PLOS BIOL丨缺觉和深睡，对大脑“排毒”影响大不同！丹麦哥本哈根大学揭秘睡眠如何调控脑内废物清除

我们的大脑在睡眠时，其实在进行一场高效的“大扫除”。大量研究表明，深度睡眠能促进脑内一种“清洗液”（脑脊液）的流动，帮助清理白天积累的代谢废物。但问题是：这场清洁究竟是由“困意”（睡眠压力）发动的，还是由“沉睡深度”（慢波睡眠）来强化的？又或者两者缺一不可？

近期，一项发表在权威期刊上的研究利用最先进的脑成像技术，为我们揭开了睡眠清洗大脑的双引擎奥秘。科学家通过让志愿者经历睡眠剥夺和药物干预，首次清晰区分了“困意”和“深度睡眠”在驱动大脑脉搏（脑搏动）和促进清洁中的不同角色。

来自丹麦哥本哈根大学医院神经生物学研究中心Gitte Moos Knudsen及其研究团队做了一项专门研究，标题为《 Sleep deprivation and sleep intensity exert distinct effects on cerebral vasomotion and brain pulsations driven by the respiratory and cardiac cycles》，相关成果于2025年11月20日发表在《PLOS Biology》期刊上。该研究通过昼夜节律控制实验与加速神经影像学等技术，发现睡眠压力升高会增强全脑低频脑血管舒缩运动相关脑搏动，而慢波富集的 NREM 睡眠（尤其 N3 期）会强化呼吸和心脏驱动的脑搏动，且后者在脑灰质、白质中效应更显著，α1/β 肾上腺素能拮抗剂可调节相关脑搏动。该研究首次明确了睡眠压力与慢波睡眠在调控脑液动力学中的不同作用，揭示了人类脑液流动及潜在代谢废物清除的睡眠依赖性机制，为理解睡眠障碍相关脑功能异常提供了生理基础，也为相关疾病的干预提供了潜在靶点。

研究设计

本研究采用昼夜节律控制的交叉设计，纳入 20 名健康男性受试者，进行 3 次磁共振脑电图（MR/EEG）扫描：充分休息后（清醒 11 小时）、35 小时睡眠剥夺后（分别服用安慰剂或 α1/β 肾上腺素能拮抗剂卡维地洛），扫描时间统一为晚间 18:30–20:30 以控制昼夜节律影响。采用双盲随机交叉设计给药，两次睡眠剥夺扫描间隔 1 周洗脱期。采用线性混合模型分析 MREG 频谱功率与睡眠状态、睡眠深度、药物干预的关系，校正昼夜节律、心率、呼吸频率等混杂因素；通过体素分析比较灰质（GM）、白质（WM）和脑室脑脊液区域的脑搏动差异。

睡眠剥夺增强LFPs频谱功率

首先，研究发现与充分休息的清醒状态相比，35 小时睡眠剥夺后，清醒状态下的 LFPs 频谱功率显著增加；睡眠剥夺后的 NREM 睡眠（N2+N3）中，LFPs 频谱功率介于充分休息清醒与睡眠剥夺清醒状态之间，无显著睡眠效应。相关性分析显示，NREM 睡眠期间的 LFPs 频谱功率与 PVT 测试中的注意力失误次数、反应时间正相关，且与扫描中小睡后的 PVT 表现改善（失误减少、反应加快）呈负相关，而在充分休息或睡眠剥夺的清醒状态下无此相关性。敏感性分析验证了睡眠剥夺对 LFPs 的增强效应。

NREM睡眠增强呼吸与心脏驱动的脑搏动，且与睡眠深度相关

与充分休息清醒状态相比，睡眠剥夺清醒状态下呼吸频率带的脑搏动频谱功率增加，心脏频率带无显著变化；而进入 NREM 睡眠后，呼吸和心脏频率带的频谱功率分别显著增加 73%和 35%，睡眠剥夺后的 NREM 睡眠中两者分别增加 150% 和 42%。

睡眠深度对脑搏动的影响显著：N3 期睡眠的呼吸频率带频谱功率较 N2 期增加，心脏频率带较 N2 期增加 ；EEG δ 功率与呼吸和心脏频率带的频谱功率均呈正相关，且该相关性在多数受试者中存在。对照频率带（3.54–3.74 Hz）未显示睡眠剥夺或 NREM 睡眠的显著影响。

