几乎每个人都经历过：经过一夜糟糕的睡眠后，你感觉不像平时那样警觉。大脑似乎变得模糊不清，当你本应集中注意力时，思绪却游走了。
麻省理工学院的一项新研究揭示了这些短暂注意力不集中发生时大脑内部的情况。科学家们发现，在这些注意力波动期间，一波脑脊液(CSF)从大脑中流出——这一过程通常只在睡眠期间发生，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的脉冲来弥补这一清洁过程。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情况。然而，它们伴随着注意力的权衡，即在脑脊液流动的瞬间，注意力会下降，"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。Lewis是医学工程与科学研究所和电子研究实验室的成员，也是Picower学习与记忆研究所的准成员。
Lewis是这项研究的资深作者，该研究发表在《自然·神经科学》上。麻省理工学院访问研究生Zinong Yang是论文的第一作者。
大脑冲洗机制
尽管睡眠是一个关键的生物过程，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和同事表明，睡眠期间的脑脊液流动遵循进出大脑的节律模式，并且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变化。为了探索这个问题，她和同事招募了26名志愿者，对他们进行了两次测试——一次是在实验室经历一夜睡眠剥夺后，另一次是在他们休息良好后。
在早上，研究人员监测了几种不同的大脑和身体功能指标，同时参与者执行一项通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进版的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。他们还测量了每位受试者的心率、呼吸率和瞳孔直径。
参与者在fMRI扫描仪中执行了两项注意力任务，一项是视觉的，一项是听觉的。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，十字会变成正方形，参与者被要求每当看到这种情况发生时按下一个按钮。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，睡眠剥夺参与者在这些任务上的表现远不如休息良好的参与者。他们的反应时间更慢，对于某些刺激，参与者根本没有注意到变化。
在这些短暂的注意力不集中期间，研究人员确定了几个同时发生的生理变化。最显著的是，他们发现脑脊液恰好在这些注意力波动发生时从大脑中流出。每次注意力波动后，脑脊液流回大脑。
"结果表明，在注意力失败的瞬间，这种液体实际上正在被排出大脑外部。而当注意力恢复时，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功能的丧失，尽管这些脑脊液流动的脉冲伴随着注意力损失的成本。
"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切换来恢复功能。"
统一神经回路
研究人员还发现了几种与注意力波动相关的其他生理事件，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，并在注意力波动后再次扩张。
"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，当你的注意力下降时，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，"Lewis说。
根据研究人员的说法，这些不同事件之间的密切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，存在一个统一回路，既控制我们认为大脑的高级功能——我们的注意力、我们感知和响应世界的能力——同时也控制非常基本的生理过程，如大脑的流体动力学、全脑血流和血管收缩，"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剥夺时大脑内部机制的理解，还可能为开发改善睡眠质量和认知功能的新方法提供线索。研究表明，大脑在睡眠不足时会尝试进行自我修复，但这种修复过程与注意力波动直接相关，这解释了为什么睡眠不足的人难以集中注意力。
未来研究可以探索去甲肾上腺素系统如何控制这种注意力与脑脊液流动的切换，以及是否可以通过调节这一系统来减轻睡眠剥夺对注意力的影响。此外，研究还可以探索不同类型的睡眠剥夺(如急性vs慢性)对这一机制的不同影响，以及年龄因素如何调节这一过程。
实践启示
从实践角度来看，这项研究强调了充足睡眠对维持认知功能的重要性。它解释了为什么睡眠不足不仅让人感到疲倦，还会导致注意力不集中、反应迟缓等问题。这也为那些因工作或学习需要经常熬夜的人提供了科学依据：短期睡眠剥夺可能导致大脑功能暂时性下降，长期则可能对大脑健康产生更深远的影响。
睡眠与大脑健康
这项研究进一步证实了睡眠对大脑健康的重要性。睡眠不仅是休息和恢复的过程，还是大脑自我清洁和维持功能的关键时期。脑脊液的节律性流动有助于清除大脑代谢废物，如β-淀粉样蛋白，这些物质与阿尔茨海默病等神经退行性疾病有关。
研究表明，长期睡眠不足可能增加患神经退行性疾病的风险，部分原因是大脑无法有效地清除这些有害物质。这一发现强调了保持良好睡眠习惯对长期大脑健康的重要性。
注意力波动的多系统影响
研究还发现，注意力波动不仅涉及大脑活动，还与身体其他系统的变化密切相关，包括心率、呼吸和瞳孔反应。这表明大脑的高级认知功能与基本生理过程之间存在紧密联系，可能由同一神经回路控制。
这一发现对理解注意力障碍(如注意力缺陷多动障碍ADHD)可能有重要启示。这些障碍可能涉及控制注意力和基本生理功能的神经回路的异常，而不仅仅是大脑特定区域的功能问题。
总结与展望
这项研究通过结合脑电图和功能性磁共振成像技术，首次揭示了睡眠剥夺时注意力波动与脑脊液流动之间的直接联系。这一发现不仅加深了我们对睡眠功能的理解，还为开发改善睡眠质量和认知功能的新方法提供了潜在靶点。
未来研究可以进一步探索控制这一机制的神经回路，特别是去甲肾上腺素系统的作用。此外，研究还可以探索如何通过干预这一机制来减轻睡眠剥夺对认知功能的影响，以及长期睡眠不足对大脑健康的累积效应。
总之，这项研究强调了睡眠对大脑健康和认知功能的重要性，并为我们理解睡眠不足时大脑内部发生的变化提供了新视角。它提醒我们，充足的睡眠不仅有助于保持警觉和注意力，还对大脑长期健康至关重要。
