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《自然》最新论文:脑袋“进水”很重要!?
发布时间:2024-07-12     作者:   来源:科普中国   分享到:

近年来,睡眠研究领域存在一种“类淋巴系统清洗假说”,备受业内关注。它指的是人体在进入睡眠状态后,淋巴液会涌进大脑,将白天累积的“有毒物质”一同带出,这就相当于大脑完成了一次“清洗”。为了进一步确认睡眠与类淋巴系统清洗有毒物质之间的关系,在近期发表于《自然-神经科学》(Nature Neuroscience)的论文中,科学家们通过实验分析,认为我们过去对睡觉“排毒”的推断是有偏差的。

那么,睡眠对大脑的影响是什么?人类如何“清洗”大脑“细胞废物”呢?我们一起来看看。

我们的脑袋“进水”了?

人们常用“你脑袋进水啦!”比喻某些人脑子愚笨或者反应出错,然而现实中,我们的脑袋里正因为充满了“水”,才能很好地运转。有研究表明,人脑中有150ml 的“水”,相当于一小杯啤酒的体积。为什么人脑中有“水”呢,不应该是血液吗?其实,人脑中的“水”叫作“脑脊液”,是一种无色透明的液体,人的大脑悬浮浸泡在脑脊液中。

血液之所以不能和大脑直接接触,是因为血液无法给大脑提供养分和氧气,在血管和大脑之间有一道血脑屏障,保证了人脑这个人体司令部和外界隔绝开来,只有脑脊液可以在人脑中流动,它从脑室流向中脑导水管,供大脑正常工作,既能确保大脑不轻易受到外界有毒物质的入侵,也限制了体外一些激素对大脑的影响。

而脑室和中脑导水管其实可以看作是脑中的“洞”和“坑”。脑中一共有四个大“洞”,分别是第一、二、三、四脑室,这些脑室中充满了“水”。而人脑中又有个类似下水道的“坑”,是中脑导水管,脑脊液就是通过这个“坑”流出大脑的。


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大脑中的血脑屏障,脑室和脑脊液流向示意图。图片来源:参考文献[1]

为什么要“换水”?

人脑中的脑脊液一直在流动,也在不停地更换。有研究称,人脑一天24小时需要更换4次脑脊液。那么,大脑为什么需要“换水”呢?难道大脑的“水”中养鱼了吗?不错,大脑中的“鱼”就是我们的脑细胞,它们虽然不会像真鱼一样游来游去,但会排泄“废物”,没多久脑脊液里就会充满代谢而出的有毒物质。

大脑进化了一种类淋巴系统,这种类淋巴系统主要由脑中的胶质细胞负责,叫作胶质淋巴系统。这相当于给人脑这个“大鱼缸”装上了过滤器,不停地给大脑“换水”。正是因为这种胶质淋巴系统对脑脊液的更换清洗,人类的大脑才能保持清醒。

大脑虽然只占人体重量的2%,也就三斤左右,还没有一个西瓜重,却要消耗人体20%的能量,可谓是个“耗能大户”。大量的消耗工作会产生很多有毒物质,比如活性氧、免疫球蛋白、蛋白质片段等。更为可怕的是 β-淀粉样蛋白的沉积,这是一种与阿尔茨海默病相关的蛋白质。这些蛋白质的沉积和老年痴呆症的发生有着千丝万缕的关系。

可是年轻人经常熬夜,大脑却没受损?研究发现,虽然年轻人的大脑活力可以从短期的睡眠不足中迅速恢复,但慢性、长期的失眠和睡眠紊乱会给大脑的新陈代谢带来强烈的应激压力,这会导致与警觉和正常皮层功能有关的关键神经元发生变性,与衰老和神经变性相关的蛋白质不断积累,从而让熬夜的人更容易患上老年痴呆症。

也有研究表明,老年人脑脊液的更换率只有年轻人的10%,也就是说,年轻人如果经常熬夜的话,就相当于老年人大脑了。


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先进成像技术显示,大脑在睡眠状态时脑脊液的流动速率升高。图片来源:参考文献[2]

什么时候“换水”?

