引言：睡眠不足的普遍困扰
几乎每个人都经历过：经过一晚糟糕的睡眠后，你感觉不如平时警觉。大脑似乎变得模糊，当你应该集中注意力时，思绪却会飘走。
麻省理工学院的一项新研究揭示了在这些注意力短暂失效发生时，大脑内部发生了什么。科学家们发现，在这些失效期间，一波脑脊液(CSF)从大脑中流出——这一过程通常在睡眠期间发生，有助于清除白天积累的废物产物。这种冲洗被认为对于维持健康、正常运作的大脑是必要的。
当一个人睡眠不足时，他们的身体似乎试图通过启动脑脊液流动脉冲来赶上这种清洁过程。然而，这付出的代价是注意力显著受损。
"如果你不睡觉，脑脊液波开始侵入清醒状态，而在正常情况下你不会看到这种现象。然而，它们伴随着注意力的权衡，在你有这种液体流动的时刻，注意力就会失效，"麻省理工学院电气工程与计算机科学系的Athinoula A. Martinos副教授Laura Lewis说道，她也是麻省理工学院医学工程与科学研究所和电子研究实验室的成员，以及Picower学习与记忆研究所的成员。
Lewis是这项研究的资深作者，该研究今天发表在《Nature Neuroscience》上。麻省理工学院访问研究生Zinong Yang是论文的第一作者。
大脑的"冲洗"机制
尽管睡眠是一个关键的生物学过程，但确切原因尚不清楚。它似乎对保持警觉至关重要，并且已有充分记录表明，睡眠不足会导致注意力和其他认知功能的损害。
在睡眠期间，缓冲大脑的脑脊液有助于清除白天积累的废物。在2019年的一项研究中，Lewis和同事们表明，睡眠期间的脑脊液流动遵循进出大脑的节律模式，这些流动与睡眠期间脑波的变化有关。
这一发现促使Lewis思考睡眠剥夺后脑脊液流动可能会发生什么。为了探索这个问题，她和她的同事们招募了26名志愿者，他们在实验室中被测试了两次——一次是在实验室里度过一个不眠之夜后，另一次是在他们充分休息的状态下。
在早上，研究人员监测了大脑和身体功能的几种不同指标，同时参与者执行一项常用于评估睡眠剥夺影响的任务。
在任务期间，每位参与者都佩戴一个脑电图(EEG)帽，可以记录脑波，同时他们也在功能性磁共振成像(fMRI)扫描仪中。研究人员使用了一种改良版的fMRI，不仅可以测量大脑中的血氧，还可以测量脑脊液进出大脑的流动。他们还测量了每个受试者的心率、呼吸率和瞳孔直径。
参与者在fMRI扫描仪中执行了两个注意力任务，一个是视觉的，一个是听觉的。对于视觉任务，他们需要看一个有固定十字的屏幕。在随机的时间间隔内，十字会变成正方形，参与者被告知每当看到这种情况发生时就按下一个按钮。对于听觉任务，他们会听到哔哔声，而不是看到视觉变化。
正如预期的那样，睡眠不足的参与者在这些任务上的表现远不如充分休息的参与者。他们的反应时间更慢，对于一些刺激，参与者根本没有注意到变化。
注意力失效与脑脊液流动的关联
在这些注意力短暂失效期间，研究人员同时发现了几种生理变化。最显著的是，他们发现脑脊液从大脑中流出的 flux 正如这些失效发生时。每次失效后，脑脊液流回大脑。
"结果表明，在注意力失效的那一刻，这种液体实际上是被排出大脑外。当注意力恢复时，它又被吸回，"Lewis说。
研究人员假设，当大脑睡眠不足时，它开始补偿睡眠期间通常发生的清洁损失，尽管这些脑脊液流动脉冲伴随着注意力丧失的代价。
"思考这些事件的一种方式是，因为你的大脑非常需要睡眠，它尽力进入类似睡眠的状态来恢复一些认知功能，"Yang说。"你大脑的液体系统试图通过推动大脑在高注意力和高流动状态之间交替来恢复功能。"
统一的神经回路
研究人员还发现了与注意力失效相关的其他几种生理事件，包括呼吸和心率下降，以及瞳孔收缩。他们发现瞳孔收缩在脑脊液流出大脑前约12秒开始，并在注意力失效后再次扩大。
"有趣的是，这似乎不仅仅是一种大脑现象，它也是一种全身性的事件。这表明这些系统之间存在紧密协调，当你的注意力失效时，你可能在感知和心理上感受到它，但它也反映了在整个大脑和身体中发生的事件，"Lewis说。
根据研究人员的说法，这些不同事件之间的紧密联系可能表明存在一个同时控制注意力和身体功能(如流体流动、心率和觉醒)的单一回路。
"这些结果向我们表明，存在一个统一的回路，它控制着我们认为是大脑非常高级的功能——我们的注意力，我们感知和响应世界的能力，以及真正基本的生理过程，如大脑的流体动力学、全脑血流量和血管收缩，"Lewis说。
在这项研究中，研究人员没有探索可能控制这种切换的回路是什么，但他们说，一个很好的候选者是去甲肾上腺素系统。最近的研究表明，这个系统通过神经递质去甲肾上腺素调节许多认知和身体功能，在正常睡眠期间会振荡。
研究意义与未来方向
这项研究不仅加深了我们对睡眠重要性的理解，还揭示了大脑在睡眠不足时如何尝试自我修复的机制。脑脊液流动与注意力失效之间的关联表明，大脑的清洁功能与认知功能之间存在密切关系。
这一发现可能对开发新的干预措施来减轻睡眠不足的影响具有重要意义。例如，如果我们能够理解控制脑脊液流动和注意力切换的神经回路，我们或许能够开发出方法来在睡眠不足时维持更好的认知功能。
此外，这项研究强调了睡眠对整体健康的重要性。睡眠剥夺不仅仅是让人感到疲倦，还会干扰大脑的基本清洁机制，长期来看可能导致认知功能下降和其他健康问题。
结论
麻省理工学院的研究揭示了睡眠剥夺期间大脑发生的一个重要机制：当人们睡眠不足时，大脑会尝试通过启动脑脊液流动来"自我清洁"，但这会以注意力短暂失效为代价。这一发现不仅增进了我们对睡眠重要性的理解，还揭示了大脑功能与生理机制之间的复杂相互作用。
这项研究强调了充足睡眠对于维持大脑健康和认知功能的重要性。它也为我们理解睡眠不足如何导致注意力不集中和认知障碍提供了新的视角，可能为未来开发针对睡眠不足的干预措施提供线索。
随着对这一机制的进一步研究，我们可能会更深入地了解睡眠、大脑清洁和认知功能之间的关系，从而开发出更好的策略来应对睡眠不足带来的挑战。
