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清理大脑 当小鼠进入睡眠时，神经元之间充满脑脊液的通道（淡蓝色）就会打开，排除废物。

自从人类开始进化以来，我们每天晚上都会犯下一种莫名其妙的危险错误。尽管曾经面临着被捕食者吃掉的威胁，损失了大量采集食物、积累财富或进行性行为的宝贵时间，我们都需要睡觉。科学家们长期以来都在推测和争辩人类为什么要耗费大约三分之一的生命来睡觉呢？但是他们却鲜有具体数据来支持任何一种特殊的理论。近日，新证据的出现使一种长期存在的假说——大脑在睡眠期间进行自我清理——重新引起了研究者的关注。

大多数生理学家都一致认为，睡眠具有多种不同的作用：从记忆巩固，到调节新陈代谢与免疫系统。然而，虽然人们很容易理解诸如呼吸和摄食等生物功能的“核心”作用，但是科学家们却从未在睡眠的原始“核心”作用上达成过一致性意见。来自于纽约罗彻斯特大学的Maiken Nedergaard等人进行了一项新研究，提供了Charles Czeisler（波士顿哈佛大学医学院的睡眠研究专家）所指的“首个直接的、分子水平上的实验证据”，证实了睡眠的基本作用，即清除大脑中有毒的代谢产物。

这项新研究发表在本期Science第373页上。宾夕法尼亚大学的睡眠研究专家David Dinges指出，这项新研究“与一种长期存在的观点不谋而合：即睡眠是为了恢复——补充营养或清除废物”。这项研究是在Nedergaard的最新发现的基础上进行的。这个最新发现发表在去年夏天的《科学转化医学》（Science Translational Medicine）期刊上；她发现了一种在显微镜下可见的、充满液体的管道网络，该管道网络能够清除大脑中的毒素，就像淋巴系统清除身体其它部位的代谢废物一样。该管道网络运输的并不是淋巴液，而是含有废物的脑脊液。Nedergaard将该管道网络命名为“脑部类淋巴系统（glymphatic system）”；她说，在脑部类淋巴系统被发现之前，研究者们一直认为大脑处理细胞“垃圾”的唯一方法是在细胞内分解和回收“垃圾”。

Nedergaard的研究团队在去年的文章中指出，神经胶质细胞借助细胞膜中的通道，控制着CSF的流动。Nedergaard指出，如果我们去掉神经胶质细胞中的这些通道，那么CSF就会几乎停止流动。由于CSF的跨膜转运需要耗费大量能量，因此Nedergaard等人预感大脑可能无法同时清理大脑和处理感官信息。于是他们决定检测一下脑部类淋巴系统的活性是否会在睡眠期间发生变化。这项最新研究的第一作者Lulu Xie在随后的两年里对小鼠进行训练，使它们能够在双光子显微镜（two-photon microscope，能呈现出染料在活体组织内的移动情况）下放松并入睡。

当Xie根据小鼠的EEG大脑活动，确定它们已经入睡时，她就会利用小鼠颈部的导管装备，将一种绿色染料注射到它们的CSF中。半小时后，她抚摸小鼠的尾巴，使它们醒过来，然后注射了一种特殊的红色染料，双光子显微镜能够很容易地将这种红色染料和绿色染料区分开来。Nedergaard指出，她的研究团队通过追踪红色染料与绿色染料在大脑中的移动情况，发现大量的CSF在睡眠期间流向了大脑，但是在清醒状态下却并未流向大脑。

研究者们比较了小鼠在清醒状态下与睡眠状态下神经细胞之间的空间容积，他们发现当小鼠处于睡眠状态时，运输CSF的胶质通道扩大了60%。Nedergaard指出，他们也将被标记的β淀粉样蛋白分别注射到熟睡小鼠与清醒小鼠的大脑中，发现CSF在睡眠过程中会将这些“废物”从细胞中清除出去，其清理速度是清醒状态下的两倍——“就像洗碗机似的”。她说，这种β淀粉样蛋白能够在细胞内聚集起来，成为致病性斑块，与阿尔茨海默病的发生有关。

Nedergaard强调指出，许多神经系统疾病——阿尔茨海默病、中风和痴呆症（dementia）——都与睡眠障碍有关。这项研究表明，睡眠不足也是引起这些疾病的病因，它能使代谢废物不断积累，引起大脑损伤。Nedergaard预言道：“这将为在夜间工作的轮班工人们开启了许多争论。”“如果你没有得到充足的睡眠，那么你就可能会出现损伤。”

然而人们仍不清楚机体对清除废物的需要是否正向地调节了睡眠——举例而言，代谢产物的聚集是否使人类昏昏欲睡。研究者们也很想知道，充满脑脊液的胶质通道在睡眠期间是如何改变形状的？废物的清除是否真的能够改善神经元的功能？

英国萨利大学（University of Surrey）的睡眠科学家Derk-Jan Dijk指出，睡眠的任何一种功能都不一定控制着睡眠的所有功能。他说，“睡眠可能有许多功能”，就像周末的功能一样，既可以购物、社交，又可以打扫房间。

Czeisler指出，既然Nedergaard等人已经在小鼠体内确定了这种夜间的洗脑过程，那么科学家们可以研究这种洗脑过程是否存在于所有物种中，其程度如何？他总结道：“你可以想象得到，不同物种已经进化出了睡眠的不同功能，以适应各自不同的栖息地，……但是如果睡眠在不同物种之间具有一些共同功能的话，那么这就有助于解决问题了。”

原文检索：

Emily Underwood. Sleep: The Brain's Housekeeper?. Science 18 October 2013; DOI: 10.1126/science.342.6156.301