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大脑如何在睡眠中清洗自己
科学家发现，血管的规律性收缩推动了睡眠中脑脊液的清洗循环，并揭示了安眠药对这一机制的潜在影响。
科学家们认为，睡眠就像是大脑的冲洗过程，当我们醒着时积累的化学废物通过液体循环被清除。然而，这种循环的驱动力一直是个谜。发表在《Cell》的一项小鼠研究表明，大脑中血管的规律性收缩推动了这种液体流动，而这种收缩由一种与肾上腺素类似的化学物质的周期性释放所刺激。
Vanderbilt大学的神经科学家Suzana Herculano-Houzel表示，“这是一项卓越的科学研究。他们将多项证据整合成了一个非常有说服力的故事。”
研究还发现，常用的安眠药Zolpidem(商品名Ambien)会阻碍血管的这种振荡和由此引发的液体流动，可能会影响大脑的清理功能。这一发现或能推动研究者开发新的睡眠辅助药物，同时保留脑清洗的功能。
大脑缺乏身体其他部位的淋巴管系统，但2012年，罗切斯特大学医学中心的神经科学家Maiken Nedergaard及其团队发现了一种替代的排水系统。脑脊液通过血管周围的微小通道渗入大脑，清除代谢废物和其他不需要的分子。他们还发现，这一“类淋巴系统”的液体流动在睡眠期间显著增加。进一步研究显示，清除功能的活跃与阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病相关的循环功能障碍之间可能存在关联。然而，这一理论部分受到了质疑，比如2024年的一项研究表明，清除废物的速度在清醒时可能比睡眠时更快。
在新研究中，Nedergaard团队试图弄清推动脑脊液流动的关键因素。他们在研究小鼠类淋巴系统时，避免使用麻醉以模仿自然睡眠状态。通过在小鼠体内植入电极和光纤，他们能够在小鼠正常入睡的情况下，实时追踪其脑血流量、电活动和化学水平，并通过光激活特定神经元群体。
此前研究表明，神经递质去甲肾上腺素(与肾上腺素化学性质接近)在小鼠大脑中的水平每隔约50秒节律性波动，从而促使血管收缩。Nedergaard团队发现，在小鼠非快速眼动(non-REM)睡眠阶段，这种波动与脑血流量变化同步，延迟时间不到半秒。而在清醒或快速眼动(REM)睡眠阶段，这种关联性不明显。
通过向小鼠体内注射荧光分子追踪脑脊液流动，研究者发现液体流量在非快速眼动睡眠阶段与去甲肾上腺素的波动密切相关。进一步实验中，他们通过刺激小鼠大脑中负责生成这种神经递质的区域，将波动频率从每50秒加快至每10秒，发现标记的脑脊液能够更深地渗透到靠近生成区域的脑部区域。
由于大脑被头骨包裹，血管的收缩与放松构成了一种泵动机制，推动脑脊液的循环。Nedergaard解释道，当去甲肾上腺素脉冲导致血管收缩时，脑脊液流入填补空隙；而血管放松时，又将脑脊液进一步推动。
Nedergaard指出，去甲肾上腺素可能并非唯一因素，但它“可能是非快速眼动睡眠中类淋巴流动的最重要驱动因素”。近期研究表明，人类在睡眠期间与小鼠类似，也会出现去甲肾上腺素释放和血管脉动的节律性波动，这表明人类大脑可能具有相同的泵动机制。
麻省理工学院的神经科学家Laura Lewis称，这一发现是“对这一过程调控神经回路的首次深入洞察”，具有重要意义。
研究还探讨了Zolpidem对这一机制的潜在影响。此前研究显示，该药物可能改变睡眠期间的脑活动及睡眠阶段的长度，因此Nedergaard团队测试了其对小鼠的影响。结果显示，该药物减弱了去甲肾上腺素的波动，并减少了脑脊液在大脑中的渗透深度。
虽然Zolpidem被广泛用作安眠药，但Nedergaard、Herculano-Houzel和Lewis均认为，这一研究不应让人停止使用该药物。Lewis建议，“应该优先在人类研究中验证这些副作用是否存在。”