PLOS BIOL丨缺覺和深睡，對大腦“排毒”影響大不同！丹麥哥本哈根大學揭秘睡眠如何調控腦內廢物清除

我們的大腦在睡眠時，其實在進行一場高效的“大掃除”。大量研究表明，深度睡眠能促進腦內一種“清洗液”（腦脊液）的流動，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）發動的，還是由“沉睡深度”（慢波睡眠）來強化的？又或者兩者缺一不可？

近期，一項發表在權威期刊上的研究利用最先進的腦成像技術，為我們揭開了睡眠清洗大腦的雙引擎奧秘。科學家通過讓志愿者經歷睡眠剝奪和藥物干預，首次清晰區分了“困意”和“深度睡眠”在驅動大腦脈搏（腦搏動）和促進清潔中的不同角色。

來自丹麥哥本哈根大學醫院神經生物學研究中心Gitte Moos Knudsen及其研究團隊做了一項專門研究，標題為《 Sleep deprivation and sleep intensity exert distinct effects on cerebral vasomotion and brain pulsations driven by the respiratory and cardiac cycles》，相關成果于2025年11月20日發表在《PLOS Biology》期刊上。該研究通過晝夜節律控制實驗與加速神經影像學等技術，發現睡眠壓力升高會增強全腦低頻腦血管舒縮運動相關腦搏動，而慢波富集的 NREM 睡眠（尤其 N3 期）會強化呼吸和心臟驅動的腦搏動，且后者在腦灰質、白質中效應更顯著，α1/β 腎上腺素能拮抗劑可調節相關腦搏動。該研究首次明確了睡眠壓力與慢波睡眠在調控腦液動力學中的不同作用，揭示了人類腦液流動及潛在代謝廢物清除的睡眠依賴性機制，為理解睡眠障礙相關腦功能異常提供了生理基礎，也為相關疾病的干預提供了潛在靶點。

研究設計

本研究采用晝夜節律控制的交叉設計，納入 20 名健康男性受試者，進行 3 次磁共振腦電圖（MR/EEG）掃描：充分休息后（清醒 11 小時）、35 小時睡眠剝奪后（分別服用安慰劑或 α1/β 腎上腺素能拮抗劑卡維地洛），掃描時間統一為晚間 18:30–20:30 以控制晝夜節律影響。采用雙盲隨機交叉設計給藥，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、睡眠深度、藥物干預的關系，校正晝夜節律、心率、呼吸頻率等混雜因素；通過體素分析比較灰質（GM）、白質（WM）和腦室腦脊液區域的腦搏動差異。

睡眠剝奪增強LFPs頻譜功率

首先，研究發現與充分休息的清醒狀態相比，35 小時睡眠剝奪后，清醒狀態下的 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之間，無顯著睡眠效應。相關性分析顯示，NREM 睡眠期間的 LFPs 頻譜功率與 PVT 測試中的注意力失誤次數、反應時間正相關，且與掃描中小睡后的 PVT 表現改善（失誤減少、反應加快）呈負相關，而在充分休息或睡眠剝奪的清醒狀態下無此相關性。敏感性分析驗證了睡眠剝奪對 LFPs 的增強效應。

NREM睡眠增強呼吸與心臟驅動的腦搏動，且與睡眠深度相關

與充分休息清醒狀態相比，睡眠剝奪清醒狀態下呼吸頻率帶的腦搏動頻譜功率增加，心臟頻率帶無顯著變化；而進入 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%。

睡眠深度對腦搏動的影響顯著：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，且該相關性在多數受試者中存在。對照頻率帶（3.54–3.74 Hz）未顯示睡眠剝奪或 NREM 睡眠的顯著影響。

腦搏動的組織特異性差異

通過對比灰質（GM）、白質（WM）和腦室腦脊液（CSF）三個腦區的 MREG 頻譜功率，揭示了不同組織類型對睡眠相關腦搏動的響應差異：在充分休息的清醒狀態下，低頻腦搏動（LFPs）的頻譜功率在 GM、WM 和腦脊液區域無顯著差異，且睡眠剝奪對 LFPs 的增強效應在三類組織中表現一致，未出現顯著的 “組織類型 × 睡眠剝奪” 交互作用。同樣，NREM 睡眠（N2+N3 期）對 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，這一結果支持 LFPs 反映全腦血管舒縮運動的假設，說明該類腦搏動不受局部組織類型的特異性調控。

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

NREM 睡眠對呼吸和心臟驅動腦搏動的增強效應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大于腦脊液區域：呼吸頻率帶中，GM 和 WM 的增強效應分別比腦脊液區域高 70% 和 75%；心臟頻率帶中，GM 和 WM 的增強效應分別比腦脊液區域高 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，且該效應僅局限于 GM和 WM，進一步證實腦實質組織對睡眠相關的腦血流動力學變化更為敏感。

卡維地洛對腦搏動的調節作用

最后，作者通過對比安慰劑與 α1/β 腎上腺素能拮抗劑卡維地洛干預后的數據，明確了腎上腺素能通路對不同類型腦搏動的調控作用：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、心率及睡眠結構（包括清醒與 NREM 睡眠的時間占比）。

在低頻腦搏動（LFPs）方面，卡維地洛的調節作用具有狀態依賴性：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。這一結果支持 LFPs 起源于腦血管舒縮運動的假設，且該舒縮運動在睡眠狀態下更依賴腎上腺素能信號調控，而清醒狀態下可能受其他多重機制共同影響。

對于心臟頻率帶的腦搏動，卡維地洛同樣表現出狀態特異性調節效應：NREM 睡眠期間，卡維地洛組的頻譜功率較安慰劑組顯著降低；清醒狀態下兩組無顯著差異。這一現象可能與卡維地洛的負性肌力作用相關 —— 藥物抑制心肌收縮力，減弱了心跳引發的壓力波在腦血管中的傳導，進而降低腦內相關搏動強度，且該效應在睡眠狀態下更為明顯，可能與睡眠時自主神經調節模式的改變有關。

在呼吸頻率帶的腦搏動方面，卡維地洛干預與安慰劑組無顯著差異，且兩組均在 NREM 睡眠期間出現顯著的頻譜功率增強。這表明呼吸驅動的腦搏動不受腎上腺素能通路調控，其增強效應主要依賴于 NREM 睡眠相關的呼吸模式改變或腦內液體環境變化，與心臟驅動的腦搏動存在截然不同的調節機制。

研究結論

1. 睡眠壓力升高（35 小時睡眠剝奪）顯著增強全腦 LFPs，且 LFPs 強度與睡眠相關認知功能恢復相關，提示腦血管舒縮運動可能參與睡眠中的腦功能修復。

2. 慢波富集的 NREM 睡眠（尤其 N3 期）顯著增強呼吸和心臟驅動的腦搏動，且與 EEG δ 功率正相關，該效應在 GM 和 WM 中更明顯，支持睡眠通過增強腦血流動力學促進腦脊液流動及代謝廢物清除的機制。

3. 卡維地洛對 LFPs 和心臟驅動腦搏動的抑制作用，驗證了腦血管舒縮運動的腎上腺素能調節機制，為腦代謝廢物清除的藥理學干預提供了潛在靶點。

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

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