近期发表在【自然-神经科学】期刊上的一项研究认为，过去对人睡觉时大脑可「排毒」的推断是有偏差的。尼古拉斯·弗兰克斯带领的研究团队发现小鼠的大脑在睡眠和麻醉的情况下，脑内物质的清洗和流动不仅没有上升，反而下降了。
那么，大脑「排毒」是什么机理？睡眠与类淋巴系统清洗之间究竟有何关系？迄今的科学研究都存在哪些争议？我们请中国科学院神经所神经生物学博士王飞来说一说。
脑袋「进水」才能更好地工作
近年来，睡眠研究领域存在一种「类淋巴系统清洗假说」，指的是人在进入睡眠状态后，类淋巴液会涌进大脑，将白天累积的「有毒物质」带出，相当于大脑完成了一次「清洗」。这一假说一经提出就引起了学术界极大的关注。
生活中，人们常用「脑袋进水了」比喻做事反应缓慢或出错，然而，人的脑袋里正因为充满了「水」才能很好地运转。有研究表明，大脑中有150ml的「水」，相当于一小杯啤酒的体积。那为什么大脑中会有「水」呢，不应该是血液吗？
其实，大脑中的「水」叫作「脑脊液」，是一种无色透明的液体，大脑是悬浮浸泡在脑脊液中的。血管和大脑之间有一道血脑屏障，目的是保证大脑这个人体「司令部」与外界隔绝开来。因为血液无法给大脑直接提供养分和氧气，所以血液就在血脑屏障处形成了脑脊液，只有脑脊液可以在大脑中流动，助其工作。脑脊液从脑室流向中脑导水管，既能确保大脑不轻易受到外界有毒物质的入侵，也限制了体外一些激素对大脑的影响。
具体来说，脑室和中脑导水管可以看作是大脑中的「洞」和「坑」。其中，大脑中一共有4个大「洞」，分别是第一、第二、第三、第四脑室。第一、第二脑室又叫作侧脑室，位于两个大脑半球的深部，左右各一，呈C形，它们是脑内容积最大的脑室。第三脑室像个鸟头，位于大脑中央，通过一个叫「室间孔」的结构和侧脑室相连。第四脑室像个小飞机，机头指向第三脑室，机尾指向脊髓。
而脑脊液就是由各脑室内的脉络丛（软脑膜及其上的血管与室管膜上皮共同构成的脉络组织）产生的，并在这些脑室中流动。脑脊液的大体流向是从第一、第二脑室经过室间孔进入第三脑室，再从类似下水道的「坑」，即中脑导水管流到第四脑室，最后通过蛛网膜下腔和脊髓中央管流出大脑，进入血液循环。
大脑中的「下水道」虽然看起来不起眼，却很重要。由于中脑导水管的孔径非常小，一旦被炎症或肿瘤堵住，就会导致脑脊液无法流出，进而在脑内积累产生高压，形成脑积水。所以，脑积水不仅仅是「脑子进水」这么简单，它会使患者头部变大，严重的可导致呕吐、嗜睡和癫痫发作。
大脑「换水」清理代谢废物
大脑中的脑脊液一直在流动，也在不停地更换，24小时大约需更换4次。
大脑为什么需要「换水」？难道在「水」中养鱼了吗？不错，大脑中的「鱼」就是脑细胞。脑细胞虽然不会像鱼一样游来游去，但也会排泄「废物」，如果不及时清理，脑部就充满代谢出的有毒物质。有研究称，大脑每天要清除约7克有毒蛋白质，一个月会更新210克蛋白质，这个过程就是通过脑脊液的流动完成的。
众所周知，淋巴系统是人体内重要的防御功能系统，可清除异物和细菌，提高免疫力。在人类的不断演化中，大脑也演化出一种类淋巴系统「胶质淋巴系统」，主要由脑胶质细胞负责，相当于给大脑这个「大鱼缸」装上了过滤器，不停地「换水」。正是因为这种胶质淋巴系统对脑脊液的更换清洗，大脑才能保持清醒。
