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愛干凈的大腦:利用睡眠開啟“自潔”模式

中科院青促會 戴輯(中科院深圳先進技術研究院)

評述論文:Coupled electrophysiological, hemodynamic, and cerebrospinal fluid oscillations in human sleep (Science 1 November 2019: Vol 366, Issue 6465)

人一生約有三分之一時間在睡覺,這是因為睡眠對于大腦維持正常的認知功能,以及保持身體處于健康狀態,至關重要。人的睡眠可分為不同的階段,通過腦電(EEG)記錄可以反映出來不同的睡眠狀態。

其中,人在進入非快速眼動睡眠(NREM)期的深度睡眠之后的腦電信號是一種低頻的慢波。在過去的研究中,科學家們已經發現,慢波睡眠(小于4 Hz的Delta波段),即通常所說的深睡眠狀態,有助于記憶的加工和鞏固。

其次,深睡眠還可以清除有害的代謝產物。這些有害的代謝產物來自于大腦不斷的運作,如果不及時清除而放任其累積的話就會增加患腦疾病的風險,例如β淀粉樣蛋白的堆積是阿爾茨海默癥的顯著標志。深睡眠時大腦的組織間隙液容量和流速都會增加,從而加速把代謝廢物清除進腦脊液。

再次,科學家們通過功能性磁共振(fMRI)研究大腦中血液氧含量的變化發現,在NREM睡眠期,大腦還存在廣泛的血流動力學改變。那么為什么以上這些生理過程都發生在深睡眠狀態呢?它們之間是否存在某種關聯?

圖1: NREM睡眠狀態和清醒狀態的腦電信號(C)以及腦脊液信號變化(E)

圖1: NREM睡眠狀態和清醒狀態的腦電信號(C)以及腦脊液信號變化(E)

Fultz等人利用加速的神經成像技術同時測量了人類被試在NREM睡眠時的BOLD動態變化、腦電(EEG)、腦脊液(CSF)流動性信號(圖1、2)。他們發現這三者之前存在很強的耦合關系。

具體來說,NREM睡眠的慢波信號之后會跟著一組耦合的BOLD信號和腦脊液流動性信號的震蕩(圖3)。這個耦合過程具有非常強的生理意義。首先,腦脊液通過震蕩可以加速廢棄物的混合和擴散;其次,腦脊液在腦組織中的震蕩需要大腦對應騰出相應的空間,而血流在對應時刻產生流量的反向增減正好可以騰出所需的空間。兩者的耦合配合無間地最優化了大腦沖洗代謝廢物的效率,而腦電的慢波震蕩則標志著深睡眠狀態,觸發了血液和腦脊液的耦合震蕩。

該項研究揭示了睡眠的神經生理學研究中缺失的關鍵一環,即睡眠時神經、血管、腦脊液是如何通過耦合來增加清除率的。給我們的提示就是要“睡好”,即增加深睡無夢的慢波睡眠,避免零散、碎片化的睡眠,方可有效地清除大腦垃圾,減少患腦疾病(如阿爾茨海默癥)的風險。后續仍然需要考慮通過動物實驗來研究神經震蕩和生理節律之間的相互關系。

圖2: 清醒和睡眠期的血氧信號和腦脊液流動信號

圖2: 清醒和睡眠期的血氧信號和腦脊液流動信號

圖3: 腦電慢波信號、血氧信號、腦脊液流動性信號在時程上的關系

圖3: 腦電慢波信號、血氧信號、腦脊液流動性信號在時程上的關系

  • 述評人簡介:戴輯
  • 副研究員,博士生導師。
  • 中國科學院深圳先進技術研究院,腦認知與腦疾病研究所。主要從事非人靈長類腦認知功能及腦疾病機理研究。

參考文獻:

1. Diekelmann S1, Born J. The memory function of sleep. Nat Rev Neurosci. 11(2): 114-26 (2010).

2. L. Xie et al., Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science 342, 373–377 (2013)

圖文來源: ScienceAAAS

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