睡眠對認知和大腦健康的恢復性或破壞性影響一直是生物學中一個持久的謎團。研究人員認為腦脊液 (CSF) 可能會沖洗掉有毒廢物，從而“清潔”大腦，研究表明，在睡眠期間垃圾清除率大大提高。然而，科學家們不確定這一切究竟是如何運作的，或者為什麼在睡眠期間應該如此增強。
對睡眠的一個充分理解的方面是，表徵深度非快速眼動睡眠的緩慢電振盪（或“慢波”）如何促進記憶鞏固，即將新記憶轉移到長期儲存的過程。波士頓大學神經科學家勞拉·劉易斯領導的團隊在 2019 年的一項研究中，深入瞭解了驅動腦脊液流經大腦的因素，表明協調記憶鞏固的相同慢波也驅動著大腦中血流和腦脊液的振盪。
這項工作對理解睡眠障礙與精神和神經退行性疾病之間的關係具有重要意義，甚至可能為診斷和治療提供新方法。“我們發現只有在睡眠期間才會出現在大腦中的真正大的腦脊液波，”劉易斯說。“這種影響非常引人注目，我們也有興趣瞭解它對維持大腦健康意味著什麼，尤其是在阿爾茨海默病等疾病中。”
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在該研究中，該研究發表在《科學》雜誌上，該團隊著手調查睡眠期間腦脊液流動動力學如何變化，以及這種變化可能與腦血流和電活動的變化有何關係。“我們知道睡眠對大腦健康非常重要，廢物清除可能是其中的一個關鍵原因。不太清楚的是：為什麼這在睡眠期間會發生變化？”劉易斯說。“這引導我們詢問腦脊液中發生了什麼。”
研究人員使用腦電圖 (EEG) 監測 13 名健康成年人睡眠期間的腦電波，同時還使用尖端的“加速”功能性磁共振成像技術來捕捉比標準 fMRI 更快的變化。這使他們能夠測量血氧變化（表明血液流向電活動活躍、需氧量大的區域）和腦脊液流量。後者之所以成為可能，僅僅是因為這種方法的一個缺陷，這意味著任何新到達的液體（不僅僅是含氧血液）都會在影像中亮起。“我們意識到我們可以利用這一點來同時測量腦脊液流量和血氧飽和度，”劉易斯說。“這至關重要，因為事實證明，這些事物以我們從未見過的方式相互耦合，如果我們沒有同時測量血液、腦脊液和電活動的話。”
該團隊發現，在非快速眼動睡眠中看到的慢波與血流和腦脊液的變化同步發生。僅僅因為事物同時發生並不一定意味著一個導致另一個，但該團隊還構建了一個計算機模型，其中納入了有關連線這些過程的物理學資訊，該模型預測慢波會對血液和腦脊液產生此類影響。似乎正在發生的事情是，隨著大腦活動改變血流，大腦中的血液量減少，並且由於大腦是一個封閉的容器，腦脊液流入以填充空間。“這非常令人信服，”羅切斯特大學的神經學家麥肯·內德加德說，他沒有參與這項研究。“這也真的很有道理：電活動驅動血流變化，然後驅動腦脊液變化。”
圖片來源：梅薩·舒馬赫
該團隊測量了這種腦脊液流入第四腦室，第四腦室是參與產生腦脊液（透過過濾血漿）並使其在大腦周圍迴圈的四個充滿液體的腔室之一。由於腦脊液通常從第四腦室流出，這表明存在“搏動性”流動，就像波浪一樣。這推動腦脊液在腦室周圍和大腦和脊髓周圍的膜之間的空間中流動，稱為腦膜，在那裡它與大腦內的“組織間液”混合，以帶走有毒廢物。
由於慢波對於記憶鞏固非常重要，這連線了睡眠的兩個不同功能。“這項研究令人興奮之處在於，它結合了人們通常認為不相關的大腦功能特徵，”內德加德說。劉易斯說，事情不一定非得這樣，但這可能代表了自然界效率的一個例子。“這關係到自然界沒有在高層和低層之間劃分任務，就像你如何經營一家公司一樣，在那裡你有一個老闆做決定，清潔人員進來，”內德加德說。“在生物學中，每個人都在貢獻力量，因為這更有意義。”
這些發現對神經退行性疾病具有重要意義，這些疾病可能是由大腦中有毒蛋白質的積累引起的，例如阿爾茨海默病中的β-澱粉樣蛋白。之前的研究表明，β-澱粉樣蛋白在睡眠期間可以更有效地清除，而在患者中睡眠常常受到干擾。慢波睡眠的紊亂也經常伴隨衰老，這可能與認知能力下降有關。“我們知道阿爾茨海默病患者的慢波較少，所以我們可能會發現他們的腦脊液波也較少，”劉易斯說。“我們現在必須在老年人和患者群體中進行這些研究，以瞭解這可能對這些疾病意味著什麼。”睡眠障礙也是許多精神疾病的特徵，從抑鬱症到精神分裂症。“不同的睡眠電訊號特徵在不同的精神疾病中受到破壞，”她說。“因此，在多種疾病中跟進這一點將非常有趣。”
該團隊已經討論了調節大腦活動的可能性，以試圖確定電振盪是否真的引起了他們在腦脊液流動中觀察到的變化。“如果能找到合適的合作者並在小鼠身上進行一項研究，我們在其中操縱神經活動，然後觀察下游後果，那將是太棒了，”劉易斯說。“我們也在考慮安全且無創地操縱人類神經振盪的方法。”可能可以使用電磁刺激來影響腦電波，以此作為治療腦部疾病的方法。研究人員已經在小鼠身上看到了這種方法的令人鼓舞的結果，而這些發現可能有助於解釋原因。
另一個潛在的應用可能來自評估腦脊液流量的變化是否可以作為某些疾病的診斷標誌物。“它為我們提供了大量有趣的新生物學知識去探索和理解，因為似乎大腦在睡眠期間所做的事情以令人驚訝的方式相互關聯，”劉易斯說。“也許最重要的結論是睡眠是一件嚴肅的事情，”內德加德說。“你真的需要睡覺來保持大腦健康，因為它將電活動與實用的家務功能聯絡起來。”