我們的大腦在睡眠時(shí)，其實(shí)在進(jìn)行一場高效的“大掃除”。大量研究表明，深度睡眠能促進(jìn)腦內(nèi)一種“清洗液”（腦脊液）的流動(dòng)，幫助清理白天積累的代謝廢物。但問題是：這場清潔究竟是由“困意”（睡眠壓力）發(fā)動(dòng)的，還是由“沉睡深度”（慢波睡眠）來強(qiáng)化的？又或者兩者缺一不可？

近期，一項(xiàng)發(fā)表在權(quán)威期刊上的研究利用最先進(jìn)的腦成像技術(shù)，為我們揭開了睡眠清洗大腦的雙引擎奧秘。科學(xué)家通過讓志愿者經(jīng)歷睡眠剝奪和藥物干預(yù)，首次清晰區(qū)分了“困意”和“深度睡眠”在驅(qū)動(dòng)大腦脈搏（腦搏動(dòng)）和促進(jìn)清潔中的不同角色。

來自丹麥哥本哈根大學(xué)醫(yī)院神經(jīng)生物學(xué)研究中心Gitte Moos Knudsen及其研究團(tuán)隊(duì)做了一項(xiàng)專門研究，標(biāo)題為《 Sleep deprivation and sleep intensity exert distinct effects on cerebral vasomotion and brain pulsations driven by the respiratory and cardiac cycles》，相關(guān)成果于2025年11月20日發(fā)表在《PLOS Biology》期刊上。該研究通過晝夜節(jié)律控制實(shí)驗(yàn)與加速神經(jīng)影像學(xué)等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)睡眠壓力升高會(huì)增強(qiáng)全腦低頻腦血管舒縮運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦搏動(dòng)，而慢波富集的 NREM 睡眠（尤其 N3 期）會(huì)強(qiáng)化呼吸和心臟驅(qū)動(dòng)的腦搏動(dòng)，且后者在腦灰質(zhì)、白質(zhì)中效應(yīng)更顯著，α1/β 腎上腺素能拮抗劑可調(diào)節(jié)相關(guān)腦搏動(dòng)。該研究首次明確了睡眠壓力與慢波睡眠在調(diào)控腦液動(dòng)力學(xué)中的不同作用，揭示了人類腦液流動(dòng)及潛在代謝廢物清除的睡眠依賴性機(jī)制，為理解睡眠障礙相關(guān)腦功能異常提供了生理基礎(chǔ)，也為相關(guān)疾病的干預(yù)提供了潛在靶點(diǎn)。

研究設(shè)計(jì)

本研究采用晝夜節(jié)律控制的交叉設(shè)計(jì)，納入 20 名健康男性受試者，進(jìn)行 3 次磁共振腦電圖（MR/EEG）掃描：充分休息后（清醒 11 小時(shí)）、35 小時(shí)睡眠剝奪后（分別服用安慰劑或 α1/β 腎上腺素能拮抗劑卡維地洛），掃描時(shí)間統(tǒng)一為晚間 18:30–20:30 以控制晝夜節(jié)律影響。采用雙盲隨機(jī)交叉設(shè)計(jì)給藥，兩次睡眠剝奪掃描間隔 1 周洗脫期。采用線性混合模型分析 MREG 頻譜功率與睡眠狀態(tài)、睡眠深度、藥物干預(yù)的關(guān)系，校正晝夜節(jié)律、心率、呼吸頻率等混雜因素；通過體素分析比較灰質(zhì)（GM）、白質(zhì)（WM）和腦室腦脊液區(qū)域的腦搏動(dòng)差異。

睡眠剝奪增強(qiáng)LFPs頻譜功率

首先，研究發(fā)現(xiàn)與充分休息的清醒狀態(tài)相比，35 小時(shí)睡眠剝奪后，清醒狀態(tài)下的 LFPs 頻譜功率顯著增加；睡眠剝奪后的 NREM 睡眠（N2+N3）中，LFPs 頻譜功率介于充分休息清醒與睡眠剝奪清醒狀態(tài)之間，無顯著睡眠效應(yīng)。相關(guān)性分析顯示，NREM 睡眠期間的 LFPs 頻譜功率與 PVT 測試中的注意力失誤次數(shù)、反應(yīng)時(shí)間正相關(guān)，且與掃描中小睡后的 PVT 表現(xiàn)改善（失誤減少、反應(yīng)加快）呈負(fù)相關(guān)，而在充分休息或睡眠剝奪的清醒狀態(tài)下無此相關(guān)性。敏感性分析驗(yàn)證了睡眠剝奪對(duì) LFPs 的增強(qiáng)效應(yīng)。

