预防阿尔茨海默氏症和帕金森氏症的关键是什么？

科学家发现，睡眠期间大脑的活动，特别是有节奏的脑电波的产生，对于排出废物至关重要。 这一过程可以为预防神经退行性疾病和提高睡眠效率提供新策略，从而有可能减少长时间睡眠的必要性。

研究结果可能为解决阿尔茨海默病和其他各种神经系统疾病的创新策略铺平道路。

睡眠中存在着一个悖论。 它表面上的宁静与大脑的忙碌活动并存。 夜色虽静，但大脑却远未休眠。 在睡眠期间，脑细胞会产生脉冲串，并累积成有节奏的电波——这是脑细胞功能增强的标志。

但为什么我们休息时大脑会活跃呢？

缓慢的脑电波与宁静、清爽的睡眠有关。 现在，科学家们 圣路易斯华盛顿大学医学院 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。 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。

“这些神经元是微型泵。 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，”第一作者、病理学与免疫学系博士后研究员 Li-Feng Jiang-Xie 博士解释道。 “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——如代谢废物和垃圾蛋白——在大脑中积聚并导致神经变性。”

研究结果最近发表在杂志上 自然。

脑细胞和废物清除

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。

“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，”病理学和免疫学杰出教授、BJC 研究员 Jonathan Kipnis 博士说。 基普尼斯是该论文的资深作者。 “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。”

大脑清洁机制

但清理致密的大脑并不是一件简单的事。 大脑周围的脑脊液进入并穿过复杂的细胞网，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？

谢江解释说，通过研究熟睡小鼠的大脑，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。

增强大脑的清洁过程

“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电波，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。”

参考文献：“神经动力学直接脑脊液灌注和脑清除”，作者：Li-Feng Jiang-Xie、Antoine Drieu、Kesshni Bhasiin、Daniel Quintero、Igor Smirnov 和 Jonathan Kipnis，2024 年 2 月 28 日，《自然》。
DOI：10.1038/s41586-024-07108-6

该研究由美国国立卫生研究院资助。

2024-03-04 04:04:52
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