近期發表在【自然-神經科學】期刊上的一項研究認為，過去對人睡覺時大腦可「排毒」的推斷是有偏差的。尼古拉斯·法蘭斯帶領的研究團隊發現小鼠的大腦在睡眠和麻醉的情況下，腦內物質的清洗和流動不僅沒有上升，反而下降了。
那麽，大腦「排毒」是什麽機理？睡眠與類淋巴系統清洗之間究竟有何關系？迄今的科學研究都存在哪些爭議？我們請中國科學院神經所神經生物學博士王飛來說一說。
腦袋「進水」才能更好地工作
近年來，睡眠研究領域存在一種「類淋巴系統清洗假說」，指的是人在進入睡眠狀態後，類淋巴液會湧進大腦，將白天累積的「有毒物質」帶出，相當於大腦完成了一次「清洗」。這一假說一經提出就引起了學術界極大的關註。
生活中，人們常用「腦袋進水了」比喻做事反應緩慢或出錯，然而，人的腦袋裏正因為充滿了「水」才能很好地運轉。有研究表明，大腦中有150ml的「水」，相當於一小杯啤酒的體積。那為什麽大腦中會有「水」呢，不應該是血液嗎？
其實，大腦中的「水」叫作「腦脊液」，是一種無色透明的液體，大腦是懸浮浸泡在腦脊液中的。血管和大腦之間有一道血腦屏障，目的是保證大腦這個人體「司令部」與外界隔絕開來。因為血液無法給大腦直接提供養分和氧氣，所以血液就在血腦屏障處形成了腦脊液，只有腦脊液可以在大腦中流動，助其工作。腦脊液從腦室流向中腦導水管，既能確保大腦不輕易受到外界有毒物質的入侵，也限制了體外一些激素對大腦的影響。
具體來說，腦室和中腦導水管可以看作是大腦中的「洞」和「坑」。其中，大腦中一共有4個大「洞」，分別是第一、第二、第三、第四腦室。第一、第二腦室又叫作側腦室，位於兩個大腦半球的深部，左右各一，呈C形，它們是腦內容積最大的腦室。第三腦室像個鳥頭，位於大腦中央，透過一個叫「室間孔」的結構和側腦室相連。第四腦室像個小飛機，機頭指向第三腦室，機尾指向脊髓。
而腦脊液就是由各腦室內的脈絡叢（軟腦膜及其上的血管與室管膜上皮共同構成的脈絡組織）產生的，並在這些腦室中流動。腦脊液的大體流向是從第一、第二腦室經過室間孔進入第三腦室，再從類似下水道的「坑」，即中腦導水管流到第四腦室，最後透過蛛網膜下腔和脊髓中央管流出大腦，進入血液迴圈。
大腦中的「下水道」雖然看起來不起眼，卻很重要。由於中腦導水管的孔徑非常小，一旦被炎癥或腫瘤堵住，就會導致腦脊液無法流出，進而在腦內積累產生高壓，形成腦積水。所以，腦積水不僅僅是「腦子進水」這麽簡單，它會使患者頭部變大，嚴重的可導致嘔吐、嗜睡和癲癇發作。
大腦「換水」清理代謝廢物
大腦中的腦脊液一直在流動，也在不停地更換，24小時大約需更換4次。
大腦為什麽需要「換水」？難道在「水」中養魚了嗎？不錯，大腦中的「魚」就是腦細胞。腦細胞雖然不會像魚一樣遊來遊去，但也會排泄「廢物」，如果不及時清理，腦部就充滿代謝出的有毒物質。有研究稱，大腦每天要清除約7克有毒蛋白質，一個月會更新210克蛋白質，這個過程就是透過腦脊液的流動完成的。
眾所周知，淋巴系統是人體內重要的防禦功能系統，可清除異物和細菌，提高免疫力。在人類的不斷演化中，大腦也演化出一種類淋巴系統「膠質淋巴系統」，主要由腦膠質細胞負責，相當於給大腦這個「大魚缸」裝上了過濾器，不停地「換水」。正是因為這種膠質淋巴系統對腦脊液的更換清洗，大腦才能保持清醒。