大脑虽然只占人体重量的2%，也就3斤左右，却要消耗人体20%的能量，可谓是个「耗能大户」。大量的消耗工作会产生很多有毒物质，如活性氧、多余的免疫球蛋白、蛋白质片段等。活性氧分子也称「自由基」，是新陈代谢的废物，过多的活性氧堆积会导致氧化应激，而氧化应激会使神经细胞死亡。大脑是人体为数不多的不能产生新细胞的地方，一旦脑细胞死亡，就不会再有新的脑细胞补位。
更为可怕的是β-淀粉样蛋白的沉积，这是一种与阿尔茨海默病相关的蛋白质。除了阿尔茨海默病，一些特定蛋白质的沉积与帕金森病、多系统萎缩症等神经退行性疾病的发生也有着千丝万缕的关系。而这些蛋白质可能会在类淋巴系统无法正常运作时出现异常堆积。
神经退行性疾病的一个共同特点是，患者在出现严重病症之前，很早就有了睡眠障碍，如睡眠时间短、睡不深、经常醒等表现。这些睡眠障碍和神经退行性疾病的相关性让科学家更加相信，大脑进行的清洗工作非常重要。
「入睡后排毒更高效」尚无定论
大脑「换水」即更换脑脊液很重要，那主要是在什么时候进行呢？为了进一步确认睡眠与类淋巴系统清洗之间的关系，科学家开展了多项研究，然而直到现在也没有得出一致的结论，相比之下，认为「换水」发生在睡觉时的观点居多。
在2013年发表在【科学】杂志上的一项研究中，麦肯·尼德佳德研究组的人员对小鼠实施麻醉后，将微小的荧光示踪剂注入小鼠脑脊液中，荧光示踪剂迅速进入小鼠大脑，并沿着特定、可预测的路径从脑中排出。他们发现，当小鼠入睡后，脑脊液会更加自由地流动，甚至会到达脑部更深的部位，而小鼠处于清醒状态时，脑脊液只能沿着大脑表面流动，流量仅为睡眠状态的5%。该团队还发现，当小鼠的大脑处于睡眠或麻醉状态时，就会忙于清除清醒状态时累积的代谢「垃圾」。在睡眠状态下，小鼠大脑清除代谢「垃圾」的速度可达到清醒状态的两倍。相比其他类似研究，这一研究结果似乎首次「同理证明」了人脑在睡觉时「高效换水」的假说。
然而前段时间，一个「打脸」的研究结果发表在【自然-神经科学】杂志上。该研究简讯通过直接测定麻醉、睡眠和清醒状态下小鼠大脑对代谢物的清除速率， 发现大脑在睡眠和麻醉状态下对代谢物质的清除速率显著降低。 这一结果和此前很多研究结果截然相反，还暗示了过度睡眠会使大脑运转失常，对「睡眠能够清除脑中毒素」的观点提出了挑战。
其实，早就有科学家对此提出过质疑。2017年发表在【eLife】期刊上的一篇研究论文指出，之前以荧光物质来测量脑脊液流动的方法可能有问题，荧光物质的大小会导致测量出来的脑脊液流动方向不准确。
不过，为何大脑会在睡觉时启动清理机制？清理机制的速度更关键还是产生垃圾物质的速度更关键？这些问题都还没有找到答案。有一种假说认为，可能人在睡眠时脑脊液的清理速度并没有变快，只是因为睡眠时大脑很多细胞处于休息状态，所以只产生了少量的代谢废物，从而使得脑脊液能够「胜任」清理工作，甚至把白天没干完的活儿也干了。
当然，科学上的争论时常有之，关于睡眠时大脑「换水」时间及速率高低的问题，有待定论。但不管是晚上「换水」还是白天「换水」， 胶质淋巴系统对大脑杂质的清理作用是肯定的。
大脑健康与睡眠状况密切相关
为什么科学家的研究总是将睡眠跟大脑联系在一起，其中一个关键原因是睡眠对于大脑维持健康助力颇大。
睡眠对于人的记忆加工和存储至关重要。有研究证明，大脑在睡眠期间，之前的学习环路被重新激活，不断被激活的神经环路形成了清晰的记忆。一般来说，短期记忆存储在大脑中称为海马体的区域，而长期记忆是在新皮质中编码的。记忆从海马体转移到新皮质的过程称为记忆巩固，而这一过程就发生在人们睡觉时。
