当你熬夜不睡觉时，大脑会做出一个惊人的举动

麻省理工学院（MIT）的新研究揭示了注意力短暂不集中时大脑内部的变化。研究显示，当注意力暂时失效时，脑脊液（CSF）会流出大脑，这一过程通常发生在睡眠中，有助于清除全天积累的废物，对维持大脑健康和正常运作至关重要。

当人睡眠不足时，身体似乎会通过在清醒时触发这种液体流动的爆发来弥补缺失的休息。然而，这种补偿伴随着一个明显的缺点：注意力急剧下降。

“如果你不睡觉，脑脊液波就会侵入清醒状态，而正常情况下这是不会发生的。但它们伴随着注意力的权衡——在有这种液体流动波的时刻，注意力会失效。”劳拉·刘易斯（Laura Lewis）说，她是电气工程与计算机科学副教授、MIT医学工程与科学研究所及电子研究实验室成员，同时也是皮考尔学习与记忆研究所的副研究员。刘易斯是这项发表在《自然·神经科学》（Nature Neuroscience）上的研究的资深作者，MIT博士后研究员杨梓农（Zinong Yang）是第一作者。

### 睡眠如何清洁大脑
睡眠对生存至关重要，但科学家仍未完全理解其为何如此关键。明确的是，睡眠对保持警觉必不可少，缺觉会损害注意力和其他心智能力。

睡眠的一个重要功能与脑脊液有关，脑脊液环绕并缓冲大脑。睡眠时，脑脊液帮助冲洗清醒时堆积的废物。在2019年的一项研究中，刘易斯及其同事发现，人睡眠时这种液体以有节奏的模式流动，与脑电波活动的变化密切相关。

这一早期发现引发了新问题：当睡眠被扰乱时，这个液体系统会发生什么？为找出答案，研究人员招募了26名志愿者，让他们完成两次测试，一次是在实验室睡眠剥夺一晚后，另一次是充分休息后。

次日早晨，参与者完成一项评估睡眠缺失影响的标准任务，同时研究人员追踪各种脑和身体信号。

### 测量注意力与脑液流动
实验中，每位参与者头戴脑电图（EEG）帽监测脑活动，同时躺在功能性磁共振成像（fMRI）扫描仪内。研究团队使用一种特殊版本的fMRI，既能追踪血氧水平，也能追踪脑脊液进出大脑的流动。心率、呼吸频率和瞳孔大小也被记录下来。

参与者在扫描仪内完成两项注意力测试，一项视觉测试，一项听觉测试。视觉任务中，他们注视屏幕上的固定十字，该十字偶尔会变成正方形，他们需在变化发生时按下按钮。听觉任务中，视觉提示被声音取代。

不出所料，睡眠不足的参与者表现明显差于充分休息时，反应更慢，有时甚至完全没注意到信号。

当这些短暂的注意力失效发生时，研究人员观察到多种生理变化同时出现。最值得注意的是，在注意力不集中期间，脑脊液从大脑向外移动，注意力恢复后又流回。

“结果表明，在注意力失效的那一刻，这种液体实际上正被排出大脑；当注意力恢复时，它又被吸回。”刘易斯说。

研究团队认为，这种模式反映了大脑试图通过激活通常在夜间发生的清洁过程来弥补缺失的睡眠，尽管这会暂时扰乱注意力。

“可以这样理解这些事件：因为大脑极度需要睡眠，它会尽力进入类似睡眠的状态以恢复一些认知功能。”杨说，“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。”

### 脑与身体系统协同工作
研究还揭示，注意力不集中与大脑之外的变化有关。在这些时刻，呼吸和心率减慢，瞳孔缩小。瞳孔收缩大约在脑脊液流出大脑前12秒开始，在注意力恢复后逆转。

“有趣的是，这似乎不仅是大脑中的现象，也是全身事件。这表明这些系统之间存在紧密协调——当你的注意力失效时，你可能在感知和心理上有所察觉，但这也反映了大脑和身体正在发生的事件。”刘易斯说。

这些发现表明，可能存在一个单一控制系统，协调注意力和基本身体功能，如液体流动、心率和警觉性。

“这些结果向我们表明，存在一个统一的回路，既控制我们认为的大脑高级功能——注意力、感知和回应世界的能力，也控制非常基本的生理过程，如大脑液体动力学、全脑血流和血管收缩。”刘易斯说。

虽然研究人员尚未确定涉及的具体回路，但他们指出去甲肾上腺素能系统是强有力的候选者。该系统利用神经递质去甲肾上腺素调节认知和身体功能，已知在正常睡眠期间会波动。

这项研究得到了美国国立卫生研究院、国防科学与工程研究生研究奖学金、NAWA奖学金、麦克奈特学者奖、斯隆奖学金、皮尤生物医学学者奖、“一心”新星奖以及西蒙斯衰老脑可塑性合作项目的支持。