大腦雖然只占人體重量的2%，也就3斤左右，卻要消耗人體20%的能量，可謂是個「耗能大戶」。大量的消耗工作會產生很多有毒物質，如活性氧、多余的免疫球蛋白、蛋白質片段等。活性氧分子也稱「自由基」，是新陳代謝的廢物，過多的活性氧堆積會導致氧化應激，而氧化應激會使神經細胞死亡。大腦是人體為數不多的不能產生新細胞的地方，一旦腦細胞死亡，就不會再有新的腦細胞補位。
更為可怕的是β-澱粉樣蛋白的沈積，這是一種與阿爾茨海默病相關的蛋白質。除了阿爾茨海默病，一些特定蛋白質的沈積與帕金森病、多系統萎縮癥等神經退行性疾病的發生也有著千絲萬縷的關系。而這些蛋白質可能會在類淋巴系統無法正常運作時出現異常堆積。
神經退行性疾病的一個共同特點是，患者在出現嚴重病癥之前，很早就有了睡眠障礙，如睡眠時間短、睡不深、經常醒等表現。這些睡眠障礙和神經退行性疾病的相關性讓科學家更加相信，大腦進行的清洗工作非常重要。
「入睡後排毒更高效」尚無定論
大腦「換水」即更換腦脊液很重要，那主要是在什麽時候進行呢？為了進一步確認睡眠與類淋巴系統清洗之間的關系，科學家開展了多項研究，然而直到現在也沒有得出一致的結論，相比之下，認為「換水」發生在睡覺時的觀點居多。
在2013年發表在【科學】雜誌上的一項研究中，麥肯·尼德佳德研究組的人員對小鼠實施麻醉後，將微小的熒光示蹤劑註入小鼠腦脊液中，熒光示蹤劑迅速進入小鼠大腦，並沿著特定、可預測的路徑從腦中排出。他們發現，當小鼠入睡後，腦脊液會更加自由地流動，甚至會到達腦部更深的部位，而小鼠處於清醒狀態時，腦脊液只能沿著大腦表面流動，流量僅為睡眠狀態的5%。該團隊還發現，當小鼠的大腦處於睡眠或麻醉狀態時，就會忙於清除清醒狀態時累積的代謝「垃圾」。在睡眠狀態下，小鼠大腦清除代謝「垃圾」的速度可達到清醒狀態的兩倍。相比其他類似研究，這一研究結果似乎首次「同理證明」了人腦在睡覺時「高效換水」的假說。
然而前段時間，一個「打臉」的研究結果發表在【自然-神經科學】雜誌上。該研究簡訊透過直接測定麻醉、睡眠和清醒狀態下小鼠大腦對代謝物的清除速率， 發現大腦在睡眠和麻醉狀態下對代謝物質的清除速率顯著降低。 這一結果和此前很多研究結果截然相反，還暗示了過度睡眠會使大腦運轉失常，對「睡眠能夠清除腦中毒素」的觀點提出了挑戰。
其實，早就有科學家對此提出過質疑。2017年發表在【eLife】期刊上的一篇研究論文指出，之前以熒光物質來測量腦脊液流動的方法可能有問題，熒光物質的大小會導致測量出來的腦脊液流動方向不準確。
不過，為何大腦會在睡覺時啟動清理機制？清理機制的速度更關鍵還是產生垃圾物質的速度更關鍵？這些問題都還沒有找到答案。有一種假說認為，可能人在睡眠時腦脊液的清理速度並沒有變快，只是因為睡眠時大腦很多細胞處於休息狀態，所以只產生了少量的代謝廢物，從而使得腦脊液能夠「勝任」清理工作，甚至把白天沒幹完的活兒也幹了。
當然，科學上的爭論時常有之，關於睡眠時大腦「換水」時間及速率高低的問題，有待定論。但不管是晚上「換水」還是白天「換水」， 膠質淋巴系統對大腦雜質的清理作用是肯定的。
大腦健康與睡眠狀況密切相關
為什麽科學家的研究總是將睡眠跟大腦聯系在一起，其中一個關鍵原因是睡眠對於大腦維持健康助力頗大。
睡眠對於人的記憶加工和儲存至關重要。有研究證明，大腦在睡眠期間，之前的學習環路被重新啟用，不斷被啟用的神經環路形成了清晰的記憶。一般來說，短期記憶儲存在大腦中稱為海馬體的區域，而長期記憶是在新皮質中編碼的。記憶從海馬體轉移到新皮質的過程稱為記憶鞏固，而這一過程就發生在人們睡覺時。
