Nature | 在睡眠中，神经元有助于将大脑中的废物排出

睡眠中有一个悖论。它表面上的宁静与大脑的繁忙并存。夜晚是静止的，但大脑远非休眠。在睡眠中，脑细胞会产生阵发性电脉冲，这些电脉冲累积成有节奏的电波——这是脑细胞功能增强的标志。但是为什么我们在休息时大脑会活跃呢？

缓慢的脑电波与安稳、清爽的睡眠有关。如今，在一项新的研究中，来自美国华盛顿大学圣路易斯医学院的研究人员发现，在睡眠时脑电波有助于将废物排出大脑。单个神经细胞协调产生有节奏的电波，推动液体通过致密的脑组织，在此过程中冲洗脑组织。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Neuronal dynamics direct cerebrospinal fluid perfusion and brain clearance”。

论文第一作者兼论文共同通讯作者、华盛顿大学圣路易斯医学院病理学与免疫学系博士后副研究员Li-Feng Jiang-Xie博士解释说，“这些神经元是微型泵。同步的神经活动推动液体流动，清除大脑中的碎片。如果我们能利用这一过程，就有可能延缓甚至预防包括阿尔茨海默病和帕金森病在内的神经系统疾病。”

脑细胞协调思想、情感和身体运动，并形成对记忆形成和问题解决至关重要的动态网络。但要完成这些需要能量的任务，脑细胞需要燃料。它们从饮食中摄取的营养物会在这一过程中产生代谢废物。

论文共同通讯作者、华盛顿大学圣路易斯医学院病理学与免疫学教授Jonathan Kipnis博士说，“大脑处理代谢废物至关重要，因为代谢废物会堆积起来，导致神经退行性疾病。我们知道，睡眠时大脑会启动一个清洁过程，冲洗掉清醒时积累的废物和有毒物质。但我们不知道这是如何发生的。这些发现或许能为我们指明加快清除破坏性废物的策略和潜在疗法，并在其导致可怕后果之前将其清除。”

但是，清洁致密的大脑并不是一项简单的任务。大脑周围的脑脊液进入并穿梭于错综复杂的细胞网络中，在流动过程中收集有毒废物。在流出大脑时，受污染的脑脊液必须先通过一道屏障，然后再流入硬脑膜（dura mater）的淋巴管，其中硬脑膜是包裹在头骨下大脑的外层组织。是什么促使液体进入、通过和流出大脑呢？

这些作者在研究熟睡小鼠的大脑时发现，神经元通过以协调的方式发射电信号，在大脑中产生有节奏的波来驱动清洁工作。他们确定，这种电波推动了这种液体运动。

这些作者让特定的大脑区域发生沉默，使这些区域中的神经元不再产生有节奏的电波。如果没有这些电波，新鲜脑脊液就无法流经被沉默的大脑区域，滞留的废物也无法离开脑组织。

Kipnis说，“我们睡觉的原因之一是为了清洁大脑。如果我们能加强这一净化过程，也许就能减少睡眠时间并保持健康。并非每个人都能享受每晚八小时的睡眠，睡眠不足会影响健康。其他研究已表明，天生睡眠较少的小鼠大脑健康。这可能是因为它们能更有效地清除大脑中的废物吗？我们是否可以通过增强大脑的清洁能力来帮助失眠症患者，让他们可以少睡一些时间？”

脑电波模式在整个睡眠周期中都会发生变化。值得注意的是，振幅较大的高脑电波能以更大的力量移动液体。这些作者如今有兴趣了解为什么神经元在睡眠时会发出不同节奏的脑电波，以及大脑的哪些区域最容易堆积废物。

Jiang-Xie解释道，“我们认为大脑的清洁过程类似于洗碗。例如，你开始时会做一个大而缓慢、有节奏的擦拭动作，以清洁溅在盘子上的可溶性废物。然后，你会减小动作幅度，加快动作速度，以清除盘子上特别粘稠的食物残渣。尽管你手部动作的幅度和节奏各不相同，但总体目标仍然是一致的：清除盘子里不同类型的垃圾。也许大脑会根据垃圾的类型和数量来调整清洁方法。”

参考资料：

Li-Feng Jiang-Xie et al. Neuronal dynamics direct cerebrospinal fluid perfusion and brain clearance. Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07108-6.

Neurons help flush waste out of brain during sleep
https://medicine.wustl.edu/news/neurons-help-flush-waste-out-of-brain-during-sleep/