几乎每个人都经历过这种情况：一夜睡眠不佳后，你会感到精神不振。大脑可能变得迟钝，当你本应集中注意力时，思绪却开始飘忽。
麻省理工学院（MIT）的一项新研究揭示了注意力短暂丧失时大脑内部发生的变化。科学家发现，在这些注意力涣散的瞬间，一股脑脊液（CSF）会流出大脑——这种现象通常发生在睡眠期间，有助于清除白天积累的废物。这种冲洗过程被认为是维持健康且正常运作大脑的必要条件。
当一个人睡眠不足时，身体似乎会通过启动脑脊液脉冲流动来尝试弥补这种清洁过程。然而，这会导致注意力显著受损。
劳拉·刘易斯（Athinoula A. Martinos冠名电气工程与计算机科学教授、MIT医学工程与科学研究所及电子研究实验室成员、皮考尔学习与记忆研究所副研究员）表示："当你缺乏睡眠时，脑脊液波动会开始侵入清醒状态——这种现象在正常情况下是不会出现的。然而，这会带来注意力的权衡，在脑脊液波动发生的瞬间，注意力就会丧失。"
刘易斯是本研究的资深作者，该研究今日发表于《自然神经科学》期刊。MIT博士后研究员杨子农（Zinong Yang）为论文第一作者。
大脑清洁机制
尽管睡眠是一项关键的生物过程，但其确切重要性尚未完全明确。睡眠似乎对维持警觉性至关重要，已有充分证据表明睡眠剥夺会导致注意力及其他认知功能受损。
睡眠期间，包裹大脑的脑脊液有助于清除白天积累的废物。在2019年的一项研究中，刘易斯及其同事发现睡眠期间的脑脊液流动在大脑内外呈节律性模式，且这些流动与睡眠期间的脑电波变化相关联。
这一发现促使刘易斯思考睡眠剥夺后脑脊液流动可能发生的变化。为探索这一问题，她和同事们招募了26名志愿者进行两次测试——一次在实验室经历一夜睡眠剥夺后，另一次在充分休息状态下进行。次日早晨，研究人员在参与者执行常用睡眠剥夺评估任务时，监测了多种大脑与身体功能指标。
在任务过程中，每位参与者佩戴可记录脑电波的脑电图（EEG）帽，同时处于功能性磁共振成像（fMRI）扫描仪中。研究人员使用改良版fMRI技术，不仅测量大脑血氧水平，还能监测脑脊液进出大脑的流动情况。此外，他们还测量了每位受试者的心率、呼吸频率和瞳孔直径。
参与者在fMRI扫描仪中完成两项注意力任务，分别为视觉和听觉任务。在视觉任务中，他们需注视带有固定十字的屏幕，当十字随机变为正方形时按下按钮。在听觉任务中，他们则通过听到提示音代替视觉变化进行响应。
正如预期，睡眠剥夺的参与者在这些任务中的表现远差于充分休息的参与者。他们的反应时间更慢，部分刺激甚至未能被察觉。
在这些短暂的注意力涣散瞬间，研究人员同时识别出多种生理变化。最重要的是，他们发现注意力涣散发生时，脑脊液正从大脑流出。每次注意力涣散后，脑脊液重新流回大脑。
"研究结果表明，当注意力丧失时，这种液体实际上正被排出大脑。而当注意力恢复时，它又会被吸回。"
劳拉·刘易斯，麻省理工学院电气工程与计算机科学教授
研究人员假设，当大脑处于睡眠剥夺状态时，它会开始补偿睡眠期间通常发生的清洁过程损失，尽管这些脑脊液脉冲流动会带来注意力丧失的代价。
杨子农表示："可以这样理解这些现象：由于大脑极度需要睡眠，它会竭力进入类似睡眠的状态以恢复部分认知功能。你的大脑液体系统正尝试通过推动大脑在高注意力与高流量状态间交替来恢复功能。"
统一调控回路
研究人员还发现，注意力涣散与其他多种生理事件相关联，包括呼吸和心率降低以及瞳孔收缩。他们发现瞳孔收缩在脑脊液流出大脑前约12秒开始，并在注意力涣散后再次扩张。
刘易斯指出："有趣的是，这似乎不仅是大脑中的现象，而是一种全身性事件。这表明这些系统之间存在紧密协调，当你的注意力丧失时，你可能在感知和心理上感受到它，但这同时也反映了整个大脑和身体正在发生的事件。"
据研究人员称，这些不同事件之间的紧密联系可能表明存在一个单一回路，同时控制注意力和液体流动、心率及觉醒等身体功能。
刘易斯表示："这些结果向我们表明，存在一个统一的回路，既调控我们通常认为的大脑高级功能——我们的注意力、感知和回应世界的能力，也调控脑脊液动力学、全脑血流和血管收缩等基础生理过程。"
本研究中，研究人员未探究可能控制这种切换的回路，但他们指出一个有力候选者是去甲肾上腺素能系统。近期研究表明，该系统通过神经递质去甲肾上腺素调节多种认知和身体功能，在正常睡眠期间会发生振荡。
本研究由美国国立卫生研究院、国家国防科学与工程研究生研究奖学金、NAWA奖学金、McKnight学者奖、Sloan奖学金、Pew生物医学学者奖、One Mind新星奖以及衰老大脑可塑性Simons合作项目资助。
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