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《自然》最新論文:腦袋“進水”很重要???

發(fā)布時間:2024-07-11 17:20:24 來源:科普中國 字號: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

近年來,睡眠研究領(lǐng)域存在一種“類淋巴系統(tǒng)清洗假說”,備受業(yè)內(nèi)關(guān)注。它指的是人體在進入睡眠狀態(tài)后,淋巴液會涌進大腦,將白天累積的“有毒物質(zhì)”一同帶出,這就相當(dāng)于大腦完成了一次“清洗”。為了進一步確認睡眠與類淋巴系統(tǒng)清洗有毒物質(zhì)之間的關(guān)系,在近期發(fā)表于《自然-神經(jīng)科學(xué)》(Nature Neuroscience)的論文中,科學(xué)家們通過實驗分析,認為我們過去對睡覺“排毒”的推斷是有偏差的。

那么,睡眠對大腦的影響是什么?人類如何“清洗”大腦“細胞廢物”呢?我們一起來看看。

我們的腦袋“進水”了?

人們常用“你腦袋進水啦!”比喻某些人腦子愚笨或者反應(yīng)出錯,然而現(xiàn)實中,我們的腦袋里正因為充滿了“水”,才能很好地運轉(zhuǎn)。有研究表明,人腦中有150ml 的“水”,相當(dāng)于一小杯啤酒的體積。為什么人腦中有“水”呢,不應(yīng)該是血液嗎?其實,人腦中的“水”叫作“腦脊液”,是一種無色透明的液體,人的大腦懸浮浸泡在腦脊液中。

血液之所以不能和大腦直接接觸,是因為血液無法給大腦提供養(yǎng)分和氧氣,在血管和大腦之間有一道血腦屏障,保證了人腦這個人體司令部和外界隔絕開來,只有腦脊液可以在人腦中流動,它從腦室流向中腦導(dǎo)水管,供大腦正常工作,既能確保大腦不輕易受到外界有毒物質(zhì)的入侵,也限制了體外一些激素對大腦的影響。

而腦室和中腦導(dǎo)水管其實可以看作是腦中的“洞”和“坑”。腦中一共有四個大“洞”,分別是第一、二、三、四腦室,這些腦室中充滿了“水”。而人腦中又有個類似下水道的“坑”,是中腦導(dǎo)水管,腦脊液就是通過這個“坑”流出大腦的。

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大腦中的血腦屏障,腦室和腦脊液流向示意圖。圖片來源:參考文獻[1]

為什么要“換水”?

人腦中的腦脊液一直在流動,也在不停地更換。有研究稱,人腦一天24小時需要更換4次腦脊液。那么,大腦為什么需要“換水”呢?難道大腦的“水”中養(yǎng)魚了嗎?不錯,大腦中的“魚”就是我們的腦細胞,它們雖然不會像真魚一樣游來游去,但會排泄“廢物”,沒多久腦脊液里就會充滿代謝而出的有毒物質(zhì)。

大腦進化了一種類淋巴系統(tǒng),這種類淋巴系統(tǒng)主要由腦中的膠質(zhì)細胞負責(zé),叫作膠質(zhì)淋巴系統(tǒng)。這相當(dāng)于給人腦這個“大魚缸”裝上了過濾器,不停地給大腦“換水”。正是因為這種膠質(zhì)淋巴系統(tǒng)對腦脊液的更換清洗,人類的大腦才能保持清醒。

大腦雖然只占人體重量的2%,也就三斤左右,還沒有一個西瓜重,卻要消耗人體20%的能量,可謂是個“耗能大戶”。大量的消耗工作會產(chǎn)生很多有毒物質(zhì),比如活性氧、免疫球蛋白、蛋白質(zhì)片段等。更為可怕的是 β-淀粉樣蛋白的沉積,這是一種與阿爾茨海默病相關(guān)的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)的沉積和老年癡呆癥的發(fā)生有著千絲萬縷的關(guān)系。

可是年輕人經(jīng)常熬夜,大腦卻沒受損?研究發(fā)現(xiàn),雖然年輕人的大腦活力可以從短期的睡眠不足中迅速恢復(fù),但慢性、長期的失眠和睡眠紊亂會給大腦的新陳代謝帶來強烈的應(yīng)激壓力,這會導(dǎo)致與警覺和正常皮層功能有關(guān)的關(guān)鍵神經(jīng)元發(fā)生變性,與衰老和神經(jīng)變性相關(guān)的蛋白質(zhì)不斷積累,從而讓熬夜的人更容易患上老年癡呆癥。

也有研究表明,老年人腦脊液的更換率只有年輕人的10%,也就是說,年輕人如果經(jīng)常熬夜的話,就相當(dāng)于老年人大腦了。

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先進成像技術(shù)顯示,大腦在睡眠狀態(tài)時腦脊液的流動速率升高。圖片來源:參考文獻[2]

什么時候“換水”?

