为什么睡眠对认知和脑部健康具有恢复性或破坏性作用，这一直是生物学界的一个谜团。研究人员认为脑脊液（CSF）可以冲洗掉有毒废物，“清洁”大脑，已有研究表明，睡眠期间的垃圾清除能力得到了极大的提高。然而研究人员并不确定到底这是如何发生的，也不明白为什么该过程在睡眠中得到了加强。
睡眠已深刻理解的一个方面是，表征深层非REM睡眠的缓慢电振荡（或“慢波”）如何促进记忆整合，这一过程将新的记忆转移到长期记忆中。由波士顿大学神经科学家LauraLewis领导的团队进行的一项新研究现在可以洞悉驱动脑脊液通过大脑的原因，该研究表明协调记忆巩固的相同慢波也可以驱动脑部血流和脑脊液的振荡。
这项工作对于理解睡眠障碍与精神疾病和神经退行性疾病之间的关系具有重要意义，甚至可能指向新的诊断和治疗方法。“我们发现只有在睡眠时大脑中才会出现大量脑脊液波动。”Lewis说，“这种作用确实令人震惊，我们也对它在维持大脑健康方面的意义感兴趣，特别是在阿尔茨海默氏病等疾病中。”
在11月1日于《Science》杂志上发表的这项研究中，研究小组着手研究睡眠中脑脊液流动的动态变化，以及这与大脑血流和电活动的变化有什么关系。“我们知道睡眠对于大脑健康确实非常重要，清除废物可能是一个关键原因，但尚不清楚的是为什么会在睡眠期间发生改变？”刘易斯说，“这导致我们想要弄清楚脑脊液到底发生什么。”
研究人员使用脑电图（EEG）来监测13名熟睡的健康成年人的脑电波，同时还使用先进的“加速”fMRI技术来捕获比标准fMRI所能处理的更快的变化。这样就可以测量血液的氧合变化（指示血液流到电活动的，需要氧气的区域）和CSF流动。研究小组发现，非快速眼动睡眠中出现的慢波与血流和CSF的变化同步发生。此外，研究团队还建立了一个计算机模型，其中包含了目前已知的这些过程的物理联系，从而预测了慢波对血液和脑脊液的影响。随着大脑活动改变血液流动，这会减少大脑中的血液量，并且由于大脑是封闭的血管，因此CSF会流入以填充空间。
“这非常令人信服。”罗切斯特大学的神经学家MaikenNedergaard说，他并没有参与这项研究的：“这也确实是有道理的：电活动推动血流变化，然后推动脑脊液变化。”
研究小组测量了流入第四脑室的脑脊液流入量，该脑室是四个产生脑脊液（通过过滤血浆）并在脑周围循环的液体腔之一。由于脑脊液通常从第四脑室流出，因此提示有“搏动性”血流，如波浪一样。这将脑脊液推入脑室，并进入大脑和脊髓周围的膜（称为脑膜）之间的空间，在其中与脑内的组织液混合，带走有毒废物。
由于慢波对于记忆整合非常重要，因此这将睡眠的两个不同功能联系在一起。Nedergaard说：“令人兴奋的是，它结合了人们通常不认为是相互联系的大脑功能。”
这一发现对神经退行性疾病有一定的意义，这类疾病被认为是由于大脑中有毒蛋白质的积累引起的，例如阿尔茨海默氏病中的β淀粉样蛋白。先前的研究表明，β淀粉样蛋白可以在睡眠期间更有效地被清除，但在患者中经常被破坏。慢波睡眠障碍通常也伴随衰老，这可能与认知能力下降有关。“我们知道患有老年痴呆症的人的慢波较少，因此我们可能会发现他们的脑脊液波也较少。”Lewis说：“我们现在必须在老年人和患者人群中进行这些研究，以了解这对那些疾病可能意味着什么。”睡眠障碍也是许多精神疾病的特征，从抑郁症到精神分裂症。不同的精神疾病会破坏睡眠的不同电信号，因此，对许多疾病进行随访将非常有趣。
该小组接下来希望通过实验操纵大脑活动来确定电振荡是否确实引起了他们在脑脊液流动中观察到的变化。该项研究可能开发出利用电刺激来影响脑电波最终治疗脑病的方法，以及通过评估CSF的变化来作为疾病的诊断标志。
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