脑搏动的组织特异性差异

通过对比灰质（GM）、白质（WM）和脑室脑脊液（CSF）三个脑区的 MREG 频谱功率，揭示了不同组织类型对睡眠相关脑搏动的响应差异：在充分休息的清醒状态下，低频脑搏动（LFPs）的频谱功率在 GM、WM 和脑脊液区域无显著差异，且睡眠剥夺对 LFPs 的增强效应在三类组织中表现一致，未出现显著的 “组织类型 × 睡眠剥夺” 交互作用。同样，NREM 睡眠（N2+N3 期）对 LFPs 的影响也未因组织类型不同而存在差异，“组织类型 ×NREM 睡眠” 交互作用不显著，这一结果支持 LFPs 反映全脑血管舒缩运动的假设，说明该类脑搏动不受局部组织类型的特异性调控。

与 LFPs 不同，呼吸和心脏频率带的脑搏动具有显著的组织特异性。充分休息清醒状态下，脑脊液区域的频谱功率显著高于 GM 和 WM：呼吸频率带中，脑脊液区域较 GM 高 101%、较 WM 高 118%；心脏频率带中，脑脊液区域较 GM 高 1030%、较 WM 高 1153%。同时，GM 的频谱功率在呼吸频率带和心脏频率带均略高于 WM，反映了脑实质与脑脊液、灰质与白质在液体含量和组织粘度上的固有差异对脑搏动的影响。

NREM 睡眠对呼吸和心脏驱动脑搏动的增强效应具有显著的组织偏向性。具体而言，GM 和 WM 在 NREM 睡眠期间的频谱功率提升幅度远大于脑脊液区域：呼吸频率带中，GM 和 WM 的增强效应分别比脑脊液区域高 70% 和 75%；心脏频率带中，GM 和 WM 的增强效应分别比脑脊液区域高 92% 和 110%。此外，睡眠剥夺与组织类型在呼吸频率带存在交互作用，且该效应仅局限于 GM和 WM，进一步证实脑实质组织对睡眠相关的脑血流动力学变化更为敏感。

卡维地洛对脑搏动的调节作用

最后，作者通过对比安慰剂与 α1/β 肾上腺素能拮抗剂卡维地洛干预后的数据，明确了肾上腺素能通路对不同类型脑搏动的调控作用：卡维地洛显著降低血浆去甲肾上腺素水平，但未改变受试者的呼吸频率、心率及睡眠结构（包括清醒与 NREM 睡眠的时间占比）。

在低频脑搏动（LFPs）方面，卡维地洛的调节作用具有状态依赖性：NREM 睡眠期间，卡维地洛组的 LFPs 频谱功率较安慰剂组显著降低；而在睡眠剥夺的清醒状态下，卡维地洛组与安慰剂组的 LFPs 频谱功率无显著差异。这一结果支持 LFPs 起源于脑血管舒缩运动的假设，且该舒缩运动在睡眠状态下更依赖肾上腺素能信号调控，而清醒状态下可能受其他多重机制共同影响。

对于心脏频率带的脑搏动，卡维地洛同样表现出状态特异性调节效应：NREM 睡眠期间，卡维地洛组的频谱功率较安慰剂组显著降低；清醒状态下两组无显著差异。这一现象可能与卡维地洛的负性肌力作用相关 —— 药物抑制心肌收缩力，减弱了心跳引发的压力波在脑血管中的传导，进而降低脑内相关搏动强度，且该效应在睡眠状态下更为明显，可能与睡眠时自主神经调节模式的改变有关。

在呼吸频率带的脑搏动方面，卡维地洛干预与安慰剂组无显著差异，且两组均在 NREM 睡眠期间出现显著的频谱功率增强。这表明呼吸驱动的脑搏动不受肾上腺素能通路调控，其增强效应主要依赖于 NREM 睡眠相关的呼吸模式改变或脑内液体环境变化，与心脏驱动的脑搏动存在截然不同的调节机制。

研究结论

1. 睡眠压力升高（35 小时睡眠剥夺）显著增强全脑 LFPs，且 LFPs 强度与睡眠相关认知功能恢复相关，提示脑血管舒缩运动可能参与睡眠中的脑功能修复。

2. 慢波富集的 NREM 睡眠（尤其 N3 期）显著增强呼吸和心脏驱动的脑搏动，且与 EEG δ 功率正相关，该效应在 GM 和 WM 中更明显，支持睡眠通过增强脑血流动力学促进脑脊液流动及代谢废物清除的机制。

3. 卡维地洛对 LFPs 和心脏驱动脑搏动的抑制作用，验证了脑血管舒缩运动的肾上腺素能调节机制，为脑代谢废物清除的药理学干预提供了潜在靶点。

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003500

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