NREM睡眠增強(qiáng)呼吸與心臟驅(qū)動(dòng)的腦搏動(dòng)，且與睡眠深度相關(guān)

與充分休息清醒狀態(tài)相比，睡眠剝奪清醒狀態(tài)下呼吸頻率帶的腦搏動(dòng)頻譜功率增加，心臟頻率帶無顯著變化；而進(jìn)入 NREM 睡眠后，呼吸和心臟頻率帶的頻譜功率分別顯著增加 73%和 35%，睡眠剝奪后的 NREM 睡眠中兩者分別增加 150% 和 42%。

睡眠深度對(duì)腦搏動(dòng)的影響顯著：N3 期睡眠的呼吸頻率帶頻譜功率較 N2 期增加，心臟頻率帶較 N2 期增加 ；EEG δ 功率與呼吸和心臟頻率帶的頻譜功率均呈正相關(guān)，且該相關(guān)性在多數(shù)受試者中存在。對(duì)照頻率帶（3.54–3.74 Hz）未顯示睡眠剝奪或 NREM 睡眠的顯著影響。

腦搏動(dòng)的組織特異性差異

通過對(duì)比灰質(zhì)（GM）、白質(zhì)（WM）和腦室腦脊液（CSF）三個(gè)腦區(qū)的 MREG 頻譜功率，揭示了不同組織類型對(duì)睡眠相關(guān)腦搏動(dòng)的響應(yīng)差異：在充分休息的清醒狀態(tài)下，低頻腦搏動(dòng)（LFPs）的頻譜功率在 GM、WM 和腦脊液區(qū)域無顯著差異，且睡眠剝奪對(duì) LFPs 的增強(qiáng)效應(yīng)在三類組織中表現(xiàn)一致，未出現(xiàn)顯著的 “組織類型 × 睡眠剝奪” 交互作用。同樣，NREM 睡眠（N2+N3 期）對(duì) LFPs 的影響也未因組織類型不同而存在差異，“組織類型 ×NREM 睡眠” 交互作用不顯著，這一結(jié)果支持 LFPs 反映全腦血管舒縮運(yùn)動(dòng)的假設(shè)，說明該類腦搏動(dòng)不受局部組織類型的特異性調(diào)控。

與 LFPs 不同，呼吸和心臟頻率帶的腦搏動(dòng)具有顯著的組織特異性。充分休息清醒狀態(tài)下，腦脊液區(qū)域的頻譜功率顯著高于 GM 和 WM：呼吸頻率帶中，腦脊液區(qū)域較 GM 高 101%、較 WM 高 118%；心臟頻率帶中，腦脊液區(qū)域較 GM 高 1030%、較 WM 高 1153%。同時(shí)，GM 的頻譜功率在呼吸頻率帶和心臟頻率帶均略高于 WM，反映了腦實(shí)質(zhì)與腦脊液、灰質(zhì)與白質(zhì)在液體含量和組織粘度上的固有差異對(duì)腦搏動(dòng)的影響。

NREM 睡眠對(duì)呼吸和心臟驅(qū)動(dòng)腦搏動(dòng)的增強(qiáng)效應(yīng)具有顯著的組織偏向性。具體而言，GM 和 WM 在 NREM 睡眠期間的頻譜功率提升幅度遠(yuǎn)大于腦脊液區(qū)域：呼吸頻率帶中，GM 和 WM 的增強(qiáng)效應(yīng)分別比腦脊液區(qū)域高 70% 和 75%；心臟頻率帶中，GM 和 WM 的增強(qiáng)效應(yīng)分別比腦脊液區(qū)域高 92% 和 110%。此外，睡眠剝奪與組織類型在呼吸頻率帶存在交互作用，且該效應(yīng)僅局限于 GM和 WM，進(jìn)一步證實(shí)腦實(shí)質(zhì)組織對(duì)睡眠相關(guān)的腦血流動(dòng)力學(xué)變化更為敏感。

