Science：人类睡眠的终极目的 清理功能

邓文龙

Science：人类睡眠的终极目的

清理功能是睡眠核心功能之一

作者：张冬冬

来源：中国科学报2013-11-4 14:29:26

关键词： 睡眠 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

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。”（生物谷Bioon.com）

生物谷推荐的英文摘要

Science    DOI: 10.1126/science.1241224

Sleep Drives Metabolite Clearance from the Adult Brain

Lulu Xie1，*， Hongyi Kang1，*， Qiwu Xu1， Michael J. Chen1， Yonghong Liao1， Meenakshisundaram Thiyagarajan1， John O’Donnell1， Daniel J. Christensen1， Charles Nicholson2， Jeffrey J. Iliff1， Takahiro Takano1， Rashid Deane1， Maiken Nedergaard1

The conservation of sleep across all animal species suggests that sleep serves a vital function. We here report that sleep has a critical function in ensuring metabolic homeostasis. Using real-time assessments of tetramethylammonium diffusion and two-photon imaging in live mice， we show that natural sleep or anesthesia are associated with a 60% increase in the interstitial space， resulting in a striking increase in convective exchange of cerebrospinal fluid with interstitial fluid. In turn， convective fluxes of interstitial fluid increased the rate of β-amyloid clearance during sleep. Thus， the restorative function of sleep may be a consequence of the enhanced removal of potentially neurotoxic waste products that accumulate in the awake central nervous system.

http://www.bioon.com/biology/Ecology/585516.shtml



（華成旅行最便宜 03-3833-9823)

邓文龙

软件译:

报告

睡眠驱动成人大脑的代谢产物清除

谢露露1，*，洪益康1，*，许启武1，Michael J. Chen 1，廖永红1，Meenakshisundaram Thiyagarajan 1，约翰·奥唐奈1，Daniel J. Christensen 1，Charles Nicholson 2，Jeffrey J. Iliff 1，Takahiro Takano 1，拉希德·迪恩1，Maiken Nedergaard 1，†
查看所有作者和从属关系
科学  2013年10月18日：
卷。342卷，6156期，373-377
DOI：10.1126 / science.1241224

把垃圾带出去
睡眠的目的仍然是神秘的。Xie 等人利用最先进的体内双光子成像技术直接比较同一只小鼠中的两种觉醒状态。（第373页;参见Herculano-Houzel的观点）发现，神经活动的代谢废物以比清醒状态更快的速度被清除出睡眠脑。这一发现提示了睡眠如何提供恢复功能的机制解释，以及其对记忆巩固的良好描述效应。

抽象
所有动物物种的睡眠保存表明，睡眠是一个重要的功能。我们在这里报告说，睡眠在确保代谢稳态方面具有关键作用。使用实时评估活的小鼠中的四甲基铵扩散和双光子成像，我们显示自然睡眠或麻醉与间质空间增加60％相关，导致脑脊液与组织间液的对流交换显着增加。反过来，间质液的对流通量增加了睡眠期间β-淀粉样蛋白清除率。因此，睡眠的恢复功能可能是清除中枢神经系统中积累的潜在神经毒性废物的增强去除的结果。

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



http://science.sciencemag.org/content/342/6156/373.full



（華成旅行最便宜 03-3833-9823)