有研究認為，睡眠的功能是主動清除大腦中的代謝物和毒素，麻醉期間也會發生增強的清除。

基于此，2024年5月13日倫敦帝國理工學院生命科學系Nicholas P. Franks研究團隊在Nature neuroscience雜志發表了“Brain clearance is reduced during sleep and anesthesia”揭示了睡眠和麻醉期間大腦清除率降低。

在這里，研究者發現檢測了雄性小鼠大腦中熒光分子的清除和運動，結果表明運動實際上與睡眠、清醒或麻醉無關。此外，研究者還發現在睡眠和麻醉期間，大腦清除率顯著減少，而不是增加。

圖一 局部擴散的變化與警惕狀態有關

研究者首先測定了熒光染料（異硫氰酸熒光素、FITC-葡聚糖）在小鼠大腦中的擴散系數。將4?kDa FITC-葡聚糖注入尾殼核(CPu)，然后監測到達額葉皮層的熒光。實驗涉及等待穩定狀態，然后漂白新皮質中少量組織中的染料，并根據未漂白染料移入漂白區域的速率確定擴散系數。研究者通過測量不同分子量的FITC葡聚糖在瓊脂糖“腦模型”凝膠中的擴散，經過修改以近似腦組織的光散射和光吸收特性，發現光強度的分布很好地近似為半球形高斯分布。漂白 30 秒后，立即記錄了當未漂白染料移入漂白體積時熒光的恢復情況。研究人員觀察到 4?kDa FITC-葡聚糖的擴散系數在警戒狀態或右美托咪定鎮靜或晝夜循環期間沒有明顯變化。 

圖二 睡眠和麻醉會降低大腦清除率

研究者繼續使用了上述相同的實驗設置測量大腦清除率。然而，最近的研究表明可以使用在實質中自由移動的染料來準確量化大腦清除率。當染料擴散到整個大腦時，這也將在皮質中記錄完整的時間過程。在沒有間隙的情況下，如果染料注入位置與記錄位置之間的距離恒定，則峰值時間僅由擴散系數決定。如果發生清除，峰的高度將會降低。然后，在注射（腹腔注射）鹽水或麻醉劑的小鼠中重復這些實驗。還對睡眠和清醒狀態進行了比較，對于鹽水對照，峰值濃度遠低于預測的峰值濃度。小時間的差異可能是由于染料通過腦室穿過大腦。在峰值濃度（~2-3小時）時，注射生理鹽水的對照的清除率為70-80%，表明大腦清除的正常機制沒有被破壞。值得注意的是，在麻醉劑存在的情況下，這種清除率大大降低。右美托咪定、氯胺酮-甲苯噻嗪和戊巴比妥也是如此。與保持清醒的小鼠相比，在睡眠的小鼠中也觀察到清除率降低。相比之下，反映腦實質擴散速率和光度測量數據達到峰值的時間的擴散系數在睡眠或麻醉期間沒有明顯變化。

圖三 組織學數據證實睡眠和麻醉會降低大腦清除率

在注射染料后3小時和5小時，睡眠和氯胺酮-甲苯噻嗪麻醉期間染料濃度較高，擴散呈高斯分布。這些數據表明，AF488染料的重新分布基本上僅通過擴散進行，并證實睡眠和氯胺酮-甲苯噻嗪麻醉會抑制清除。實驗表明，睡眠和麻醉期間大腦間隙減少，在睡眠和麻醉期間，通過小腦延髓池注入腦脊液(CSF)的熒光染料會進一步滲透到皮質中。然而，任何大腦區域的染料濃度始終是其到達速率和離開速率之間的差異，因此睡眠和麻醉中染料滲透的增加同樣可以通過清除率降低而不是清除率增加來解釋。

總結：

這些數據表明，睡眠和麻醉都會降低整個大腦的平均清除率。盡管間隙可能隨解剖位置的不同而變化，但這種變化的程度似乎很小。此外，氯胺酮-甲苯噻嗪對清除的抑制作用非常明顯，與位置無關。這些數據適用于可以在細胞外空間自由移動的小染料，較大分子量的分子可能表現不同。麻醉劑明顯減少了腦脊液從大腦的流出，但麻醉劑和睡眠究竟如何抑制大腦清除尚不清楚。該結果挑戰了睡眠的核心功能是清除大腦毒素的觀點。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41593-024-01638-y

找實驗方法，上腦聲常談。