睡眠对认知和大脑健康的恢复性或破坏性影响一直是生物学中一个持久的谜团。研究人员认为脑脊液 (CSF) 可能会冲洗掉有毒废物，从而“清洁”大脑，研究表明，在睡眠期间垃圾清除率大大提高。然而，科学家们不确定这一切究竟是如何运作的，或者为什么在睡眠期间应该如此增强。
对睡眠的一个充分理解的方面是，表征深度非快速眼动睡眠的缓慢电振荡（或“慢波”）如何促进记忆巩固，即将新记忆转移到长期存储的过程。波士顿大学神经科学家劳拉·刘易斯领导的团队在 2019 年的一项研究中，深入了解了驱动脑脊液流经大脑的因素，表明协调记忆巩固的相同慢波也驱动着大脑中血流和脑脊液的振荡。
这项工作对理解睡眠障碍与精神和神经退行性疾病之间的关系具有重要意义，甚至可能为诊断和治疗提供新方法。“我们发现只有在睡眠期间才会出现在大脑中的真正大的脑脊液波，”刘易斯说。“这种影响非常引人注目，我们也有兴趣了解它对维持大脑健康意味着什么，尤其是在阿尔茨海默病等疾病中。”
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在该研究中，该研究发表在《科学》杂志上，该团队着手调查睡眠期间脑脊液流动动力学如何变化，以及这种变化可能与脑血流和电活动的变化有何关系。“我们知道睡眠对大脑健康非常重要，废物清除可能是其中的一个关键原因。不太清楚的是：为什么这在睡眠期间会发生变化？”刘易斯说。“这引导我们询问脑脊液中发生了什么。”
研究人员使用脑电图 (EEG) 监测 13 名健康成年人睡眠期间的脑电波，同时还使用尖端的“加速”功能性磁共振成像技术来捕捉比标准 fMRI 更快的变化。这使他们能够测量血氧变化（表明血液流向电活动活跃、需氧量大的区域）和脑脊液流量。后者之所以成为可能，仅仅是因为这种方法的一个缺陷，这意味着任何新到达的液体（不仅仅是含氧血液）都会在图像中亮起。“我们意识到我们可以利用这一点来同时测量脑脊液流量和血氧饱和度，”刘易斯说。“这至关重要，因为事实证明，这些事物以我们从未见过的方式相互耦合，如果我们没有同时测量血液、脑脊液和电活动的话。”
该团队发现，在非快速眼动睡眠中看到的慢波与血流和脑脊液的变化同步发生。仅仅因为事物同时发生并不一定意味着一个导致另一个，但该团队还构建了一个计算机模型，其中纳入了有关连接这些过程的物理学信息，该模型预测慢波会对血液和脑脊液产生此类影响。似乎正在发生的事情是，随着大脑活动改变血流，大脑中的血液量减少，并且由于大脑是一个封闭的容器，脑脊液流入以填充空间。“这非常令人信服，”罗切斯特大学的神经学家麦肯·内德加德说，他没有参与这项研究。“这也真的很有道理：电活动驱动血流变化，然后驱动脑脊液变化。”
图片来源：梅萨·舒马赫
该团队测量了这种脑脊液流入第四脑室，第四脑室是参与产生脑脊液（通过过滤血浆）并使其在大脑周围循环的四个充满液体的腔室之一。由于脑脊液通常从第四脑室流出，这表明存在“搏动性”流动，就像波浪一样。这推动脑脊液在脑室周围和大脑和脊髓周围的膜之间的空间中流动，称为脑膜，在那里它与大脑内的“组织间液”混合，以带走有毒废物。
由于慢波对于记忆巩固非常重要，这连接了睡眠的两个不同功能。“这项研究令人兴奋之处在于，它结合了人们通常认为不相关的大脑功能特征，”内德加德说。刘易斯说，事情不一定非得这样，但这可能代表了自然界效率的一个例子。“这关系到自然界没有在高层和低层之间划分任务，就像你如何经营一家公司一样，在那里你有一个老板做决定，清洁人员进来，”内德加德说。“在生物学中，每个人都在贡献力量，因为这更有意义。”
这些发现对神经退行性疾病具有重要意义，这些疾病可能是由大脑中有毒蛋白质的积累引起的，例如阿尔茨海默病中的β-淀粉样蛋白。之前的研究表明，β-淀粉样蛋白在睡眠期间可以更有效地清除，而在患者中睡眠常常受到干扰。慢波睡眠的紊乱也经常伴随衰老，这可能与认知能力下降有关。“我们知道阿尔茨海默病患者的慢波较少，所以我们可能会发现他们的脑脊液波也较少，”刘易斯说。“我们现在必须在老年人和患者群体中进行这些研究，以了解这可能对这些疾病意味着什么。”睡眠障碍也是许多精神疾病的特征，从抑郁症到精神分裂症。“不同的睡眠电信号特征在不同的精神疾病中受到破坏，”她说。“因此，在多种疾病中跟进这一点将非常有趣。”
该团队已经讨论了调节大脑活动的可能性，以试图确定电振荡是否真的引起了他们在脑脊液流动中观察到的变化。“如果能找到合适的合作者并在小鼠身上进行一项研究，我们在其中操纵神经活动，然后观察下游后果，那将是太棒了，”刘易斯说。“我们也在考虑安全且无创地操纵人类神经振荡的方法。”可能可以使用电磁刺激来影响脑电波，以此作为治疗脑部疾病的方法。研究人员已经在小鼠身上看到了这种方法的令人鼓舞的结果，而这些发现可能有助于解释原因。
另一个潜在的应用可能来自评估脑脊液流量的变化是否可以作为某些疾病的诊断标志物。“它为我们提供了大量有趣的新生物学知识去探索和理解，因为似乎大脑在睡眠期间所做的事情以令人惊讶的方式相互关联，”刘易斯说。“也许最重要的结论是睡眠是一件严肃的事情，”内德加德说。“你真的需要睡觉来保持大脑健康，因为它将电活动与实用的家务功能联系起来。”