卡維地洛對(duì)腦搏動(dòng)的調(diào)節(jié)作用

最后，作者通過對(duì)比安慰劑與 α1/β 腎上腺素能拮抗劑卡維地洛干預(yù)后的數(shù)據(jù)，明確了腎上腺素能通路對(duì)不同類型腦搏動(dòng)的調(diào)控作用：卡維地洛顯著降低血漿去甲腎上腺素水平，但未改變受試者的呼吸頻率、心率及睡眠結(jié)構(gòu)（包括清醒與 NREM 睡眠的時(shí)間占比）。

在低頻腦搏動(dòng)（LFPs）方面，卡維地洛的調(diào)節(jié)作用具有狀態(tài)依賴性：NREM 睡眠期間，卡維地洛組的 LFPs 頻譜功率較安慰劑組顯著降低；而在睡眠剝奪的清醒狀態(tài)下，卡維地洛組與安慰劑組的 LFPs 頻譜功率無顯著差異。這一結(jié)果支持 LFPs 起源于腦血管舒縮運(yùn)動(dòng)的假設(shè)，且該舒縮運(yùn)動(dòng)在睡眠狀態(tài)下更依賴腎上腺素能信號(hào)調(diào)控，而清醒狀態(tài)下可能受其他多重機(jī)制共同影響。

對(duì)于心臟頻率帶的腦搏動(dòng)，卡維地洛同樣表現(xiàn)出狀態(tài)特異性調(diào)節(jié)效應(yīng)：NREM 睡眠期間，卡維地洛組的頻譜功率較安慰劑組顯著降低；清醒狀態(tài)下兩組無顯著差異。這一現(xiàn)象可能與卡維地洛的負(fù)性肌力作用相關(guān) —— 藥物抑制心肌收縮力，減弱了心跳引發(fā)的壓力波在腦血管中的傳導(dǎo)，進(jìn)而降低腦內(nèi)相關(guān)搏動(dòng)強(qiáng)度，且該效應(yīng)在睡眠狀態(tài)下更為明顯，可能與睡眠時(shí)自主神經(jīng)調(diào)節(jié)模式的改變有關(guān)。

在呼吸頻率帶的腦搏動(dòng)方面，卡維地洛干預(yù)與安慰劑組無顯著差異，且兩組均在 NREM 睡眠期間出現(xiàn)顯著的頻譜功率增強(qiáng)。這表明呼吸驅(qū)動(dòng)的腦搏動(dòng)不受腎上腺素能通路調(diào)控，其增強(qiáng)效應(yīng)主要依賴于 NREM 睡眠相關(guān)的呼吸模式改變或腦內(nèi)液體環(huán)境變化，與心臟驅(qū)動(dòng)的腦搏動(dòng)存在截然不同的調(diào)節(jié)機(jī)制。

研究結(jié)論

1. 睡眠壓力升高（35 小時(shí)睡眠剝奪）顯著增強(qiáng)全腦 LFPs，且 LFPs 強(qiáng)度與睡眠相關(guān)認(rèn)知功能恢復(fù)相關(guān)，提示腦血管舒縮運(yùn)動(dòng)可能參與睡眠中的腦功能修復(fù)。

2. 慢波富集的 NREM 睡眠（尤其 N3 期）顯著增強(qiáng)呼吸和心臟驅(qū)動(dòng)的腦搏動(dòng)，且與 EEG δ 功率正相關(guān)，該效應(yīng)在 GM 和 WM 中更明顯，支持睡眠通過增強(qiáng)腦血流動(dòng)力學(xué)促進(jìn)腦脊液流動(dòng)及代謝廢物清除的機(jī)制。

3. 卡維地洛對(duì) LFPs 和心臟驅(qū)動(dòng)腦搏動(dòng)的抑制作用，驗(yàn)證了腦血管舒縮運(yùn)動(dòng)的腎上腺素能調(diào)節(jié)機(jī)制，為腦代謝廢物清除的藥理學(xué)干預(yù)提供了潛在靶點(diǎn)。

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003500

腦聲小店基于深度科研洞察，專注為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)提供"簡器械·精實(shí)驗(yàn)"解決方案。我們突破高精設(shè)備局限，開發(fā)手工定制化儀器及配件，通過科研巧思將基礎(chǔ)工具轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案。產(chǎn)品涵蓋行為學(xué)裝置、操作輔助工具等，使實(shí)驗(yàn)室在保持操作簡效的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化數(shù)據(jù)采集，助力科研人員以創(chuàng)造性思維發(fā)掘簡易儀器的潛在科研價(jià)值。