清理大脑废物是睡眠的基本功能——或能预防痴呆
神经科学家兼工程师劳拉·刘易斯（Laura Lewis）指着监控屏幕说："你们能看到那个小光点正在进来。"
一个异常明亮的脉动光点出现在我们面前的屏幕上。我们正在实时观察一名叫尼克的研究生在麻省理工学院刘易斯实验室的成像机器中午睡时的大脑活动。
这个明亮的光点首先出现在屏幕底部，大约是尼克喉咙与下颌交界处。它缓慢向上移动，逐渐消失后又出现另一个亮点。"它确实来了又走，"刘易斯解释道，"是波浪式的。"这个移动的光点展示了一种鲜有人见过的现象：新鲜的脑脊液从脊髓流向大脑，这是研究人员新近发现的维持健康重要过程的一部分。
脑部清洁系统的发现
四十年来，生物学家一直困惑于一个基本问题。人类大脑在白天活跃思考时会产生废物——过量的蛋白质和其他可能有毒的分子。其中就包括导致阿尔茨海默病的β-淀粉样蛋白和tau蛋白。直到最近，人们还不清楚大脑如何清除这些潜在的神经毒性垃圾。
在身体其他部位，垃圾清除主要由淋巴系统完成。多余的液体和携带的废物从组织进入脾脏、淋巴结等系统进行过滤。长期以来认为大脑无法使用相同机制，因为血脑屏障会阻止大多数物质进出。
2012年，罗切斯特大学神经科学家梅肯·内德加德（Maiken Nedergaard）领导的团队做出了关键发现：一个未知的循环系统正在冲刷大脑中的毒素。他们发现脑脊液（CSF）通过"血管周围"空间清洗小鼠大脑，这些是环绕血管的环形隧道。脑星形胶质细胞表面的水通道使脑脊液与细胞周围间隙中的间质液混合，收集堆积的废物。然后液体通过静脉周围的血管周围空间离开大脑，带走垃圾。
内德加德将这一发现命名为胶淋巴系统——"g"代表胶质细胞（星形胶质细胞是其中一种），"淋巴"指代废物清除功能。次年他们发表重要发现：这种清理在睡眠期间最为活跃高效。"清醒状态显然会抑制它，"内德加德说，"这表明新发现的大脑清洗过程是睡眠的关键功能之一。"
人类研究的突破
尽管这些研究具有突破性，但都是在小鼠中进行。小鼠大脑更小且结构简单，睡眠也更碎片化。这导致胶淋巴系统假说曾备受质疑。圣路易斯华盛顿大学医学院的神经免疫学家乔纳森·基普尼斯（Jonathan Kipnis）说："十年前，这种脑部流动理论几乎被视为异端。"
刘易斯和同事在过去十年进行了关键研究。他们发现睡眠期间的大脑电波不仅帮助记忆处理，还有另一个重要功能：推动脑脊液进出大脑。
华盛顿大学医学院的杰弗里·伊里夫（Jeffrey Iliff）教授指出："如果废物清除是人类睡眠的基本功能，那么该系统的功能障碍可能与许多神经和精神疾病有关，包括阿尔茨海默病。"
睡眠与废物清除的关联
奥斯陆大学医院的神经外科医生佩尔·克里斯蒂安·艾德（Per Kristian Eide）进行了关键研究。他们给参与者注射示踪剂，发现未睡眠组的示踪剂清除速度明显减慢。更值得注意的是，即使随后获得良好睡眠，示踪剂清除速度仍未恢复，"你无法通过良好的睡眠来补偿"艾德说。
后续研究显示，慢性睡眠障碍者的示踪剂清除延迟，痴呆患者的额叶、颞叶和顶叶脑区体积缩小。艾德认为慢性睡眠障碍与胶淋巴功能障碍并存。
脑脊液流动机制
刘易斯团队在2019年首次用MRI观察到人类睡眠期间的脑脊液流动。他们发现脑脊液每20-30秒出现巨大缓慢的波动，且在非快速眼动睡眠阶段最为明显。脑电图数据显示，慢波睡眠和中间睡眠期的δ波、θ波似乎推动脑脊液脉冲。
"清醒时也有流动但效果较差，"刘易斯说，"差别就像洗衣机从轻微晃动切换到全速旋转。"
驱动清洁的力量
去甲肾上腺素（noradrenaline）是关键驱动因素。清醒时该物质激增，收缩血管。小鼠研究显示，非快速眼动睡眠期间较低水平的去甲肾上腺素释放使血管脉动幅度达清醒时的10倍，推动脑脊液流动。
2024年基普尼斯团队发现，最终是神经元提供清洁所需的能量。华盛顿大学的蒋礼凤（Li-Feng Jiang-Xie）指出："神经元就像微型泵，同步电活动能推动脑脊液流动。"
临床应用前景
目前多个实验室正在研发非侵入性"胶淋巴图"技术。刘易斯团队发现80岁志愿者中有人脑脊液流动呈现年轻化特征，"她的脑脊液流动看起来像年轻人"，这揭示了健康老龄化的可能。
未来可能通过增强废物清除延缓阿尔茨海默病发展。非药物策略如声音刺激也正在实验中，研究生乔舒亚·莱维特（Joshua Levitt）尝试用白噪音增强慢波活动，进而影响脑脊液流动。
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