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科學家開始認識到:睡眠可能有益大腦健康。透過組織液的流動,可以沖走神經元周圍的蛋白質和廢物的有害堆積。

當你進入深度睡眠時,閉眼皮後面會開始活動周期。首先,緩慢的電波通過大腦脈衝,幾秒後大腦內的血液量下降,腦脊液流動方向反轉,向上移動通過大腦下部和中心腔。該模式在非 REM 睡眠期間約每分鐘重複三次,這是不會作夢的眼睛靜止階段。

在最近的一項研究中,研究人員首次觀察了這三種現象的統一序列,並發現它們之間的因果關係。他們發現睡眠是如何通過驅動幾年前未知的「管道系統」的元素來保護大腦的安寧。新發現的機制可能作為新療法的基礎,能夠防止阿茲海默症和其他疾病患者的認知衰退,加深我們對睡眠生理動力學的理解。

波士頓大學生物醫學工程助理教授、這項研究的作者Laura Lewis表示睡眠是一個相當超現實的現象。每一天我們都進入一種意識狀態的改變,在認知和生理的許多方面發生巨大和同時變化。然而,我們也不能沒有睡眠,被剝奪睡眠的動物通常會死亡,甚至睡眠不足也與認知能力下降有關。

多年來,科學家們一直懷疑睡眠紊亂造成的危害與大腦中廢物或毒素的累積過度有關。研究指出睡眠對清除廢物很重要,但具體細節仍未知。2012年,羅切斯特大學醫學中心的神經科學家Maiken Nedergaard的實驗室進行了研究,確定了大腦的廢物清除途徑,即淋巴系統。這是一組由大腦的膠質細胞形成的細通道,可以在大腦中流動。問題是,似乎沒有任何合理的機制將睡眠的神經癥狀與淋巴系統,甚至與腦脊液(CSF)的運動連結起來。「我們只是不知道產生了什麼變化,或者發生了什麼」Lewis說。然而動物實驗確實顯示,睡眠腦電波活動與流經大腦的液體之間有一些關聯。在睡眠中的人類大腦尋找,似乎能得到一些答案。

波士頓大學生物醫學工程研究助理、這項研究的第一作者Nina Fultz說,研究人員窺探了自然睡眠週期,希望同時測量腦電波、血氧和CSF運動。他們在13名受試者的頭皮貼上電極,並把它們放在MRI機器上。他們合作者在Martinos生物醫學成像中心制定了新的大腦成像方法:一個加速的MRI過程,以秒拍攝多張照片,並檢測液體的湧入。而掃描後發現,這些區域有著非常明亮的顯示。

耶魯大學麻醉學教授Helene Benveniste說,該測量結果揭示了令人驚訝的模式。它證明週期的要素是即時對應的,一個緊接著一個。但這只是一種相關性,研究人員希望證明週期的每個部分都會導致下一個週期。

受試者睡覺時,科學家使用MRI技術觀察他們大腦中流體運動的迴圈模式。在這段影片中,紅色表示含氧血流豐富,而藍色表示腦脊液流入。結果顯示當血液流出大腦,反應了較低的神經活動時,腦脊液會衝進來填補可用空間。

為此,他們建立了一個基於大腦中既定動力學的模型。例如,大腦的電波活動會改變血液流動的模式,因為高活性神經元需要更多的氧氣和能量。在科學家的模型中,神經元的慢波部分導致大腦部分的血液流量減少。但是隨著組織中血液量的減少,推測CSF會通過淋巴系統流入補償。該模型與它們觀察到的時間精確匹配,足以表明因果關係。

目前還不清楚這種在大腦大空間(第三和第四腦室)內流動的模式是否延伸到大腦的其他部分。早期的動物研究沒有關注腦室,而是研究液體如何通過腦組織內較小的空間擴散,並清除那裡的廢物。但波士頓大學醫學院研究神經退行性疾病的精神病學和神經學教授Jeffrey Iliff說,波士頓小組的結果可能反映了非常相似的流體動力學。

羅切斯特大學機械工程助理教授Jeffrey Tithof表示:「很多細節問題還沒有解決,但這是向前邁進的一大步。」他的團隊是研究淋巴系統,最近一些未發表的發現也符合人類成像中看到的血液、CSF交替。這項研究缺乏關於CSF清除大腦廢物更詳細的資訊,但即使是這種有限的機制輪廓,也可以促進對認知疾病的理解。

科學家觀察到睡眠和阿爾茨海默氏症之間的關係:睡眠中止往往先於疾病發生,而這又可能進一步擾亂睡眠。這種聯繫背後的生物學是未知的,但合理的解釋是通過改變大腦的血流,與睡眠相關的電子訊號會觸發CSF波,洗去神經元周圍的有毒澱粉樣斑塊。任何干擾睡眠的東西都可能導致斑塊積聚,進而導致阿茲海默症。Iliff說:「我認為這研究令人興奮是因為它提供了可能的解釋,可能真的符合事實,但還需要進一步測試。」

Lewis的團隊正準備研究大腦疾病的動態項目。而最近對年輕、健康大腦的觀察,還是為睡眠功能的演變圖增添了序列的細節。幾個世紀以來,我們一直在了解睡眠相關的問題,Iliff表示:「這是每個人都非常關心的事,但它也是相當神秘的。我們對睡眠的理解和經驗,對於我們是誰、我們的日常起居至關重要。」

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參考資料:

Elena Renken. (2019, December 16). Sleeping Brain Waves Draw a Healthy Bath for Neurons. Quanta Magazine. https://www.quantamagazine.org/sleeping-brain-waves-draw-a-healthy-bath-for-neurons-20191216/

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