睡眠在形成新的神經突觸連線及修整舊有神經環路的過程中發揮著突出作用。有研究提出，突觸在白天生長得非常劇烈，整個大腦就像一個施工現場，而睡覺時，大腦裏的突觸進行修整，各種訊號才會安靜下來。
還有研究發現，睡眠對於情緒的影響是巨大的。患有抑郁癥或雙相情感障礙的患者，往往都有睡眠障礙。很多慢性失眠的人，在以後生活中患有抑郁或焦慮癥的可能性是睡眠良好者的兩倍。
總之，無論大腦是否在晚上「換水」，睡眠的重要性都不言而喻。舉個例子，海豚和鯨魚會讓大腦兩個半球交替睡覺，讓自己一邊睡覺一邊遊泳。如果它們的大腦不能在一天內得到很好的休息，那麽即便能夠一直遊泳，大腦的反應速率也會急速下降。大腦反應變慢，對於它們捕食和逃避天敵來說，無疑是滅頂之災。
生物體不是機器，定期的保養和休息才是保證機體良好執行的關鍵。人一生中至少有三分之一的時間在睡覺，可想而知睡眠有多重要。除了上述提到的睡眠與大腦健康密不可分之外，睡眠還可以強化人體免疫功能。研究表明，睡眠不足的人在接觸病毒後更容易生病，且生病後缺乏睡眠還會影響病愈的速度。此外，睡眠不足會減少保護性細胞因子的產生，同時導致NK細胞（即自然殺傷細胞，是機體重要的免疫細胞，被譽為腫瘤和病毒的「天生殺手」）減少30%、白血球活力下降。
對於未成年人來說，睡眠可以促進發育，將近70%的生長激素都是在睡眠時分泌的。每晚不同階段的睡眠可以促進大腦不同功能的發展，比如，快速眼動睡眠可促進視覺、運動功能的發展，慢波睡眠有助於大腦皮質的成熟，同時對於認知和情感的發育有重要作用。
「好好睡覺」確有科學依據
因此，「好好睡覺」不只是養生之談，而是真的可以讓身心維持更健康的狀態。
很多研究都說熬夜對大腦不好，但有的年輕人不以為然，感覺自己的大腦活力似乎並未受損。需要提醒的是，年輕人的大腦活力雖然可以從短期的睡眠不足中迅速恢復，但慢性、長期的失眠和睡眠紊亂會給大腦的新陳代謝帶來巨大壓力，導致與警覺和正常皮層功能有關的神經元發生變性、與衰老和神經變性相關的蛋白質不斷積累，其後果之一就是熬夜的人更容易患上阿爾茨海默病。
大腦的「換水」功能也會受到睡眠的影響。有研究表明，老年人大腦脊液的更換率只有年輕人的10%，而年輕人如果經常熬夜，其腦脊液的更換率只有睡眠良好時的10%左右。也就是說，年輕人經常熬夜的話，其大腦狀態會變得和老年人的大腦狀態差不多，同時，大腦中與神經退行性疾病相關的蛋白質異常增加，會導致記憶和反應能力下降。
睡眠是生物律動的一部份，人體內的各個器官會按照環境的變化進行有節律的活動。大腦中的視交叉上核透過視網膜感受外界光的變化，透過褪黑激素的水平，指導人體的正常運轉。如果一個人的晝夜節律被打亂，該睡覺時不睡覺，該起床時不起床，久而久之，人體各個器官的節律就會被打亂，不僅大腦會出問題，整個身體都會變差。
現在已知的睡眠疾病多達90余種，日益成為一個突出的醫療及公共衛生問題。關於睡眠和大腦關系的科學研究仍在世界範圍內如火如荼地進行著，其中，經過30多年的發展，一門新的交叉學科——睡眠醫學逐漸成形，在歐美等國家成為與心血管、呼吸等並列的獨立學科。透過研究大腦運作的機制，人們可以更好地了解睡眠的重要性，同時，透過研究睡眠對大腦的影響，更有利於深入研究大腦的各項功能。雖然現在科學家對於睡眠時大腦能否進行高效的清洗工作仍有爭論，但大量科研成果已經明確，人的大腦健康離不開良好的睡眠。
（供圖：視覺中國）
