這就是你睡眠不足時的大腦狀態(tài)

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早上好，我是腦叔，一個愛聊腦的家伙。

幾乎每個人都經(jīng)歷過這種情況：睡眠不足后，你會感覺精神不振。大腦昏昏沉沉，本該集中注意力的時候卻走神了。

麻省理工學(xué)院的一項新研究揭示了這種短暫注意力不集中時大腦內(nèi)部發(fā)生的變化。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在這些注意力分散期間，腦脊液（CSF）會從大腦流出——這個過程通常發(fā)生在睡眠期間，有助于清除白天積累的代謝廢物。這種沖洗被認(rèn)為是維持大腦健康和正常運作所必需的。

當(dāng)一個人睡眠不足時，身體似乎會試圖通過啟動腦脊液脈沖式流動來彌補(bǔ)這種清潔過程。然而，這樣做的代價是注意力嚴(yán)重受損。

“如果你不睡覺，腦脊液波動就會侵入你的清醒狀態(tài)，而正常情況下你不會注意到它們。然而，這種波動會帶來注意力上的權(quán)衡，因為在腦脊液波動發(fā)生的瞬間，你的注意力會分散，”麻省理工學(xué)院研究人員勞拉·劉易斯（Laura Lewis）說道。

大腦的“沖洗” 雖然睡眠是一個至關(guān)重要的生物過程，但我們尚不清楚它為何如此重要。睡眠似乎對維持警覺性至關(guān)重要，而且已有大量文獻(xiàn)證明，睡眠不足會導(dǎo)致注意力和其他認(rèn)知功能受損。

在睡眠期間，起到緩沖作用的腦脊液有助于清除白天積累的廢物。在2019年的一項研究中，Lewis及其同事發(fā)現(xiàn)，睡眠期間腦脊液的流動呈現(xiàn)出節(jié)律性，并且這種流動與睡眠期間腦電波的變化密切相關(guān)。

這一發(fā)現(xiàn)促使Lewis思考睡眠剝奪后腦脊液流動會發(fā)生什么變化。為了探究這個問題，她和同事招募了26名志愿者，并對他們進(jìn)行了兩次測試——一次是在實驗室經(jīng)歷一夜睡眠剝奪后，另一次是在他們睡眠充足的情況下。

第二天早上，研究人員監(jiān)測了參與者在執(zhí)行一項常用于評估睡眠剝奪影響的任務(wù)時，大腦和身體功能的多項指標(biāo)。

在執(zhí)行任務(wù)期間，每位參與者都佩戴了一頂腦電圖（EEG）帽，用于記錄腦電波，同時他們還接受了功能磁共振成像（fMRI）掃描。研究人員使用了一種改良版的fMRI技術(shù)，不僅可以測量大腦的血氧飽和度，還可以測量腦脊液的流入和流出。他們還測量了每位受試者的心率、呼吸頻率和瞳孔直徑。

左圖：fMRI采集容積位置示例（綠色方框），用于同時測量BOLD信號和腦脊液流量。該容積與第四腦室相交，以便檢測腦脊液向內(nèi)流動。黃色標(biāo)記皮層分割區(qū)域，紫色標(biāo)記腦脊液流量測量感興趣區(qū)域（ROI）。圖像已進(jìn)行掩蔽處理以去除身份識別信息。右圖：一名代表性受試者第四腦室內(nèi)腦脊液ROI（品紅色）的示例放置。

參與者在功能磁共振成像（fMRI）掃描儀中完成了兩項注意力任務(wù)，一項是視覺任務(wù)，一項是聽覺任務(wù)。視覺任務(wù)中，他們需要注視一個屏幕上固定的十字。十字會隨機(jī)變成正方形，參與者被告知在看到十字變成正方形時按下按鈕。聽覺任務(wù)中，他們會聽到一聲嗶嗶聲，而不是看到視覺變化。

正如預(yù)期的那樣，睡眠不足的參與者在這些任務(wù)中的表現(xiàn)遠(yuǎn)遜于睡眠充足的參與者。他們的反應(yīng)時間更慢，而且對于某些刺激，參與者根本沒有注意到變化。

在這些短暫的注意力分散期間，研究人員觀察到同時發(fā)生的幾種生理變化。最重要的是，他們發(fā)現(xiàn)腦脊液（CSF）會在注意力分散發(fā)生的同時流出大腦。每次注意力分散后，腦脊液都會回流到大腦。

“研究結(jié)果表明，當(dāng)注意力分散時，腦脊液實際上會被排出體外。而當(dāng)注意力恢復(fù)時，腦脊液又會被吸回，”劉易斯說道。

研究人員推測，當(dāng)大腦睡眠不足時，它會開始補(bǔ)償睡眠期間正常進(jìn)行的腦脊液清除作用的缺失，盡管這種腦脊液脈沖式流動會以注意力分散為代價。

“我們可以這樣理解：由于大腦極度需要睡眠，它會盡力進(jìn)入一種類似睡眠的狀態(tài)，以恢復(fù)一些認(rèn)知功能，”該項研究第一作者Zinong Yang說道。“大腦的腦脊液系統(tǒng)試圖通過促使大腦在高度專注和高腦脊液流動狀態(tài)之間反復(fù)切換來恢復(fù)功能。”

統(tǒng)一的回路

研究人員還發(fā)現(xiàn)了其他一些與注意力不集中相關(guān)的生理事件，包括呼吸和心率下降以及瞳孔縮小。他們發(fā)現(xiàn)，瞳孔縮小大約在腦脊液流出大腦前12秒開始，并在注意力不集中后再次放大。

“有趣的是，這似乎不僅僅是大腦中的一種現(xiàn)象，它也是一種全身性的事件。這表明這些系統(tǒng)之間存在著緊密的協(xié)調(diào)，當(dāng)你的注意力不集中時，你可能會在感知和心理上有所感覺，但這同時也反映了大腦和身體中正在發(fā)生的事件，”劉易斯說。

研究人員認(rèn)為，這種看似無關(guān)的事件之間的緊密聯(lián)系可能表明，存在一個單一的回路，它控制著注意力以及體液流動、心率和覺醒等身體機(jī)能。

“這些結(jié)果表明，大腦中存在一個統(tǒng)一的回路，它既控制著我們認(rèn)為的高級功能——例如注意力、感知和應(yīng)對世界的能力——也控制著一些非常基礎(chǔ)的生理過程，例如大腦的流體動力學(xué)、全腦血流以及血管收縮，”劉易斯說道。

在這項研究中，研究人員并未探究究竟是哪個回路控制著這種轉(zhuǎn)換，但他們表示，去甲腎上腺素能系統(tǒng)很可能是一個候選回路。近期研究表明，該系統(tǒng)通過神經(jīng)遞質(zhì)去甲腎上腺素調(diào)節(jié)許多認(rèn)知和生理功能，并在正常睡眠期間發(fā)生振蕩。

about the author:Anne Trafton

https://news.mit.edu/2025/your-brain-without-sleep-1029

https://www.nature.com/articles/s41593-025-02098-8

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