大脑的排污系统

　　几乎所有动物都需要依靠睡眠来维持生命活动的正常运转。因此，毫无疑问，睡眠对于高级的认知过程和大脑的基础生理过程有重要作用。一旦缺乏睡眠，人会明显出现精神涣散、工作效率低下以及反应能力下降等不良反应。
　　除了这些表面的效应，科学家也一直在探索睡眠影响大脑功能的机制。2013年《科学》上发表了一项突破性进展。当时来自美国罗彻斯特大学的神经科学家麦肯·内德尔加尔德发现大脑有一套排污系统，可以在睡觉时，通过该系统将清醒时产生的毒素蛋白排出去。
　　其中一种称作脑脊液（CSF）的关键成分，扮演着“清洗剂”的效果。脑脊液平时充斥在大脑周围以及脊髓中。在当时的实验中，研究者发现脑脊液会利用脑部血管周围的一些小通道进入大脑组织。由于这一过程受脑胶质细胞控制，并且这类细胞在大脑中执行着免疫功能相关的任务，因此他们也将这一排污系统称作脑淋巴系统。
　　在这一清洗过程，大脑会随着脑脊液排出一种有重要负面影响的蛋白——β-淀粉蛋白，这一蛋白通常被认为是阿尔茨海默病的元凶。在动物实验中，研究人员发现小鼠在睡眠和麻醉时，大脑皮层中细胞周围的空间会扩大60%，这意味着睡觉时会有更多的脑脊液进入大脑。

睡眠与排污

　　内德尔加尔德的这一发现激起了神经科学家极大的兴趣，因为在医疗诊断中，许多患有阿尔茨海默病或者痴呆的患者，都伴有睡眠紊乱的症状。这意味着睡眠、毒素蛋白的清除以及痴呆之间，已经具备了潜在的联系。
　　内德尔加尔德曾将排污系统比作洗涤剂，她认为两者的工作原理是类似的，并且这是包括人类在内的动物需要睡眠的最主要原因。只不过当时，内德尔加尔德的实验都是在小鼠中完成的，如果该过程能够在人类大脑中得到印证，那么科学家将很有可能揭开睡眠与脑部疾病之间的神秘联系，并解决困扰全球数千万人的阿尔茨海默病。
　　而在这场研究接力中，来自波士顿大学的神经科学家劳拉·刘易斯也验证了内德尔加尔德的预测。在最近发表在《科学》的研究中，刘易斯在人类的大脑中观测到了脑脊液反复清洗大脑的过程，并且她还发现这一过程和睡眠节律是同步进行的。至此，两组科学家通过跨时7年的工作，揭开了深度睡眠时脑部上演的“清洗”活动。
　　这里所说的睡眠节律是指，我们在睡眠过程中息息相关的脑电波节律，它通常与睡眠的不同阶段相关。比如睡眠过程总是快速眼动睡眠（REM）和慢波睡眠（SWS）交替进行的。REM会伴随高度活跃的脑电信号，梦境就是在REM阶段出现的；而SWS则只会伴随低活跃的慢脑电波，因此SWS也被称作深度睡眠，决定着每晚的睡眠质量。
　　当我们入睡时，通常由浅层的慢波睡眠开始，然后进入深度的慢波睡眠，最后再回到浅层慢波睡眠。睡眠过程中，大脑会多次执行这种循环，并且在每个新循环开始之前以及即将醒来时进行快速动眼睡眠。
　　在新研究开始前，刘易斯就已经观察到了大脑睡眠过程中许多同步发生的现象，比如有研究发现慢波睡眠过程中的低频脑电与记忆和神经功能相关；血氧水平依赖信号会在慢波睡眠时发生改变。前文还提到，内德尔加尔德曾发现慢波睡眠时大脑间隙中的脑脊液增多，带走毒素蛋白。

20秒一次的清洗工作

　　“这些同步发生的事件背后，一定有一些我们没有发现的联系。” 刘易斯表示。为此，刘易斯召集了13名志愿者并且实时观测了他们进入慢波睡眠时的脑脊液变化。与此同时，她在内德尔加尔德的实验基础上，还分析了脑电信号以及血氧浓度依赖信号。
　　首批结果显示，当志愿者进入深度睡眠阶段，脑脊液经特定脑区过滤后周期性地进入大脑，并且环绕整个大脑流动。脑脊液到达脑部最上侧时，会渗透进脑壁细胞的小动脉之间，充斥脑组织间隙，与其中的液体进行混合。这一过程会刺激神经调节信号，促进脑中废物和毒素的排出。
　　除了这一点，刘易斯后续还发现，脑脊液平均每20秒就会往大脑中涌进一次。在脑脊液进入大脑之前的数秒钟前，血液会迅速退出大脑，给大脑腾出更多的容量，并且还会伴随有节律的慢波脑电信号。这意味着，在我们执行慢波睡眠时，大脑就会反复上演着“清洗”工作。
　　对此，刘易斯认为这很可能是我们在熟睡时，许多神经元会处于关闭的状态，因此大脑不再需要高水平的血氧浓度，血液也开始退出局部区域。当血液流出，为了弥补下降的脑压，脑脊液正好趁此时机涌入大脑，形成液体替补并完成清洗工作。
　　而发现这一结果后，许多神经疾病的机理似乎就能够说得通了。刘易斯解释道：“慢波脑电会随着年龄增长而减弱，在患有神经性疾病的人中衰减得更加厉害。”因此，包括阿尔茨海默病在内的神经疾病患者往往都会缺乏优质的慢波睡眠，而这样会积累更多的毒素蛋白，最终病情也会变得更加严重。
　　对于正常人来说，人类在保持清醒时，呼吸、心跳和身体的其他运动也会产生脑脊液冲击。但此时，这种冲洗作用在大脑中很微弱。内德尔加尔德认为这种冲洗过程非常复杂，需要耗费不少的能量。而当我们清醒时，大脑需要调控的功能实在太多，无法抽出额外的精力来完成清洗工作。“也就是说当我们清醒时，我们的大脑会持续累积β-淀粉蛋白等毒素蛋白，” 内德尔加尔德表示，“而当人入睡时，大脑就可以将毒素排出去。这也是动物为什么需要睡眠的原因。”
　　现在，这项实验已经让科学家找到了脑脊液、腦电波和慢波睡眠之间的联系，我们也能更进一步理解睡眠这项重要活动的意义。人类在清醒与睡眠的规律交替中，是足够将毒素蛋白排出的，但这还只是科学家发现的冰山一角。“脑脊液大清洗时会带走脑中的垃圾，但它们可能还做着更加重要的事情。”刘易斯表示。