人类为什么要做梦?做梦帮助大脑清除废物

2021
10/09

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生物世界
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在 REM 睡眠期间,大脑血流量会显著增加,这一过程对于清除神经元正常活动产生的各种代谢废物至关重要。

撰文 | 朱哼哼

编审 | 王新凯

来源 | 学术头条

晚上不想睡、早上不想起、假期睡不够,是绝大多数当代年轻人的生活现状。

据中国睡眠研究协会发表的《睡眠调查报告》显示,超 3 亿中国人群有睡眠碍,其中 11 点后入睡人群占 75%,凌晨 1 点入睡人群超过 30%。就睡眠时长来看,中国人平均睡眠时间比 7 年前减少将近 2 小时。2020 年中国人平均只睡 6.82 小时,对于 90 后,00 后甚至只有 6.47 和 6.45 小时。

假期最后一天,我们来探讨一个极其普通的问题:睡觉为什么如此重要?或者说,我们人类为什么要睡觉?


实际上,大量研究表明,长期睡眠不足会导致一系列心脑血管疾病,尤其是与大脑废物代谢相关的神经退行性疾病,如阿尔兹海默病。

近日,日本筑波大学国际综合睡眠医学研究所 Yu Hayashi 教授带领的研究团队就发现,
哺乳动物快速眼动睡眠期间大脑血液流速会显著增加,这对于大脑累积废物的清除至关重要。

同时 Hayashi 教授证实,快速眼动睡眠期间大脑血流量增加是由腺苷 A2a 受体介导的。一旦腺苷 A2a 受体被清除,则哺乳动物快速眼动睡眠期间大脑血流量不会增加,大脑累积的废物也不会被有效清除。

值得一提的是, 当一个人进入快速眼动睡眠之后如果把他唤醒,他会报告说正在做梦。这也就意味着,
当你做美梦的时候,你的大脑正在清理“垃圾”。

对此,Hayashi 教授表示,“我们对结果感到惊讶,在快速眼动睡眠期间有大量红细胞通过大脑毛细血管,但是非快速眼动睡眠和清醒状态之间没有区别,表明快速眼动睡眠是一种独特的状态。鉴于快速眼动睡眠减少、大脑血流量减少与阿尔兹海默病的发生密切相关,未来或许可以开发针对阿尔兹海默病的新疗法”。


相关研究以 : Cerebral capillary blood flow upsurge during REM sleep is mediated by A2a receptors  为题发表在 Cell Reports 杂志上。

做梦的睡眠,至关重要

我们都知道睡眠对于健康至关重要,几个晚上没睡好,就会感到烦躁不安、学习效率低下、食欲不振等等。毕竟,人一生有三分之一的时间处于睡眠状态,睡眠不足会导致一系列诸如肥胖、心脑血管疾病、抑郁等等问题。

人类的睡眠受生物节律的影响,同时每一次睡眠又会有其自身的睡眠周期和睡眠阶段。人类睡眠周期包括两个时相:非快速眼动睡眠期(NREM)和快速眼动睡眠期(REM)。NREM与REM交替出现,交替一次称为一个睡眠周期,两种循环往复,每夜通常有 4~5 个睡眠周期,每个周期 90~110 分钟。随着睡眠周期的继续,REM 睡眠所占比例逐渐增加。

目前,大量的研究表明,NREM 睡眠和 REM 睡眠对于人类均具有重要作用。其中,REM 睡眠对于人类记忆巩固和神经突触可塑性至关重要,而 NREM 睡眠对于人体生长激素分泌、免疫激活、炎症等功能密切相关。

在快速动眼睡眠阶段,虽然身体处于麻痹状态,但是脑在某些方面却很像是清醒状态,眼球会快速移动,同时身体肌肉放松。多数在醒来后能够回忆的清晰的梦境都是在 REM 睡眠发生的。

同时, 在 REM 睡眠期间,大脑血流量会显著增加,这一过程对于清除神经元正常活动产生的各种代谢废物至关重要。 而睡眠失调则会导致这一过程紊乱,与神经退行性疾病诸如阿尔兹海默病等密切相关。

2018 年,华盛顿大学圣路易斯医学院研究人员在 JAMA Neurology 杂志上发表的一篇文章显示,睡眠周期中断或是阿尔兹海默病早期临床症状。

此后,另一组研究人员在 Science 杂志上发表的研究显示,睡眠剥夺会明显增加哺乳动物大脑中 tau 蛋白水平,而 tau 蛋白与阿尔兹海默病的发生密切相关。也就是说,睡眠不足或会影响 REM 睡眠期间,大脑废物清理的正常节律,导致大脑中废物积累,损伤神经,诱导阿尔兹海默病的发生。

不过,此前人们尚不清楚大脑在REM期间进行废物清除的机制。

做梦帮助大脑清除废物

到目前为止,人们尝试使用了各种方法来研究 NREM 和 REM 期间大脑血流动力学,包括 PET/CT、近红外光谱、超声、核磁共振等等技术。然而,这些技术并不完美,有时甚至得出相反的结论。

为了更直观的感受不同睡眠阶段大脑血流量的变化,Hayashi 教授带领的研究团队使用先进的双光子显微镜技术,直接可视化小鼠在 NREM 和 REM 睡眠期间大脑毛细血管中红细胞的运动情况。


同时,研究人员还对小鼠大脑的电活动进行监测,以识别小鼠大脑处于 NREM 睡眠、REM 睡眠还是清醒状态,并观察不同状态期间大脑血流量的差异。

结果 Hayashi 教授发现,在 REM 睡眠期间,有大量的红细胞通过脑毛细血管,但是在 NREM 睡眠以及清醒状态时,血流量没有区别。这意味着,
REM 睡眠是一种独特的状态,与大脑血流量增加密切相关。

随后,Hayashi 教授扰乱了小鼠的睡眠,为了补偿早期中断,此时小鼠产生反弹的更强的 REM 睡眠。结果发现,REM 睡眠反弹期间大脑血流量会进一步增强,表明大脑血流量与 REM 睡眠强度密切相关。

最后,研究人员还找到了睡眠期间大脑血流量调节的分子机制,腺苷 A2a 受体。

腺苷由神经元和神经胶质细胞释放,并通过激活腺苷 A2a 受体促进大脑血管扩张。除此之外,
我们经常喝的咖啡,也可以通过咖啡因阻断 A2a 受体,抑制睡眠。


在实验中,Hayashi 教授发现,当敲除小鼠 A2a 受体后,小鼠 REM 睡眠期间血流量不会再明显增加,即使是反弹 REM 期间也是如此。这表明,在 REM 睡眠期间,腺苷 A2a 受体是控制大脑血流量的关键。

鉴于大脑血流量减少、REM 睡眠减少与阿尔兹海默病的发生发展密切相关,其中机制可能与大脑废物堆积密切相关。因此,靶向 A2a 受体增加大脑血流量,或是改善阿尔兹海默病一个可行的方案。当然,这还需要进一步的验证。

参考资料:
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(21)00992-X
https://www.tsukuba.ac.jp/en/research-news/20210825140000.html
图片来源:Pixabay
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关键词:
大脑,睡眠,血流量,废物,期间

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