睡眠帮助大脑减毒or导致中毒？研究揭示睡眠时大脑对代谢物清除减弱

脑部清除指大脑内部清除代谢产物、毒素以及其他废物的过程,以维持其正常功能和健康状态。睡眠常被认为对人体健康发挥着有益的作用，一个可能的假说就是睡眠状态时大脑可以通过类淋巴系统清除产生的代谢物和有毒物质，而睡眠不足则会导致有毒代谢物积累，诱发例如阿尔茨海默病这种由于Aβ沉积导致的神经退行性疾病。由于深度麻醉会使得动物处于无意识状态，常认为其会诱发和睡眠状态下相近的结果。

然而，一篇在2024年5月13日发表在Nature neuroscience的Brief Communication通过直接测定清醒、睡眠、麻醉状态下的小鼠大脑的代谢物清除速率，发现在睡眠和麻醉状态下大脑对物质的清除速率会显著降低，这一发现颠覆了人们此前的认知，暗示了睡眠过度的潜在风险。

该篇研究第一作者为Andawei Miao，共同作者为伦敦帝国理工学院生命科学系的William Wisden教授以及Nicholas P. Franks教授。William Wisden教授是生理学和神经科学方面的专家，研究主要集中在神经递质受体和离子通道的分子神经科学方面；Nicholas P. Franks教授是药理学和麻醉学方面的专家，研究重点包括麻醉药物的作用机制、神经递质受体和离子通道对于麻醉状态的调节，以及意识和无意识之间的转换过程。

为了检测大脑中物质的扩散情况，研究团队将一种荧光染料FITC-葡聚糖（fluorescein isothiocyanate, FITC-dextran）注射到小鼠的尾壳核（caudate putamen ,CPu）中，然后监测其额叶皮层（frontal cortex）中的荧光强度。等到达稳态后，他们对新皮层中的一小部分组织的染料进行光漂白，通过计算未漂白的染料进入光漂白区域的速度来计算染料的扩散系数D（diffusion coefficient）。为了验证他们的方法，他们还构建了一种琼脂糖‘脑仿体’凝胶（‘brain phantom’ gels）来模拟脑组织的光散射和光吸收特性，并测量各种分子量的FITC-葡聚糖的扩散，发现光强度的分布可以被很好地近似为半球高斯分布。实际实验数据和各种理论值完美符合，说明他们后续实验中使用荧光强度测定扩散系数的结果较为可靠。

在将FITC-葡聚糖注射到小鼠的CPu后，在额叶皮层中检测到的荧光在注射后约6-7小时达到峰值，然后以每小时约6%的速度缓慢下降。他们发现，在小鼠处于清醒警觉状态、麻醉镇定状态（腹腔注射右美托咪定）和休息状态下，测得的扩散系数D并没有显著差别，即染料扩散的动力学似乎在几种状态下未发生变化。但是研究团队推测本可以检测到大约大于0.5μm/s的整体流量变化，但这种脑清除过程的变化可能已经由于周围组织中相反方向的小范围流动所抵消，因此他们补充后续其它实验来进一步探究小鼠在不同状态下的脑清除情况。

在后续实验中，研究者们还是采用与之前一致的实验范式，但是换用了一种更为精确的可以测定脑清除速率的小型染料，即AF488（~570 Da），之前的FITC-葡聚糖大小则为4kDa。他们也为这种染料绘制了浓度-时间变化曲线，如果不存在清除过程，那么曲线的峰值变化只与染料的扩散系数D有关。

他们使用腹腔注射生理盐水的小鼠作为对照组，注射麻醉剂小鼠作为实验组，发现在AF488染料的峰值浓度处（~2-3小时），对照组小鼠大脑的染料清除率为70-80％，说明正常的脑清除机制并未被破坏；而在注射麻醉剂的情况下这种清除则显著减少。选用不同的麻醉剂进行实验时都达到了相同的效果（图2d,h右美托咪定，图2e,i为混合麻醉剂氯胺酮+塞拉嗪，图2f,j为戊巴比妥钠）。此外，与清醒状态的小鼠相比，处于睡眠状态中的小鼠的脑清除也显著减少。在监测染料荧光强度变化时，他们同时对小鼠进行了脑电图功率谱（EEG power spectra）的测定，并发现峰值清除与δ脑电波的功率存在弱的负相关关系，而δ波常被认为与深层次的放松和恢复性睡眠相关，这一结果暗示睡眠程度越深，脑清除效率越低。

最后，他们通过进行脑部切片直接检测染料荧光值来验证，组织学实验证实了活体荧光观测的结果。在染料注射后的3小时和5小时，脑切片中睡眠和麻醉状态下染料的浓度都更高，虽然清除效率可能会随着解剖学位置的不同而变化，但这种变化的程度似乎很小，在任何位置中注射氯胺酮+塞拉嗪导致的麻醉状态对脑清除的抑制都是非常显著的。脑片上荧光的分布情况和文章之前建立的模型相符，表明AF488染料的重新排布基本仅通过扩散完成，且受到睡眠和麻醉状态下脑清除受到抑制的影响。这些数据适用于可以在细胞外间隙中自由移动的小染料，在使用较大分子量的物质进行实验时候，可能会出现不同的结果。

总之，该研究表明，在睡眠和麻醉状态下，脑部对代谢物的清除减少，这与之前一些研究的结论相反，对睡眠的核心功能是清除大脑中毒素这一传统观念提出挑战。常被称作是“黄金睡眠”的对记忆有巩固作用的深度睡眠状态下，大脑对代谢物的清除效率反而是最低的。这提示我们过度睡眠有一定潜在风险，虽然已有研究证明睡眠可能有助于树突棘的形成和修剪、突触可塑性以及记忆的巩固，但睡眠过多可能导致大脑清除代谢物的速率长期维持在较低水平而造成不利影响，睡眠对大脑健康究竟发挥怎样的作用仍然是悬而未决的问题。

找实验方法，上脑声常谈