新研究揭示睡眠如何清除大腦「垃圾」

【2024年04月16日訊】(記者林達編譯報導)如果說每個人都知道至少應該睡足八小時,並且能給出多種理由,那麼這些理由現在又多了一個。在睡眠期間,神經元仍然保持活躍。我們可能沒有意識到,但大腦利用這個充電期來清除在醒著的時候積累的「垃圾」。而清理大腦「垃圾」,或可解決老年痴呆問題。

睡眠就像電腦的軟重啓。我們知道緩慢的腦波與有效的睡眠有關,位於聖路易斯的華盛頓大學(WUSTL)醫學院的研究人員現在已經找到了原因。當人清醒時,神經元需要能量來完成複雜的任務,例如解決各種問題和記憶各種信息。人體中的營養物質被利用並提供能量後會留下殘渣。當人睡覺時,神經元利用一些有節奏的波動幫助腦脊液穿過腦組織,並排出代謝廢物。

換句話說,神經元需要清除垃圾,以免垃圾堆積並可能導致神經退行性疾病。 WUSTL研究小組在2月28日發表於《自然》(Nature)雜誌上的一項研究中解釋道,「神經元是大腦清理工作的終極組織者。」

內置垃圾處理器

人類的大腦(以及其它高級生物的大腦)在其功能組織中擁有數十億個神經元,這些神經元受到血腦屏障(blood-brain barrier)的保護。

這些神經元所做的一切都會產生代謝廢物,以蛋白質碎片的形式呈現。其它研究發現這些碎片可能導致阿茲海默症(Alzheimer’s)等神經退行性疾病。

大腦必須以某種方式處理垃圾,而通常是利用膠狀淋巴系統(glymphatic system)來處理的,該系統攜帶腦脊液,通過血管附近的通道將碎片從大腦中移出。然而,現在的問題是:究竟是什麼驅動膠狀淋巴系統做到這一點,以及是如何做到這一點的? WUSTL團隊想要找出答案。

為了解是什麼讓膠狀淋巴系統傾倒垃圾,科學家們對小鼠進行了實驗,將探針插入其大腦,並在神經元之間的空隙中植入電極。然後用氯胺酮麻醉小鼠以誘導睡眠。

小鼠入睡後,神經元會發出強烈的電流。雖然麻醉下的腦電波大多又長又慢,但在腦脊液中誘發了相應的電流波。然後,液體會流過硬腦膜(大腦和頭骨之間的外層組織),並帶走垃圾。

只需沖洗即可

科學家們想要確定神經元確實是推動膠狀淋巴系統發揮作用的力量,為此,需對一些小鼠的大腦進行基因改造,使其在睡眠時幾乎沒有任何神經元活動(不過尚未達到腦死亡的程度),同時讓其餘小鼠保持不變以進行對比。

在這些基因改造的小鼠中,沒有檢測到之前看到的長而緩慢的腦電波。結果是,液體不再被推動,也就不能將代謝廢物帶出大腦。這說明,神經元必須處於活動狀態才能讓大腦的自我清潔循環過程發揮作用。

此外,研究小組還發現,未經基因改造的小鼠腦電波活動存在消漲,其中速度稍快的腦電波,被認為是針對難以清除的碎片。這就像洗盤子時,需要稍微用力擦洗有特別頑固殘留物的地方。

研究人員還找出了為什麼之前的實驗產生的結果不同。由於攜帶廢物的腦脊液的沖洗在很大程度上依賴於神經元的活動,因此實驗所使用的麻醉劑的類型很重要,那些抑制神經元活動的麻醉劑會干擾實驗結果。其它早期的實驗效果不佳,則是因為將監測硬件植入腦組織的方法較陳舊且更具侵入性,這對研究對象造成了傷害,也擾亂了神經元活動。

研究小組在同一項研究中表示:「我們在這裡使用的實驗方法很大程度上避免了對大腦實質的急性損傷,從而為進一步研究神經動力學和大腦清理提供了有價值的研究策略。」

現在我們知道神經元可以啓動膠狀淋巴系統,更多的注意力可以集中在這個過程的複雜性上。獲得更多有關代謝廢物的積累和清理的信息或有助於了解神經退行性疾病。這是不是入們睡前應該考慮一下的事情?◇#

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