睡眠、健康和生命-2：睡眠时大脑如何清除垃圾？

良好的睡眠，可以清除白天聚集的代谢废物和垃圾。我们在睡着的时候，大脑其实还在干活，它在清除废物和垃圾。相关研究发表在《科学》杂志上，这是一个里程碑式的进展。

大家都知道，发生神经退行性变的一系列疾病包括阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化症等，这些疾病与基因相关，一般伴随着衰老发生。但是，很重要的一点是，这些疾病表现为有一系列的垃圾在大脑中沉积，包括β-淀粉样蛋白（Amyloid β-protein, Aβ）。实际上Aβ不是一个成熟的蛋白，它是折叠出现了问题，和疯牛病的一些蛋白相似。另外，还包括α-突触核蛋白、tau蛋白，它们在阿尔茨海默病患者的大脑中沉积，像疤痕一样的侵蚀着脑神经。

周围组织中也会出现细胞间隙的废物，但是它们依赖于非常丰富的淋巴系统清除废物，而大脑中没有淋巴系统，因此大脑主要依赖于循环于大脑周围的脑脊液。而这些脑脊液清理垃圾需要与脑间隙液进行交换，将间隙液中的垃圾带回脑脊液清除掉。

清醒的时候，小鼠大脑中的β-淀粉样蛋白在不断地增加。这意味着小鼠在清醒的时候会产生和堆积一系列的废物。人类也是这样。

研究方法：

－从睡到醒

先研究小鼠从睡到醒的过程，观察脑脊液和脑组织间隙液之间如何交流。首先，在小鼠睡眠时，在小鼠小脑的延髓池（脑脊液聚集的地方）中注射绿色荧光标记的葡聚糖。30分钟后把小鼠唤醒，再注射红色荧光标记的葡聚糖。

图1 

三维图像重建显示：小鼠睡眠时，脑脊液中的绿色葡聚糖漫布大脑，如图1所示，绝大部分的脑组织都被染上了绿色。30分钟后唤醒，注射红色葡聚糖，红色和绿色混合在一起变成了黄色，但黄色的范围非常局限。

研究提示我们，在小鼠睡眠时向脑脊液中注射葡聚糖，它会大面积地与脑间隙的液体进行交换，进入大脑。而在小鼠睡醒后再注射葡聚糖，漫布的范围很局限，说明交换的通道被关闭了。

图2

如图2所示，绿色代表睡眠的时候，交换面积（CSF示踪）非常大，达到70%。黄色代表醒来的时候，交换面积很小，只有不到10%。

－从醒到睡

再研究小鼠从醒到睡的过程。在小鼠醒着的时候，注射绿色葡聚糖，30分钟后注射氯胺酮（一种麻醉药），小鼠进入睡眠状态。然后，再注射红色葡聚糖。

图3

如图3所示，在小鼠麻醉后，注射红色葡聚糖，红色与绿色混合在一起成为了黄色。图中红色范围很大，说明小鼠在睡眠后，脑脊液与脑间隙液交换比例非常高。

所以，研究小鼠从睡到醒和从醒到睡的过程，都证明了睡眠状态下大脑在清除垃圾。

图4

科学家随后又进行了另外一项研究，在小鼠清醒、睡眠和麻醉的时候，分别注射碘125标记的β淀粉样蛋白（¹²⁵I-Aβ40）和碳14标记的菊粉（¹⁴C-inulin）。如图4A、4C所示，在小鼠清醒时（黄色）注射这两种物质，清除速度较慢；而在小鼠睡眠（绿色）或麻醉（红色）时注射，清除速度较快。图4B、4D表示清除常数，数值越高代表清除效率越高。可以看到，清醒时的清除效率较低，睡眠或麻醉时的清除效率较高。

所以，睡眠对我们至关重要，对我们的机体和大脑都有一个重要的健康维系作用。睡眠的时候，大脑实际上开放了脑脊液和脑组织间隙液之间的通道，而脑脊液可以帮助清除白天堆积的一系列垃圾。如果我们不去维系正常的睡眠，一直在清醒的状态或者睡眠时间不够，清除垃圾的效率会降低。当清除垃圾受到损害时，垃圾就会在大脑里堆积，实际上就对大脑直接造成了损害。特别是随着年龄的增加，容易引发神经退行性疾病。