大腦“換水”經(jīng)常發(fā)生在我們睡覺的時候,就像馬路清掃車和垃圾車一樣,一般都在清晨、傍晚,甚至凌晨工作。同樣的,大腦清洗系統(tǒng)晚上開啟,白天關(guān)閉,“換水”成了我們睡覺時的一種特殊功能。

不過,關(guān)于大腦經(jīng)常在晚上“換水”的理論研究,科學(xué)界還沒有定論。這不,最近他們又“吵”起來了。在之前的一項研究中,科研人員對小鼠實施麻醉后,將微小的熒光示蹤劑注入小鼠腦脊液,示蹤劑迅速進入大腦,并沿著特定的、可預(yù)測的路徑從腦中排出。當(dāng)小鼠入睡后,腦脊液便更自由地流動,甚至到達腦部更深的部位,而處于清醒狀態(tài)時,腦脊液只能沿著大腦表面流動,流量僅為睡眠狀態(tài)的5%。

在對小鼠進行了一系列研究后,團隊發(fā)現(xiàn),當(dāng)小鼠的大腦處于睡眠或麻醉狀態(tài)時,就忙于清除清醒狀態(tài)時累積的代謝“垃圾”。研究顯示,睡眠狀態(tài)下小鼠大腦清除代謝“垃圾”的速度可達清醒狀態(tài)的2倍。這個結(jié)果好像首次證明了大腦睡覺“換水”的假說。

然而,“打臉”的結(jié)果也相繼而來。一篇在2024年5月13日發(fā)表在《自然-神經(jīng)科學(xué)》(Nature Neuroscience)的簡訊,通過直接測定清醒、睡眠、麻醉狀態(tài)下小鼠大腦對代謝物的清除速率,發(fā)現(xiàn)大腦在睡眠和麻醉狀態(tài)下,對物質(zhì)的清除速率會顯著降低。這一結(jié)果和之前的研究結(jié)果截然相反,還暗示了過度睡眠會使大腦運轉(zhuǎn)失常。這對“睡眠的核心功能是清除腦中毒素”這一傳統(tǒng)觀念,提出了挑戰(zhàn)。

當(dāng)然,科學(xué)上的爭論常而有之,關(guān)于睡眠“換水”速率高低的問題,有待定論。但不管是晚上“換水”還是白天“換水”,膠質(zhì)淋巴系統(tǒng)對大腦雜質(zhì)的清理工作不容忽視。

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清醒狀態(tài)和睡眠狀態(tài)大腦各項參數(shù)的不同,比如睡眠時大腦溫度下降兩度,腦電波變平緩。圖片來源:參考文獻[3]

好好睡覺很重要

總之,不論大腦是否在晚上“換水”,睡眠的重要性不言而喻。舉個例子,海豚和鯨魚會讓大腦兩個半球交替睡覺,確保他們既能睡個好覺,也能一邊睡覺一邊游泳。

我們生命中有至少三分之一的時間在睡覺,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,睡眠可以幫助大腦清理細胞代謝物,還可以強化人體免疫功能,幫助我們進行記憶加工和存儲等。然而,現(xiàn)代社會很多人都存在“睡眠障礙”現(xiàn)象。

研究顯示,長期睡眠不足會導(dǎo)致軀體不適,還可能誘發(fā)精神恍惚的問題,甚至出現(xiàn)精神幻覺,嚴重的會有引發(fā)死亡的風(fēng)險。

既然睡眠這么重要,怎么改善睡眠狀況呢?我們可以采取適當(dāng)運動、規(guī)律飲食的方式保證睡眠。很多人睡眠不好是因為運動不足導(dǎo)致的胃動力不足,一到晚上就容易發(fā)生反胃、胃灼熱的情況,這就影響了睡眠質(zhì)量。太陽東升西落,一年四季更替,睡眠也是生物節(jié)律的一部分,這些規(guī)律性變化都在影響著生物體。遵循生物節(jié)律,養(yǎng)成良好的睡眠習(xí)慣,對我們的身體百利無害。

好好睡一覺,大腦才能更健康。希望我們每個人都擁有一個健康的體魄。

參考文獻

[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

策劃制作

出品丨科普中國

作者丨王飛 神經(jīng)科學(xué)博士

監(jiān)制丨中國科普博覽

責(zé)編丨董娜娜

審校丨徐來 林林

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