研究表明睡眠和麻醉会阻碍大脑毒素的清除

最近发表在期刊上的一项研究 自然神经科学 据报道，麻醉和睡眠期间大脑间隙会减少。

睡眠代表一种脆弱的不活动状态。 鉴于此漏洞的风险，假设睡眠可能会带来一些好处。 有人认为，睡眠可以通过类淋巴系统清除大脑中的毒素和代谢物。 这个概念具有重要的意义； 例如，长期睡眠不足导致毒素清除能力下降可能会加重阿尔茨海默病。

毒素和代谢物如何从大脑中清除仍不清楚，清除机制和解剖途径存在争议。 根据类淋巴假说，在非快速眼动睡眠期间，由动脉搏动产生的静水压力梯度驱动的大量液体流动会主动清除脑实质溶质。 此外，在镇静剂量下，麻醉剂可增强清除率。 睡眠是否会通过增加总体流量来增加清除率尚不清楚。

简短沟通： 睡眠和麻醉期间大脑清除率降低。 图片来源：vetre / Shutterstock

研究和结果

在本研究中，研究人员测量了小鼠大脑中的液体运动和清除率。 首先，测定荧光染料异硫氰酸荧光素（FITC）-葡聚糖的扩散系数。 将 FITC-葡聚糖注射到尾壳核中，并在额叶皮质中测量荧光。

最初的实验包括等待稳定状态，在小组织体积中漂白染料，并根据未漂白染料进入漂白区域的移动速率确定扩散系数。 通过测量琼脂糖脑模体凝胶中的 FITC-葡聚糖扩散来验证该方法，该凝胶经过修改以近似大脑的光吸收和光散射特性。

光的分布近似为半球高斯分布。 漂白后30秒记录荧光的恢复情况。 研究人员指出，这些（记录）数据与理论上预测的时间进程高度一致。 此外，扩散系数值与使用直接方法（无光漂白）估计的值一致。

接下来，测量 FITC-葡聚糖的扩散系数 体内。 一旦注射到尾壳核中， 可以在额叶皮质中检测到。 荧光在注射后 6 至 7 小时达到峰值，并以每小时 6% 的速度减弱。 在下降阶段，记录了白化的恢复。 荧光回收率与理论预测一致。

从时间进程中得出有效的组织扩散系数值，并确定警戒状态（睡眠、清醒和麻醉）。 所有警戒状态下的平均扩散系数值为 32.1 μm2/s，对应于 -2.5 的弯曲度。 这与啮齿动物新皮质的报告值一致，并表明 FITC-葡聚糖在皮质内的运动主要是由于扩散。

a，将 AF488 注射到 CPU 后 3 或 5 小时，将大脑冷冻并以 60 μm 冷冻切片。 通过荧光显微镜获得每个切片的平均荧光强度； 然后对四个切片组的平均强度进行平均。 b，使用补充图1中的校准数据将平均荧光强度转换为浓度。 1 根据苏醒（黑色）、睡眠（蓝色）和 KET-XYL（红色）麻醉注射点的前后距离绘制。 上图，3 小时后的数据。 底部，5小时后的数据。 这些线是对数据的高斯拟合，误差包络线显示 95% 置信区间。 在 3 小时和 5 小时，KET-XYL 期间的浓度（3 小时时 P < 10−6；5 小时时 P < 10−6）和睡眠期间（3 小时时 P = 0.0016；5 小时时 P < 10−4） ）明显大于尾流（采用 Bonferroni-Holm 多重比较校正的双向方差分析）。 c，3小时（顶部三行）和5小时（底部三行）时大脑切片的代表性图像（距AF488注射部位的前后距离）。 每行代表三种警戒状态（清醒、睡眠和 KET-XYL 麻醉）的数据。

值得注意的是，麻醉或睡眠期间的扩散动力学没有不同。 接下来，研究小组测量了不同警觉状态下的大脑间隙。 他们在注射生理盐水或麻醉剂的小鼠中使用了少量荧光染料 AF488。 据报道，这种染料可以在实质中自由移动，可以帮助准确量化大脑清除率。 此外，还对唤醒和睡眠状态进行了比较。

在峰值浓度下，注射盐水的小鼠的清除率为 70% 至 80%，这表明标准清除机制没有被破坏。 然而，麻醉剂（戊巴比妥、右美托咪定和氯胺酮-甲苯噻嗪）的清除率显着降低。 此外，相对于清醒的小鼠，睡眠小鼠的清除率也有所降低。 然而，麻醉状态和睡眠状态之间的扩散系数没有显着差异。

此外，还测量了脑电图（EEG）功率谱； 这表明德尔塔功率和峰值清除率之间的相关性较弱，表明睡眠越深，清除率越低。 组织学实验表明，注射后3小时和5小时，氯胺酮-甲苯噻嗪麻醉和睡眠时染料浓度较高。 数据显示 AF488 重新分布仅通过扩散进行，并证实麻醉和睡眠都会抑制清除。

结论

作者之一尼古拉斯·P·弗兰克斯 (Nicholas P. Franks) 表示：“该领域一直非常关注清除想法，将其视为我们睡觉的关键原因之一，以至于我们非常惊讶地发现我们的结果恰恰相反。”

值得注意的是，这些发现是针对在细胞外空间中自由移动的少量染料。 因此，较大的分子可能表现出不同的行为。 此外，睡眠和麻醉如何影响大脑清除的确切机制尚不清楚。 然而，这些发现挑战了睡眠的核心功能是清除大脑毒素的观点。