睡眠期间与阿尔茨海默病相关的神经元废物以协调波排出

在安静的睡眠期间，大脑继续表现出忙碌的活动，脑细胞产生电脉冲爆发，累积成有节奏的波——这是脑细胞功能增强的标志。但问题仍然是，为什么我们休息时大脑会活跃?缓慢的脑电波与宁静、清爽的睡眠有关，圣路易斯华盛顿大学医学院的科学家对小鼠进行的一项研究发现，脑电波有助于在睡眠期间将大脑中的废物排出体外。结果表明，单个神经细胞协调产生有节奏的波，推动液体穿过致密的脑组织，并在此过程中冲洗组织。

研究人员表示，这些发现可能为未来针对某些神经系统疾病的潜在治疗或预防策略指明方向。“这些神经元是微型泵，”病理学与免疫学系博士后研究员谢立峰博士说。“同步的神经活动为液体流动和清除大脑中的碎片提供动力。如果我们能够在此过程的基础上继续发展，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症，这些疾病中过量的废物(例如代谢废物和垃圾蛋白)在大脑中积聚并导致神经退行性变。”

谢江是该团队在《自然》杂志上发表的论文的第一作者，题为“神经元动力学直接脑脊液灌注和大脑清除”，他们在论文中得出结论：“我们的研究表明，神经元是大脑清除的主要组织者。这一基本原理为宏观脑电波的功能引入了新的理论框架。”

脑细胞协调思想、感觉和身体运动，并形成对于记忆形成和解决问题至关重要的动态网络。但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的过程中会产生代谢废物。

资深作者JonathanKipnis博士、AlanA.和EdithL.Wolff病理学和免疫学杰出教授、BJC研究员评论道：“大脑处理可能积累并导致神经退行性疾病的代谢废物至关重要。”但正如作者指出的那样，“代谢废物的积累是许多神经系统疾病的主要原因，但我们对大脑如何进行自我清洁的了解仍然有限。”

清洁致密的大脑并不是一件简单的事。大脑周围的脑脊液(CSF)进入并穿过错综复杂的细胞网，在流动时收集有毒废物。离开大脑后，受污染的液体必须穿过屏障，然后才能流入硬脑膜(颅骨下方包裹大脑的外组织层)的淋巴管。但是是什么驱动液体流入、流经和流出大脑呢?正如作者指出的，血脑屏障和有助于保护大脑的进化适应也产生了大脑如何处理其代谢废物的问题。“在大脑内，数十亿个神经元形成复杂的认知处理网络。间质液(ISF)如何穿过这个迷宫并有效地清除大脑废物是神经科学的一个基本问题，”他们表示。通过发现参与脑脊液运输的类淋巴系统，深入了解了该团队所谓的“生物困境”，但尽管该团队表示已经获得了有关血管周围空间大量流动的“大量知识”，“……高阻实质(神经元、神经胶质细胞和周围的间隙空间总共占体内大脑体积的95%左右)内的流体动力学在很大程度上仍然是一个谜。”

谢江说，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以在大脑中产生有节奏的电波来驱动清洁工作。他们确定这种波推动流体运动。研究小组进一步解释说，“神经元以高度不同步的方式放电，最大限度地提高了清醒期间各种认知任务的信息复杂性”，但这种活动只产生ISF的微小波动。相比之下，他们写道，在睡眠期间，神经网络同步个体动作电位，在大脑间质液中产生大振幅、有节奏和自我延续的离子波。他们写道：“本质上，神经元是协调血管旁血流、脑间质液和血脑屏障的动力学以优化代谢废物清除的最理想的细胞类型。”“……神经元协调其行为，在睡眠(或氯胺酮麻醉)期间在ISF中产生大幅度、有节奏的离子振荡。这些高能离子波有助于新鲜脑脊液通过实质的灌注和代谢废物的清除。从本质上讲，一起放电的神经元一起“沐浴”。”

研究小组让特定的大脑区域保持沉默，这样这些区域的神经元就不会产生有节奏的电波。如果没有这些波，新鲜的脑脊液就无法流过沉默的大脑区域，而被困的废物也无法离开脑组织。

“我们睡觉的原因之一是净化大脑，”基普尼斯说。“如果我们能够加强这种净化过程，也许就可以减少睡眠并保持健康。并不是每个人都能享受每晚八小时睡眠的好处，睡眠不足会对健康产生影响。其他研究表明，基因决定睡眠较少的小鼠大脑健康。难道是因为他们更有效地清除大脑中的废物?我们能否通过增强大脑的清洁能力来帮助失眠患者，让他们在睡眠不足的情况下也能度过难关?”

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，脑电波越高，振幅越大，移动液体的力量就越大。研究人员现在有兴趣了解为什么神经元在睡眠期间会发出不同节奏的波，以及大脑的哪些区域最容易受到废物积累的影响。

“我们认为大脑清洁过程类似于洗碗，”神经生物学家谢江解释道。“例如，你首先要进行大幅度、缓慢、有节奏的擦拭动作，以清洁溅在盘子上的可溶性废物。然后，减小运动范围并提高运动速度，以清除盘子上特别粘的食物残渣。尽管您的手部动作的幅度和节奏各不相同，但总体目标仍然一致：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清洁方法。”

作者总结道：“为了在睡眠期间维持和自动化废物清除，我们建议设计多个循环电路循环来产生自我持续振荡。总之，我们的研究结果表明神经元是大脑清理的重要驱动因素，并为研究在整个睡眠进化过程中神经回路如何根据自我清洁的需求而形成提供了新的途径。”

基普尼斯补充道：“我们知道，睡眠是大脑启动清洁过程的时期，以清除清醒时积累的废物和毒素。但我们不知道这是怎么发生的。这些发现或许能够为我们指明策略和潜在的治疗方法，以加速清除有害废物，并在其导致可怕后果之前将其清除。”