睡着时为何大脑依然活跃？Nature论文揭示神经元在睡眠期间清除大脑废物

原创 生物世界

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

所有已知的动物都会都会睡眠或表现出某种形式的睡眠行为，对于人类而言，我们有将近三分之一的时间是在睡眠中度过。睡眠不仅仅帮助我们解除疲劳，它还对大脑健康和功能至关重要，其促进了多种生理过程，包括神经元活动的稳态调节、突触强度和代谢废物的清除。

睡眠存在着一个悖论——它表面上的宁静与大脑的繁忙活动并存。看似静止的睡眠过程中，大脑远非休眠状态。在睡眠期间，脑细胞产生电脉冲的爆发，累积成有节奏的电波，这是脑细胞功能增强的迹象。

但是，为什么我们休息时大脑却仍然活跃着？

2024年2月28日，圣路易斯华盛顿大学 Jonathan Kipnis、Li-Feng Jiang-Xie 等人在 Nature 期刊发表了题为：Neuronal dynamics direct cerebrospinal fluid perfusion and brain clearance 的研究论文。

这项最新研究显示，神经元在睡眠时帮助清除大脑中的废物，该研究证明了大脑神经网络能够同步单个神经细胞的动作电位，从而在脑组织间液中产生大幅度、有节奏和自延续的离子波，推动脑脊液通过密集的脑组织，在这个过程中“清洗”脑组织。该研究也为宏观脑电波的功能引入了新的理论框架。

论文第一作者兼共同通讯作者 Li-Feng Jiang-Xie 博士表示，这些神经元就像微型泵，同步的神经活动为脑内的液体流动和碎片清除提供动力，以这些发现为基础，我们可能延缓甚至预防神经系统疾病，包括阿尔茨海默病和帕金森病，这些疾病中过多的废物，例如代谢废物和垃圾蛋白质，会在脑内积累并导致神经退行。

脑细胞协调思维、情感和身体运动，形成动态网络，对于记忆形成和解决问题至关重要。但要完成这些高能量任务，脑细胞需要燃料。它们从饮食中摄入营养物质，在这个过程中产生代谢废物。

大脑对这些代谢废物的处理至关重要，因为这些代谢废物如果处理不当，就可能会累积并导致神经退行性疾病的发生。我们知道，睡眠是大脑启动清理过程的时间，以“冲走”清醒时间里积累的废物和毒素。然而，我们还不清楚这究竟是如何发生的，对于大脑如何进行自我清洁仍然知之甚少。

因此，我们如果能够解析大脑自我清洁的过程，就能帮助我们进一步开发潜在疗法以加快大脑对废物的清除，防止其产生严重后果。

要想清洁密集的大脑组织并非易事，大脑周围的脑脊液进入并穿过错综复杂的细胞网，在流动过程中收集有毒废物。在离开大脑时，这些携带了废物的液体必须通过一个屏障，才能进入硬脑膜的淋巴管中——硬脑膜是颅骨下包裹大脑的外层组织。但是是什么推动液体进入、穿过和离开大脑的运动呢？

研究团队通过研究睡眠小鼠的大脑，发现神经元通过协调地发出电信号来驱动清洁工作，从而在大脑中产生节律波，研究团队进一步确定了这些波推动了液体的运动。研究团队沉默了特定的大脑区域，以便这些区域的神经元无法产生节律波。没有这些波，新鲜的脑脊液无法流过沉默的大脑区域，被困的废物也无法离开大脑组织。

睡眠期间神经元泵的同步化驱动组织液中的高能离子波，从而增强脑脊液灌注

我们之所以需要睡觉，其中一个原因就是清洁大脑，如果我们能增强这个清洁过程，也许我们可以少睡一点儿并仍然保持健康。并不是每个人都能享受每晚八小时的睡眠，睡眠不足会对健康产生影响。其他研究表明，遗传上睡眠较少的小鼠也可以拥有健康的大脑。这是否是因为它们能够更有效地清理大脑中的废物？我们是否可以通过增强大脑的清洁能力来帮助失眠患者，使他们能够在更少的睡眠下健康生活？

脑电波模式在睡眠周期中不断变化。值得注意的是，振幅更大的高脑电波以更大的力量移动流体。研究团队现在对理解为什么神经元在睡眠期间以不同的节奏发射波，以及大脑的哪些区域最容易积聚废物感兴趣。 Li-Feng Jiang-Xie 博士表示，我们认为大脑的清洁过程类似于洗盘子，就像你一开始用大的、缓慢的、有节奏的擦拭动作来清洁溅在盘子上的可溶性废物。然后你减少动作范围，并增加动作速度，以去除盘子上特别粘的食物废物。尽管手部运动的振幅和节奏各不相同，但首要目标是一致的：从盘子上去除不同类型的废物。也许大脑同样会根据废物的类型和数量调整其清洁方法。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07108-6

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