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爱干净的大脑:利用睡眠开启“自洁”模式

中科院青促会 戴辑(中科院深圳先进技术研究院)

评述论文:Coupled electrophysiological, hemodynamic, and cerebrospinal fluid oscillations in human sleep (Science 1 November 2019: Vol 366, Issue 6465)

人一生约有三分之一时间在睡觉,这是因为睡眠对于大脑维持正常的认知功能,以及保持身体处于健康状态,至关重要。人的睡眠可分为不同的阶段,通过脑电(EEG)记录可以反映出来不同的睡眠状态。

其中,人在进入非快速眼动睡眠(NREM)期的深度睡眠之后的脑电信号是一种低频的慢波。在过去的研究中,科学家们已经发现,慢波睡眠(小于4 Hz的Delta波段),即通常所说的深睡眠状态,有助于记忆的加工和巩固。

其次,深睡眠还可以清除有害的代谢产物。这些有害的代谢产物来自于大脑不断的运作,如果不及时清除而放任其累积的话就会增加患脑疾病的风险,例如β淀粉样蛋白的堆积是阿尔茨海默症的显著标志。深睡眠时大脑的组织间隙液容量和流速都会增加,从而加速把代谢废物清除进脑脊液。

再次,科学家们通过功能性磁共振(fMRI)研究大脑中血液氧含量的变化发现,在NREM睡眠期,大脑还存在广泛的血流动力学改变。那么为什么以上这些生理过程都发生在深睡眠状态呢?它们之间是否存在某种关联?

图1: NREM睡眠状态和清醒状态的脑电信号(C)以及脑脊液信号变化(E)

图1: NREM睡眠状态和清醒状态的脑电信号(C)以及脑脊液信号变化(E)

Fultz等人利用加速的神经成像技术同时测量了人类被试在NREM睡眠时的BOLD动态变化、脑电(EEG)、脑脊液(CSF)流动性信号(图1、2)。他们发现这三者之前存在很强的耦合关系。

具体来说,NREM睡眠的慢波信号之后会跟着一组耦合的BOLD信号和脑脊液流动性信号的震荡(图3)。这个耦合过程具有非常强的生理意义。首先,脑脊液通过震荡可以加速废弃物的混合和扩散;其次,脑脊液在脑组织中的震荡需要大脑对应腾出相应的空间,而血流在对应时刻产生流量的反向增减正好可以腾出所需的空间。两者的耦合配合无间地最优化了大脑冲洗代谢废物的效率,而脑电的慢波震荡则标志着深睡眠状态,触发了血液和脑脊液的耦合震荡。

该项研究揭示了睡眠的神经生理学研究中缺失的关键一环,即睡眠时神经、血管、脑脊液是如何通过耦合来增加清除率的。给我们的提示就是要“睡好”,即增加深睡无梦的慢波睡眠,避免零散、碎片化的睡眠,方可有效地清除大脑垃圾,减少患脑疾病(如阿尔茨海默症)的风险。后续仍然需要考虑通过动物实验来研究神经震荡和生理节律之间的相互关系。

图2: 清醒和睡眠期的血氧信号和脑脊液流动信号

图2: 清醒和睡眠期的血氧信号和脑脊液流动信号

图3: 脑电慢波信号、血氧信号、脑脊液流动性信号在时程上的关系

图3: 脑电慢波信号、血氧信号、脑脊液流动性信号在时程上的关系

  • 述评人简介:戴辑
  • 副研究员,博士生导师。
  • 中国科学院深圳先进技术研究院,脑认知与脑疾病研究所。主要从事非人灵长类脑认知功能及脑疾病机理研究。

参考文献:

1. Diekelmann S1, Born J. The memory function of sleep. Nat Rev Neurosci. 11(2): 114-26 (2010).

2. L. Xie et al., Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science 342, 373–377 (2013)

图文来源: ScienceAAAS

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