睡眠在形成新的神经突触连接及修整旧有神经环路的过程中发挥着突出作用。有研究提出，突触在白天生长得非常剧烈，整个大脑就像一个施工现场，而睡觉时，大脑里的突触进行修整，各种信号才会安静下来。
还有研究发现，睡眠对于情绪的影响是巨大的。患有抑郁症或双相情感障碍的患者，往往都有睡眠障碍。很多慢性失眠的人，在以后生活中患有抑郁或焦虑症的可能性是睡眠良好者的两倍。
总之，无论大脑是否在晚上「换水」，睡眠的重要性都不言而喻。举个例子，海豚和鲸鱼会让大脑两个半球交替睡觉，让自己一边睡觉一边游泳。如果它们的大脑不能在一天内得到很好的休息，那么即便能够一直游泳，大脑的反应速率也会急速下降。大脑反应变慢，对于它们捕食和逃避天敌来说，无疑是灭顶之灾。
生物体不是机器，定期的保养和休息才是保证机体良好运行的关键。人一生中至少有三分之一的时间在睡觉，可想而知睡眠有多重要。除了上述提到的睡眠与大脑健康密不可分之外，睡眠还可以强化人体免疫功能。研究表明，睡眠不足的人在接触病毒后更容易生病，且生病后缺乏睡眠还会影响病愈的速度。此外，睡眠不足会减少保护性细胞因子的产生，同时导致NK细胞（即自然杀伤细胞，是机体重要的免疫细胞，被誉为肿瘤和病毒的「天生杀手」）减少30%、白血球活力下降。
对于未成年人来说，睡眠可以促进发育，将近70%的生长激素都是在睡眠时分泌的。每晚不同阶段的睡眠可以促进大脑不同功能的发展，比如，快速眼动睡眠可促进视觉、运动功能的发展，慢波睡眠有助于大脑皮质的成熟，同时对于认知和情感的发育有重要作用。
「好好睡觉」确有科学依据
因此，「好好睡觉」不只是养生之谈，而是真的可以让身心维持更健康的状态。
很多研究都说熬夜对大脑不好，但有的年轻人不以为然，感觉自己的大脑活力似乎并未受损。需要提醒的是，年轻人的大脑活力虽然可以从短期的睡眠不足中迅速恢复，但慢性、长期的失眠和睡眠紊乱会给大脑的新陈代谢带来巨大压力，导致与警觉和正常皮层功能有关的神经元发生变性、与衰老和神经变性相关的蛋白质不断积累，其后果之一就是熬夜的人更容易患上阿尔茨海默病。
大脑的「换水」功能也会受到睡眠的影响。有研究表明，老年人大脑脊液的更换率只有年轻人的10%，而年轻人如果经常熬夜，其脑脊液的更换率只有睡眠良好时的10%左右。也就是说，年轻人经常熬夜的话，其大脑状态会变得和老年人的大脑状态差不多，同时，大脑中与神经退行性疾病相关的蛋白质异常增加，会导致记忆和反应能力下降。
睡眠是生物节律的一部分，人体内的各个器官会按照环境的变化进行有节律的活动。大脑中的视交叉上核通过视网膜感受外界光的变化，通过褪黑激素的水平，指导人体的正常运转。如果一个人的昼夜节律被打乱，该睡觉时不睡觉，该起床时不起床，久而久之，人体各个器官的节律就会被打乱，不仅大脑会出问题，整个身体都会变差。
现在已知的睡眠疾病多达90余种，日益成为一个突出的医疗及公共卫生问题。关于睡眠和大脑关系的科学研究仍在世界范围内如火如荼地进行着，其中，经过30多年的发展，一门新的交叉学科——睡眠医学逐渐成形，在欧美等国家成为与心血管、呼吸等并列的独立学科。通过研究大脑运作的机制，人们可以更好地了解睡眠的重要性，同时，通过研究睡眠对大脑的影响，更有利于深入研究大脑的各项功能。虽然现在科学家对于睡眠时大脑能否进行高效的清洗工作仍有争论，但大量科研成果已经明确，人的大脑健康离不开良好的睡眠。
（供图：视觉中国）
