 说道,但是我们的脑电波、血流和脑脊液是如何如此完美地相互协调的呢?

一种解释可能是当神经元停止活动时,它们不需要那么多氧气,所以血液离开了这个区域,而当血液离开时大脑中的压力下降,脑脊液迅速流入,将压力维持在安全水平。“但这只是一种可能性,”Lewis 说,“这其中的因果联系是什么?是这些过程中的一个导致了其他吗?还是有某种隐藏的力量驱使着它们?

图 | Laura D. Lewis(来源:波士顿大学官网)

此外,研究团队还希望找到一种更有助于睡眠的脑脊液成像方法。最初的 13 名受试者被要求在一个嘈杂的核磁共振成像仪里带着脑电图帽打瞌睡,任何一个做过核磁共振的人都能想象,这不是件容易的事。

“有很多受试者非常兴奋地参与进来,因为他们希望通过来这睡觉就可以获得报酬。”Lewis 大笑着说,“但事实证明,受试者的工作实际上几乎是我们研究中最难的部分,各种花哨的设备和复杂的技术,导致一个大问题就是人们无法入睡,因为他们处在一个非常吵的金属管里,那是一个奇怪的环境。

没有参与此项研究的布朗大学神经科学家 Christopher Moore 评价道,这个团队发现了一种奇妙的方法,来测量与我们所知的每一种大脑疾病都密切关联的信号。循环动力学、神经活动和脑脊液流量之间的关系可能在神经系统疾病如中风和阿尔茨海默病中发挥作用,现在,这篇论文得出了神经活动、血流和脑脊液节律之间的相关性,因此,这项工作的另一个扩展方向将是使用动物模型来操纵每一个振荡,并观察下游会发生什么。而且,还有必要探索“这些血管和脑脊液动力学是如何影响神经元的,它们可能是用来倒垃圾的,但也可能是……做一些更有趣的事情。

我们相信随着这项研究的深入,预防和治疗像阿尔茨海默病、自闭症这些的神经疾病或许会有新的思路。此前,针对 β 淀粉样蛋白的药物开发频频陷入困境,但现在来看,着重增加“洗脑”的脑脊液总量,或许会成为有效的解决方案。

总而言之,这一研究还意味着,日常生活中保持充足的睡眠很有必要,熬夜可能真的会让我们变傻。毕竟,白天大脑代谢的有害物质,如果不能在晚上被及时清除,那么长期堆积的大脑废物,必定会引发一系列的神经退行性疾病。

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