大脑中的“清道夫”！

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

为什么睡眠具有恢复性，是生物学中最大的谜团之一。睡眠不足会降低学习能力、影响认知、反应时间延长，并且是癫痫发作的常见原因。在最极端的情况下，持续的睡眠剥夺会在几天到几周内杀死啮齿动物和苍蝇。在人类中，逐渐恶化的失眠状态会在数月或数年内导致痴呆和死亡。

与神经退行性疾病相关的蛋白质存在于大脑细胞周围的间隙空间中，包括β-淀粉样蛋白 (Aβ)、α-突触核蛋白和tau蛋白。在外周组织中，淋巴管将多余的间质蛋白返回到全身循环并在肝脏中降解。而在中枢，脑脊液 (CSF) 则通过大脑再循环，与间质液 (ISF) 交换并去除间质蛋白，包括Aβ、CSF和 ISF的对流交换，CSF流入动脉，ISF流出静脉，这些途径被命名为类淋巴系统（glymphatic system）。类淋巴系统在清除间质废物和其他细胞活动产物中扮演重要角色。在啮齿动物和人类清醒时Aβ的浓度高于熟睡期间，这可能表明清醒与Aβ产生增加有关。

研究团队使用体内双光子成像来分别比较在清醒、麻醉和睡眠状态下小鼠的皮层脑脊液流入情况。研究者将荧光示踪剂注入脑脊液中，用于实时评估脑脊液示踪剂的运动。并同时记录皮层电图 (ECoG) 和肌电图 (EMG) 以持续监测大脑活动状态（图1A）。睡眠状态下的小鼠，在动脉周围空间、软膜下区域和脑实质中观察到荧光脑脊液示踪剂的大量流入，类似于先前在麻醉小鼠中的发现，与睡眠状态相比，觉醒时示踪剂的流入大大减少（图1B和C）。

大脑中的“清道夫”！

图1. 清醒抑制脑脊液示踪剂的流入

因为在活动期间动脉血压较高，则排除了动脉搏动的昼夜波动可能是清醒期间对流脑脊液通量显著抑制的原因。另一种可能性是，间隙空间体积的变化导致，因为狭窄的间隙空间会增加对流体对流运动的阻力并抑制脑脊液流入。研究者们在头部固定小鼠中使用了实时离子电渗四甲基铵 (TMA)方法来评估清醒与睡眠小鼠间质空间的体积和曲折度。经检测发现，睡眠或麻醉小鼠的皮质间质体积分数（22%至24%）相比于清醒状态下（13%至15%）有显著增加，而间质空间的曲折度不随大脑活动状态的变化有显着不同（图2A）。总的来说，这些观察结果表明清醒小鼠中脑脊液示踪剂的流入会因为间质空间收缩而受到抑制。

大脑中的“清道夫”！

图2. 实时TMA +离子电渗量化皮层细胞外空间的体积

之前的分析表明多达65%的外源性Aβ可以被类淋巴系统清除，使用放射性标记的125 I-Aβ 1-40注射到清醒、自然睡眠和麻醉小鼠的皮质内，再验证间质Aβ是否在睡眠期间被最有效地清除。结果发现，睡眠小鼠的Aβ清除速度比清醒小鼠快两倍（n = 23 至 29 只小鼠，P < 0.05图3A&B）。睡眠和麻醉小鼠之间的Aβ清除率没有明显差异。

大脑中的“清道夫”！