几乎每个人都经历过：一夜睡眠不足后，你会感觉不如平时警觉。大脑似乎变得模糊，当你应该集中注意力时，思绪却飘走了。
麻省理工学院的一项新研究揭示了这些短暂注意力丧失发生时大脑内部的状况。科学家们发现，在这些注意力不集中的时刻，一波脑脊液(CSF)会从大脑中流出——这一过程通常发生在睡眠期间，有助于清除白天积累的废物产物。这种冲刷被认为对维持健康、正常运作的大脑是必要的。
当一个人睡眠不足时，他的身体似乎试图通过启动脑脊液流动的脉冲来弥补这一清洁过程。然而，这是以注意力严重受损为代价的。
"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，在脑脊液流动的瞬间，注意力就会失效，"劳拉·刘易斯(Laura Lewis)说，她是麻省理工学院电气工程与计算机科学系的阿西诺拉·A·马丁诺斯副教授，麻省理工学院医学工程与科学研究所和电子研究实验室成员，也是皮考尔学习与记忆研究所的准成员。
刘易斯是这项研究的资深作者，该研究今天发表在《自然·神经科学》上。麻省理工学院访问研究生宗杨(Zinong Yang)是论文的第一作者。
大脑的"排毒"过程
尽管睡眠是一个关键的生物学过程，但确切地知道它为何如此重要仍然未知。睡眠似乎对保持警觉至关重要，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，刘易斯和同事们表明，睡眠期间的脑脊液流动遵循大脑内外有节奏的模式，这些流动与睡眠期间脑波的变化有关。
这一发现促使刘易斯思考睡眠剥夺后脑脊液流动会发生什么变化。为了探讨这个问题，她和她的同事们招募了26名志愿者，他们接受了两次测试——一次是在实验室经历一夜睡眠剥夺后，另一次是在他们充分休息的状态下。
在早晨，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能记录脑波的心电图(EEG)帽，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，使他们不仅能测量大脑中的血氧含量，还能测量脑脊液在大脑内外的流动。他们还测量了每个受试者的心率、呼吸速率和瞳孔直径。
参与者在fMRI扫描仪中执行了两项注意力任务，一项视觉任务和一项听觉任务。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按下按钮。对于听觉任务，他们会听到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，对于某些刺激，参与者完全没有注意到变化。
在这些短暂的注意力不集中期间，研究人员确定了同时发生的几种生理变化。最显著的是，他们发现注意力不集中发生的瞬间，脑脊液正好从大脑中流出。每次注意力不集中后，脑脊液又流回大脑。
"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，"刘易斯说。
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过程的损失，尽管这些脑脊液流动的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以恢复一些认知功能，"杨说。"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切换来恢复功能。"
统一的神经回路
研究人员还发现了与注意力丧失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大脑脑脊液流出前约12秒开始，并且在注意力不集中后瞳孔再次扩大。
"有趣的是，这似乎不仅仅是大脑中的现象，而是一个全身性的事件。这表明这些系统之间存在紧密协调，当你注意力不集中时，你可能会在感知和心理上感受到它，但它也反映了整个大脑和身体正在发生的事件，"刘易斯说。
研究人员认为，这些不相关事件之间的紧密联系可能表明存在一个单一回路，同时控制注意力以及流体流动、心率和觉醒等身体功能。
"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，以及非常基本的生理过程，如大脑的流体动力学、全脑血流量和血管收缩，"刘易斯说。
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。
这项研究由美国国立卫生研究院、国家科学与工程研究生研究奖学金、NAWA奖学金、麦特学者奖、斯隆奖学金、生物医学学者奖、One Mind新星奖和西蒙斯老龄化大脑可塑性合作项目资助。
睡眠科学的新视角
这项研究为理解睡眠与认知功能之间的关系提供了新的视角。传统上，我们知道睡眠对大脑健康至关重要，但这项研究具体揭示了睡眠不足时大脑如何尝试"自我修复"。
"大脑似乎有一种机制，即使在清醒状态下，也会尝试进行通常只在睡眠期间发生的清洁过程，"刘易斯解释道。"但这种清洁是有代价的——它会暂时夺走我们的注意力。"
这一发现可能对理解多种神经系统疾病具有重要意义。例如，阿尔茨海默病等神经退行性疾病与大脑中废物积累有关。了解睡眠如何帮助清除这些废物，以及睡眠不足如何阻碍这一过程，可能为开发新疗法提供线索。
实际应用与未来研究
研究人员指出，虽然这项研究揭示了睡眠不足和注意力丧失之间的联系，但还需要更多研究来了解如何利用这一知识改善睡眠质量或减轻睡眠不足的影响。
"我们可能需要重新思考如何设计工作环境和休息时间，以最大限度地减少这种注意力丧失，"杨说。"也许我们可以安排更频繁的短暂休息，而不是长时间工作后一次性休息。"
未来的研究可能会探索去甲肾上腺素系统在调节这种"清醒期睡眠"过程中的作用，以及是否可以通过药物或其他干预手段帮助大脑在睡眠不足时更好地平衡清洁功能和认知功能。
睡眠与健康的深远意义
这项研究强调了睡眠对整体健康的重要性。在现代社会，许多人因为工作压力、电子设备使用或其他原因而睡眠不足，这可能导致长期健康问题。
"我们的发现提醒人们，睡眠不仅仅是休息，它对大脑健康至关重要，"刘易斯说。"长期睡眠不足可能会对大脑功能产生深远影响，因为大脑无法有效地清除积累的废物。"
这项研究为理解睡眠如何影响大脑功能提供了新的见解，并为开发改善睡眠质量和认知功能的方法铺平了道路。
