Science ：睡眠时悄悄工作的“水中垃圾车” 清除有毒代谢物

旅行家

Science ：睡眠时悄悄工作的“水中垃圾车”

来源：EurekAlert  2013-10-18 15:15:24

关键词： 大脑 组织间隙

对那些闹不清楚为什么睡一夜好觉会让我们能更好思维的科学家来说他们现在终于摸清点门道了。据一项新的研究报道，发生在就寝时间的独特的大脑变化可清除在白日积聚的有害毒素。

当人类的睡眠被剥夺时，除了其它的行为方面的问题之外，他们还会表现出进行决策的问题和学习障碍。有一点很清楚的是人们为了要能每日正常的运作并保持健康就必须要休息，但是科学家们还不清楚为什么睡眠可诱导恢复性的效果。

Lulu Xie及其同事应用一种叫做离子导入的技术来研究睡眠及清醒小鼠脑中的液体流动。具体地说，他们观察的是组织间隙——即脑细胞间的空白区域——内的液体流动。流经这些空间的液体很像一辆水中的垃圾车，在流经过程中可清除有毒代谢物——即清醒时进行日常作业中的脑细胞分泌的降解产物。Xie及其同事显示，在睡眠（或被麻醉的）小鼠脑中的组织间隙比那些在清醒时小鼠脑中的组织间隙要大60%；睡眠小鼠的脑子有着更好的清除废物的能力。这类废物之一是β-淀粉样蛋白——这是一个与阿尔茨海默氏病有关的蛋白；研究人员用荧光标记物来标记β-淀粉样蛋白并观察到，在睡眠小鼠中，β-淀粉样蛋白流出脑子的速度会快2倍。

确实，Xie及其同事报告，在小鼠清醒态流出脑子的废物只是在其睡眠时的5%。他们的研究帮助解释了为什么我们的脑子在我们得到足够睡眠后会有更好的表现。而且，正如Suzana Herculana-Houzel在一篇《观点栏目》中所提出的，这一工作可被用来更好地定义那些于日间在脑中积累的会增加发生癫痫或偏头痛风险的废物。

http://www.sciencemag.org/content/342/6156/373

顾汉现

作者：Maiken Nedergaard 来源：《科学》

发布时间：2013-11-4 10:42:08

科学家尝试阐述人类睡眠终极目的




小鼠睡眠期间，神经细胞之间充满液体的通道会扩张，并将垃圾物质清出。图片来源：Jeff Iliff

自从人类开始进化之后的每一个夜晚，我们可能都在犯着一个危险的错误。尽管人类曾经一度面临被大型食肉动物吃掉的威胁，而且寻找食物、积累财富或者繁衍后代等需要大量时间，但我们总是不会忘了睡觉。

长时间以来，科学家一直在猜测为何人类将生命中1/3的时间用于睡眠，但始终没有具体的数据支持特定理论。现在，新的证据证明了一个长期的假说：睡眠期间，大脑会进行自我清理。

大多数生理学家认为，睡眠有着许多不同目的，从记忆巩固到代谢系统和免疫系统的调节。像呼吸、进食等生理功能的“核心”目的很容易理解，但是，科学家从未就睡眠的原始目的达成一致。美国纽约罗切斯特大学的Maiken Nedergaard和同事们进行的新研究，为波士顿哈佛医学院睡眠研究员Charles Czeisler提供了“首个分子层面的直接实验数据”，可以用来了解睡眠的基本目的：清理大脑中的有毒代谢产物。

宾夕法尼亚大学睡眠研究人员David Dinges认为，10月17日发表在《科学》杂志上的这项新研究“符合一个长期存在的观点：睡眠的作用是修复，一些东西被还原或者清除”。该研究建立在Nedergaard最近的发现的基础上。去年夏天，Nedergaard在《科学—转化医学》杂志中描述了一个微观的、充满液体的通道网络可以清除大脑毒素，就像淋巴系统从身体其他部位清除代谢废物一样。不过，该网络并不携带淋巴，而是运输含有废物的脑脊液（CSF）。Nedergaard将其命名为“类淋巴系统”，在该系统被发现之前，人们所知道的大脑处理细胞垃圾的唯一方式是在细胞内部分解和回收利用。

在最初的研究中，Nedergaard的团队发现，大脑的非神经细胞——神经胶质控制着CSF通过其细胞膜中的通道流动。“如果我们去掉神经胶质细胞中的通道，流动会停止。”Nedergaard说。

由于运输液体通过细胞膜需要大量能量，Nedergaard及其团队预测，大脑并不能同时完成清理和处理感觉信息的工作，于是他们决定测试睡眠期间类淋巴系统的活动是否会改变。该研究的第一作者Lulu Xie在接下来的两年中训练小鼠放松和睡眠，并在双光子显微镜（可以使染色物质通过活组织的运动成像）下观察。

Xie会观察小鼠的脑活动，一旦发现其进入睡眠状态，她便将绿色染料通过小鼠颈部一个像导管的设备注入到CSF中。半小时后，她通过触摸小鼠尾部使其清醒，并注入红色染料，双光子显微镜可以很容易地辨别这两种染料。Nedergaard称，通过追踪整个大脑中的红色和绿色染料，其团队发现在睡眠期间，大量CSF流入大脑，但是在清醒状态时却不会。

对小鼠清醒和睡眠时神经细胞间空隙大小的对比发现，睡眠时运载CSF的神经胶质细胞通道会扩张60%。研究团队还将作标记的β淀粉样蛋白注入到睡眠小鼠和清醒小鼠的大脑中，进而发现睡眠期间，CSF会很快地将这些“垃圾”清除到细胞外两次——“就像一个洗碗工”，Nedergaard这样形容。她说，这些蛋白质可以在细胞内聚合为致病性斑块，而且与阿尔茨海默氏症相关。

Nedergaard指出，很多神经疾病——从阿尔茨海默氏症到中风和痴呆——都与睡眠障碍有关。研究表明，睡眠不足会使毒素累积，导致大脑损伤，这也是原因之一。“这可能会引起那些在夜间工作的轮班工作者的讨论，”Nedergaard预测道，“如果你不能保证睡眠，大脑可能会受到损伤。”

然而，一个未知的问题是清除废物的需要是否会积极地调节睡眠——也就是说，代谢副产物的形成是否会使我们感到困意。研究人员还希望知道在睡眠期间，充满液体的通道如何改变形状，以及清除废物是否真的能改善神经功能。

其他研究人员也不确定清理功能是否为睡眠唯一的核心功能。英国萨里大学的睡眠科学家Derk-Jan Dijk称，在睡眠的功能中，没有一个可以主导其他所有。“睡眠可能有很多功能。”他说，就像周末可以用来购物、社交和打扫房子一样。

不过，Czeisler表示，由于Nedergaard和她的同事已经确定了小鼠会在夜间清理大脑，科学家可以继续研究是否所有物种都是如此，及其程度如何。“人们可以想象，不同物种的睡眠功能会进行不同方式的进化，以适应不同习性。不过研究会让我们了解，不同物种的睡眠功能是否相同。”（张冬冬）

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《科学》发表论文摘要（英文）：

http://www.sciencemag.org/content/342/6156/373.abstract