Science:研究表明睡眠时清除大脑中废物的系统最活跃

人为什么要睡觉？自古希腊以来，这个问题一直让哲学家和科学家着迷。从实际的角度来看，睡眠是一个令人费解的生物状态，特别是从果蝇到露脊鲸，几乎每一个动物物种都多少有睡眠的状态。但是，这个睡眠期有显着的缺点，睡着了似乎就失去了对周围环境的警觉，尤其对于食肉动物而言。如果睡眠不执行重要的生物学功能，那么其也许是进化中的最大错误之一。

虽然最近一些科学调查结果显示，睡眠可以帮助存储和巩固记忆，这些好处似乎在比重上不大于随附的漏洞，如此导致科学家推测睡眠—觉醒的周期一定具有一个更重要的基本功能。

清除废物最活跃期

“一宿好的睡眠质量有助于头脑更清楚”，这句古老格言的含义被新的科学发现刷新。

据物理学家组织网、英国广播公司10月17日报道，美国罗切斯特大学医学中心（URMC）一项研究表明，人们在睡觉时，清除大脑中废物的系统最活跃。这个启示可能改变科学家对睡眠生物目的的理解，指向治疗神经系统疾病的新方式。该研究结果发表在10月17日的《科学》杂志上。

该论文主要作者、罗切斯特大学医学中心主任聂德卡·尼德瓜德说：“这项研究表明，大脑在睡着和清醒的时候，有着不同的功能状态。事实上，恢复性睡眠的本质似乎是积极清除觉醒时所积累的神经活动副产品的结果。”

该研究揭示了大脑独特的清除废物的方式，在睡眠过程中，高效活跃的类淋巴系统（the glymphatic system）负责清除阿尔茨海默氏症和其他神经系统疾病的毒素。此外，研究人员发现，在睡眠时脑细胞按比例缩减，以允许更有效地去除废物。

看来大脑可能是个凌乱的场所，所幸的是，它有一套良好的“环卫”管道系统。尼德瓜德说：“这些发现对治疗脑部疾病，如老年痴呆症有着显着影响。准确认识如何及何时激活大脑类淋巴系统清除废物，是努力调节这个系统，使其更有效工作的首要关键步骤。”

脑中独特净化系统

在此项研究中，研究人员发现，与广为人知的身体淋巴系统相比，人体的第二套净化系统——大脑净化系统的清洁速度更快。

该系统对大脑而言是具有独一无二清除废物功能的系统，其负责处理身体其余部分的细胞废物处置，而淋巴系统没有延伸到大脑。这是因为大脑维护着它自己封闭的“生态系统”，由一个复杂系统分子网关即血—脑屏障，紧密控制进入和退出大脑的物质。

在身体的大部分区域，由血管构成的网络都携带着淋巴液，其可以清除多余的血浆、死亡血细胞、各种碎屑及其他的身体垃圾。但是大脑却不同，它浸没在脑脊髓液（CSF）中。几十年来，神经系统科学家一直认为这种脑脊髓液只是单纯地携带可溶性脑部垃圾，慢慢地扩散至各组织，再将其携带的“货物”带出神经系统并最终汇入身体血液中。但他们测定不出这些脑脊髓液到底都在进行着什么活动，而这种情况现在发生了改变。

大脑清除废物的过程长期逃避了科学家的视线，一个简单的事实是观察它只能在活的大脑中进行，在新的成像技术即双光子显微镜出现之前，几乎是不可能的。通过使用这些技术，研究人员能够观察显着类似人类大脑的鼠脑，发现脑部类淋巴系统相当于一个管道系统依附大脑血管，通过大脑的组织泵送脑脊髓液，冲洗废物进入循环系统，最终顺着血液总循环系统到肝脏。

以往，研究人员认为脑脊髓液在脑部垃圾清理方面的功能是单程的，只是单纯地将携带垃圾颗粒的流体从脑部送入身体。然而，现在他们发现，这是一个再循环系统，将近40%的流体会重新回到脑部。

垃圾为啥须睡时“倒”

在睡眠过程中，类淋巴系统可能会更活跃的隐含线索之一是，事实上在熟睡时大脑消耗的能量没有大幅减少。研究人员推测，因为脑脊髓液需要很多的能量，当我们清醒状态积极处理信息时，清除的过程可能与大脑必须执行的功能不能兼容。

由于未加抑制积累的有毒蛋白质，如β-淀粉样蛋白可导致阿尔茨海默氏症（老年痴呆症），所以从大脑及时移除这些废物是非常必要的。事实上，几乎所有的神经退行性疾病都与细胞废物的积累有关。通过一系列的老鼠实验，研究人员观察到在睡眠时，类淋巴系统明显要活跃10倍，沉睡的大脑会去除更多的β-淀粉样蛋白。

尼德瓜德说：“大脑只有用有限的能量‘倒’垃圾，似乎必须在是清醒有意识时抑或睡着时清理这两种不同的功能状态中选择。我们可以把它想像成在举办一个家庭聚会，你可以招待客人，或收拾屋子，但你不能真正同时进行。”

另一个惊人的发现是，睡眠期间大脑中的细胞“缩水”了60％。这种收缩给细胞之间创造了更多的空间，允许脑脊髓液更自由地通过大脑组织清洗废物。相反，处于清醒状态时，大脑的细胞紧密地联系在一起，限制了脑脊髓液的流量。

研究人员发现，在睡眠中一种叫做去甲肾上腺素的激素不太活跃。当大脑需要变得警觉，通常对恐惧或其他外部刺激反应时，这个神经递质将被释放。研究人员推测，去甲肾上腺素可作为“主调节器”控制大脑的细胞在睡眠—觉醒周期的收缩和扩张。

由此可见，睡眠是生物进化过程中一个最不可或缺的基本功能。而对于现代社会的人们来说，无论生活节奏多快，该睡则睡，切不可错过每天保养大脑的最佳时期。

原文检索：

Xie L, Kang H, Xu Q, Chen MJ, Liao Y, Thiyagarajan M, O'Donnell J, Christensen DJ, Nicholson C, Iliff JJ, Takano T, Deane R, Nedergaard M.Sleep drives metabolite clearance from the adult brain.Science. 2013 Oct 18;342(6156):373-7. doi: 10.1126/science.1241224.