自從人類(lèi)開(kāi)始進(jìn)化之后的每一個(gè)夜晚,，我們可能都在犯著一個(gè)危險(xiǎn)的錯(cuò)誤,。盡管人類(lèi)曾經(jīng)一度面臨被大型食肉動(dòng)物吃掉的威脅,，而且尋找食物、積累財(cái)富或者繁衍后代等需要大量時(shí)間,，但我們總是不會(huì)忘了睡覺(jué),。
長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，科學(xué)家一直在猜測(cè)為何人類(lèi)將生命中1/3的時(shí)間用于睡眠,，但始終沒(méi)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(gè)長(zhǎng)期的假說(shuō)：睡眠期間,，大腦會(huì)進(jìn)行自我清理,。
大多數(shù)生理學(xué)家認(rèn)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(jìn)食等生理功能的“核心”目的很容易理解,，但是,，科學(xué)家從未就睡眠的原始目的達(dá)成一致。美國(guó)紐約羅切斯特大學(xué)的Maiken Nedergaard和同事們進(jìn)行的新研究,，為波士頓哈佛醫(yī)學(xué)院睡眠研究員Charles Czeisler提供了“首個(gè)分子層面的直接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)”,，可以用來(lái)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(xué)睡眠研究人員David Dinges認(rèn)為,，10月17日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的這項(xiàng)新研究“符合一個(gè)長(zhǎng)期存在的觀點(diǎn)：睡眠的作用是修復(fù),，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(chǔ)上,。去年夏天,，Nedergaard在《科學(xué)—轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》雜志中描述了一個(gè)微觀的、充滿(mǎn)液體的通道網(wǎng)絡(luò)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(guò)，該網(wǎng)絡(luò)并不攜帶淋巴,，而是運(yùn)輸含有廢物的腦脊液（CSF）,。Nedergaard將其命名為“類(lèi)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(xì)胞垃圾的唯一方式是在細(xì)胞內(nèi)部分解和回收利用,。
在最初的研究中，Nedergaard的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),，大腦的非神經(jīng)細(xì)胞——神經(jīng)膠質(zhì)控制著CSF通過(guò)其細(xì)胞膜中的通道流動(dòng),。“如果我們?nèi)サ羯窠?jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中的通道,，流動(dòng)會(huì)停止。”Nedergaard說(shuō),。
由于運(yùn)輸液體通過(guò)細(xì)胞膜需要大量能量,，Nedergaard及其團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)，大腦并不能同時(shí)完成清理和處理感覺(jué)信息的工作,，于是他們決定測(cè)試睡眠期間類(lèi)淋巴系統(tǒng)的活動(dòng)是否會(huì)改變,。該研究的第一作者Lulu Xie在接下來(lái)的兩年中訓(xùn)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(guò)活組織的運(yùn)動(dòng)成像）下觀察,。
Xie會(huì)觀察小鼠的腦活動(dòng),，一旦發(fā)現(xiàn)其進(jìn)入睡眠狀態(tài)，她便將綠色染料通過(guò)小鼠頸部一個(gè)像導(dǎo)管的設(shè)備注入到CSF中,。半小時(shí)后,，她通過(guò)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(chēng),，通過(guò)追蹤整個(gè)大腦中的紅色和綠色染料,，其團(tuán)隊(duì)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(shí)卻不會(huì),。
對(duì)小鼠清醒和睡眠時(shí)神經(jīng)細(xì)胞間空隙大小的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，睡眠時(shí)運(yùn)載CSF的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞通道會(huì)擴(kuò)張60%,。研究團(tuán)隊(duì)還將作標(biāo)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(jìn)而發(fā)現(xiàn)睡眠期間，CSF會(huì)很快地將這些“垃圾”清除到細(xì)胞外兩次——“就像一個(gè)洗碗工”,，Nedergaard這樣形容,。她說(shuō)，這些蛋白質(zhì)可以在細(xì)胞內(nèi)聚合為致病性斑塊,，而且與阿爾茨海默氏癥相關(guān),。
Nedergaard指出，很多神經(jīng)疾病——從阿爾茨海默氏癥到中風(fēng)和癡呆——都與睡眠障礙有關(guān),。研究表明,，睡眠不足會(huì)使毒素累積，導(dǎo)致大腦損傷,，這也是原因之一,。“這可能會(huì)引起那些在夜間工作的輪班工作者的討論，”Nedergaard預(yù)測(cè)道,，“如果你不能保證睡眠,，大腦可能會(huì)受到損傷,。”
然而，一個(gè)未知的問(wèn)題是清除廢物的需要是否會(huì)積極地調(diào)節(jié)睡眠——也就是說(shuō),，代謝副產(chǎn)物的形成是否會(huì)使我們感到困意,。研究人員還希望知道在睡眠期間，充滿(mǎn)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(guó)薩里大學(xué)的睡眠科學(xué)家Derk-Jan Dijk稱(chēng),，在睡眠的功能中,，沒(méi)有一個(gè)可以主導(dǎo)其他所有。“睡眠可能有很多功能,。”他說(shuō),，就像周末可以用來(lái)購(gòu)物、社交和打掃房子一樣,。
不過(guò),，Czeisler表示，由于Nedergaard和她的同事已經(jīng)確定了小鼠會(huì)在夜間清理大腦,，科學(xué)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(huì)進(jìn)行不同方式的進(jìn)化,，以適應(yīng)不同習(xí)性。不過(guò)研究會(huì)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.
