自從人類開始進化之后的每一個夜晚,，我們可能都在犯著一個危險的錯誤。盡管人類曾經(jīng)一度面臨被大型食肉動物吃掉的威脅,，而且尋找食物,、積累財富或者繁衍后代等需要大量時間，但我們總是不會忘了睡覺,。
長時間以來,，科學家一直在猜測為何人類將生命中1/3的時間用于睡眠，但始終沒有具體的數(shù)據(jù)支持特定理論?，F(xiàn)在,，新的證據(jù)證明了一個長期的假說：睡眠期間，大腦會進行自我清理,。
大多數(shù)生理學家認為,，睡眠有著許多不同目的，從記憶鞏固到代謝系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié),。像呼吸、進食等生理功能的“核心”目的很容易理解,，但是,，科學家從未就睡眠的原始目的達成一致。美國紐約羅切斯特大學的Maiken Nedergaard和同事們進行的新研究,，為波士頓哈佛醫(yī)學院睡眠研究員Charles Czeisler提供了“首個分子層面的直接實驗數(shù)據(jù)”,，可以用來了解睡眠的基本目的：清理大腦中的有毒代謝產(chǎn)物。
賓夕法尼亞大學睡眠研究人員David Dinges認為,，10月17日發(fā)表在《科學》雜志上的這項新研究“符合一個長期存在的觀點：睡眠的作用是修復,，一些東西被還原或者清除”。該研究建立在Nedergaard最近的發(fā)現(xiàn)的基礎上,。去年夏天,，Nedergaard在《科學—轉(zhuǎn)化醫(yī)學》雜志中描述了一個微觀的、充滿液體的通道網(wǎng)絡可以清除大腦毒素,，就像淋巴系統(tǒng)從身體其他部位清除代謝廢物一樣,。不過，該網(wǎng)絡并不攜帶淋巴,，而是運輸含有廢物的腦脊液（CSF）,。Nedergaard將其命名為“類淋巴系統(tǒng)”，在該系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)之前，人們所知道的大腦處理細胞垃圾的唯一方式是在細胞內(nèi)部分解和回收利用,。
在最初的研究中,，Nedergaard的團隊發(fā)現(xiàn)，大腦的非神經(jīng)細胞——神經(jīng)膠質(zhì)控制著CSF通過其細胞膜中的通道流動,。“如果我們?nèi)サ羯窠?jīng)膠質(zhì)細胞中的通道,，流動會停止。”Nedergaard說,。
由于運輸液體通過細胞膜需要大量能量,，Nedergaard及其團隊預測，大腦并不能同時完成清理和處理感覺信息的工作,，于是他們決定測試睡眠期間類淋巴系統(tǒng)的活動是否會改變,。該研究的第一作者Lulu Xie在接下來的兩年中訓練小鼠放松和睡眠，并在雙光子顯微鏡（可以使染色物質(zhì)通過活組織的運動成像）下觀察,。
Xie會觀察小鼠的腦活動,，一旦發(fā)現(xiàn)其進入睡眠狀態(tài)，她便將綠色染料通過小鼠頸部一個像導管的設備注入到CSF中,。半小時后,，她通過觸摸小鼠尾部使其清醒，并注入紅色染料,，雙光子顯微鏡可以很容易地辨別這兩種染料,。Nedergaard稱，通過追蹤整個大腦中的紅色和綠色染料,，其團隊發(fā)現(xiàn)在睡眠期間,，大量CSF流入大腦，但是在清醒狀態(tài)時卻不會,。
對小鼠清醒和睡眠時神經(jīng)細胞間空隙大小的對比發(fā)現(xiàn),，睡眠時運載CSF的神經(jīng)膠質(zhì)細胞通道會擴張60%。研究團隊還將作標記的β淀粉樣蛋白注入到睡眠小鼠和清醒小鼠的大腦中,，進而發(fā)現(xiàn)睡眠期間,，CSF會很快地將這些“垃圾”清除到細胞外兩次——“就像一個洗碗工”，Nedergaard這樣形容,。她說,，這些蛋白質(zhì)可以在細胞內(nèi)聚合為致病性斑塊，而且與阿爾茨海默氏癥相關,。
Nedergaard指出,，很多神經(jīng)疾病——從阿爾茨海默氏癥到中風和癡呆——都與睡眠障礙有關。研究表明,，睡眠不足會使毒素累積,，導致大腦損傷,，這也是原因之一。“這可能會引起那些在夜間工作的輪班工作者的討論,，”Nedergaard預測道,，“如果你不能保證睡眠，大腦可能會受到損傷,。”
然而,，一個未知的問題是清除廢物的需要是否會積極地調(diào)節(jié)睡眠——也就是說，代謝副產(chǎn)物的形成是否會使我們感到困意,。研究人員還希望知道在睡眠期間,，充滿液體的通道如何改變形狀，以及清除廢物是否真的能改善神經(jīng)功能,。
其他研究人員也不確定清理功能是否為睡眠唯一的核心功能,。英國薩里大學的睡眠科學家Derk-Jan Dijk稱，在睡眠的功能中,，沒有一個可以主導其他所有,。“睡眠可能有很多功能。”他說,，就像周末可以用來購物,、社交和打掃房子一樣。
不過,，Czeisler表示,，由于Nedergaard和她的同事已經(jīng)確定了小鼠會在夜間清理大腦，科學家可以繼續(xù)研究是否所有物種都是如此,，及其程度如何,。“人們可以想象，不同物種的睡眠功能會進行不同方式的進化,，以適應不同習性。不過研究會讓我們了解,，不同物種的睡眠功能是否相同,。”（生物谷Bioon.com）
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Science DOI: 10.1126/science.1241224
Sleep Drives Metabolite Clearance from the Adult Brain
Lulu Xie1，*,， Hongyi Kang1,，*， Qiwu Xu1,， Michael J. Chen1,， Yonghong Liao1， Meenakshisundaram Thiyagarajan1,， John O’Donnell1,， Daniel J. Christensen1,， Charles Nicholson2， Jeffrey J. Iliff1,， Takahiro Takano1,， Rashid Deane1， Maiken Nedergaard1
The conservation of sleep across all animal species suggests that sleep serves a vital function. We here report that sleep has a critical function in ensuring metabolic homeostasis. Using real-time assessments of tetramethylammonium diffusion and two-photon imaging in live mice,， we show that natural sleep or anesthesia are associated with a 60% increase in the interstitial space,， resulting in a striking increase in convective exchange of cerebrospinal fluid with interstitial fluid. In turn， convective fluxes of interstitial fluid increased the rate of β-amyloid clearance during sleep. Thus,， the restorative function of sleep may be a consequence of the enhanced removal of potentially neurotoxic waste products that accumulate in the awake central nervous system.