大脑“换水”经常发生在我们睡觉的时候,就像马路清扫车和垃圾车一样,一般都在清晨、傍晚,甚至凌晨工作。同样的,大脑清洗系统晚上开启,白天关闭,“换水”成了我们睡觉时的一种特殊功能。

不过,关于大脑经常在晚上“换水”的理论研究,科学界还没有定论。这不,最近他们又“吵”起来了。在之前的一项研究中,科研人员对小鼠实施麻醉后,将微小的荧光示踪剂注入小鼠脑脊液,示踪剂迅速进入大脑,并沿着特定的、可预测的路径从脑中排出。当小鼠入睡后,脑脊液便更自由地流动,甚至到达脑部更深的部位,而处于清醒状态时,脑脊液只能沿着大脑表面流动,流量仅为睡眠状态的5%。

在对小鼠进行了一系列研究后,团队发现,当小鼠的大脑处于睡眠或麻醉状态时,就忙于清除清醒状态时累积的代谢“垃圾”。研究显示,睡眠状态下小鼠大脑清除代谢“垃圾”的速度可达清醒状态的2倍。这个结果好像首次证明了大脑睡觉“换水”的假说。

然而,“打脸”的结果也相继而来。一篇在2024年5月13日发表在《自然-神经科学》(Nature Neuroscience)的简讯,通过直接测定清醒、睡眠、麻醉状态下小鼠大脑对代谢物的清除速率,发现大脑在睡眠和麻醉状态下,对物质的清除速率会显著降低。这一结果和之前的研究结果截然相反,还暗示了过度睡眠会使大脑运转失常。这对“睡眠的核心功能是清除脑中毒素”这一传统观念,提出了挑战。

当然,科学上的争论常而有之,关于睡眠“换水”速率高低的问题,有待定论。但不管是晚上“换水”还是白天“换水”,胶质淋巴系统对大脑杂质的清理工作不容忽视。


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清醒状态和睡眠状态大脑各项参数的不同,比如睡眠时大脑温度下降两度,脑电波变平缓。图片来源:参考文献[3]

好好睡觉很重要

总之,不论大脑是否在晚上“换水”,睡眠的重要性不言而喻。举个例子,海豚和鲸鱼会让大脑两个半球交替睡觉,确保他们既能睡个好觉,也能一边睡觉一边游泳。

我们生命中有至少三分之一的时间在睡觉,可想而知睡眠的重要程度。那么,睡眠有哪些功能呢?除了上述提到的,睡眠可以帮助大脑清理细胞代谢物,还可以强化人体免疫功能,帮助我们进行记忆加工和存储等。然而,现代社会很多人都存在“睡眠障碍”现象。

研究显示,长期睡眠不足会导致躯体不适,还可能诱发精神恍惚的问题,甚至出现精神幻觉,严重的会有引发死亡的风险。

既然睡眠这么重要,怎么改善睡眠状况呢?我们可以采取适当运动、规律饮食的方式保证睡眠。很多人睡眠不好是因为运动不足导致的胃动力不足,一到晚上就容易发生反胃、胃灼热的情况,这就影响了睡眠质量。太阳东升西落,一年四季更替,睡眠也是生物节律的一部分,这些规律性变化都在影响着生物体。遵循生物节律,养成良好的睡眠习惯,对我们的身体百利无害。

好好睡一觉,大脑才能更健康。希望我们每个人都拥有一个健康的体魄。


参考文献

[1]Neurochem Res. 2015 December ; 40(12): 2583–2599. doi:10.1007/s11064-015-1581-6.

[2]Science. 2013 Oct 18;342(6156):373-7. doi: 10.1126/science.1241224. PMID: 24136970; PMCID: PMC3880190.

[3]Science,374,556-559(2021).DOI:10.1126/science.abi8372


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