神经元有助于在睡眠期间将废物排出大脑

睡眠中存在一个悖论。它表面上的宁静与大脑的繁忙活动并列。黑夜寂静，但大脑远未休眠。在睡眠期间，脑细胞会产生电脉冲爆发，这些电脉冲累积成有节奏的电波——这是脑细胞功能增强的标志。

但是，为什么我们休息时大脑会活跃呢？

缓慢的脑电波与安宁、清爽的睡眠有关。现在，圣路易斯华盛顿大学医学院的科学家发现，脑电波有助于在睡眠期间将废物排出大脑。单个神经细胞协调产生有节奏的波，推动液体通过致密的脑组织，在此过程中清洗组织。

“这些神经元是微型泵。同步的神经活动为流体流动和从大脑中清除碎片提供动力，“第一作者Li-Feng 江 – Xie解释说，他是病理学和免疫学系的博士后研究助理。“如果我们能够建立这个过程，就有可能延缓甚至预防神经系统疾病，包括阿尔茨海默氏症和帕金森氏病，其中多余的废物 – 如代谢废物和垃圾蛋白 – 在大脑中积累并导致神经退行性变。

研究结果于2月28日发表在《自然》杂志上。

脑细胞协调思想、感觉和身体运动，并形成对记忆形成和解决问题至关重要的动态网络。但是为了执行这种需要能量的任务，脑细胞需要燃料。他们从饮食中消耗营养物质，在此过程中会产生代谢废物。

“至关重要的是，大脑处理代谢废物可能会积聚并导致神经退行性疾病，”Alan A.和Edith L. Wolff病理学与免疫学杰出教授兼BJC研究员Jonathan Kipnis说。Kipnis是该论文的资深作者。“我们知道，睡眠是大脑启动清洁过程以清除清醒期间积累的废物和毒素的时间。但我们不知道这是怎么发生的。这些发现可能能够为我们指明策略和潜在的治疗方法，以加快清除有害废物的速度，并在它导致可怕的后果之前将其清除。

但清理密集的大脑并非易事。大脑周围的脑脊液进入并穿过错综复杂的细胞网，在移动过程中收集有毒废物。离开大脑后，受污染的液体必须通过屏障，然后才能溢出到硬脑膜的淋巴管中，硬脑膜是包裹在颅骨下方的大脑的外层组织层。但是，是什么推动了液体进入、通过和离开大脑的运动？

江 – 谢解释说，通过研究睡眠小鼠的大脑，研究人员发现神经元通过以协调的方式发射电信号来驱动清洁工作，从而在大脑中产生有节奏的波。他们确定这种波推动了流体运动。

研究小组使特定的大脑区域沉默，以便这些区域的神经元不会产生节律波。没有这些波，新鲜的脑脊液就无法流过沉默的大脑区域，被困的废物也无法离开脑组织。

“我们睡觉的原因之一是清洁大脑，”Kipnis说。“如果我们能够加强这种清洁过程，也许可以减少睡眠并保持健康。不是每个人都能享受每晚八小时的睡眠，睡眠不足会影响健康。其他研究表明，在基因上睡眠较少的小鼠拥有健康的大脑。难道是因为他们更有效地清理大脑中的废物吗？我们能否通过增强大脑的清洁能力来帮助失眠症患者，这样他们就可以减少睡眠？

脑电波模式在整个睡眠周期中都会发生变化。值得注意的是，具有更大振幅的更高脑电波以更大的力移动流体。研究人员现在有兴趣了解为什么神经元在睡眠期间会以不同的节奏发射波，以及大脑的哪些区域最容易受到废物堆积的影响。

“我们认为大脑清理过程类似于洗碗，”神经生物学家江 – 谢解释说。“例如，你从一个大的、缓慢的、有节奏的擦拭动作开始，以清洁溅在盘子上的可溶性废物。然后，您可以减小运动范围并增加这些运动的速度，以去除盘子上特别粘稠的食物垃圾。尽管您的手部动作的幅度和节奏各不相同，但总体目标始终如一：清除餐具中不同类型的废物。也许大脑会根据废物的类型和数量来调整其清洁方法。

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江-谢LF，Drieu A，Bhasiin K，Quintero D，Smirnov I和Kipnis J.神经元动力学协调脑脊液灌注和脑清除。自然界。2月28,2024。DOI： 10.1038/s41586-024-07108-6

这项工作得到了美国国立卫生研究院 （NIH） 的支持，拨款号为 DP1AT010416 和 R01AT011419;华盛顿大学的 BJC 调查员计划;以及神经科学创新基金会。内容完全由作者负责，并不一定代表NIH的官方观点。

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