مغز شما هر شب این کار مخفیانه را انجام میدهد تا صبحگاهی باهوشتر بیدار شوید
آیا تا به حال فکر کردهاید که چرا پس از یک خواب خوب و عمیق، احساس شادابی و هوشیاری فوقالعادهای دارید؟ علم جدید پاسخی شگفتانگیز برای این پرسش دارد: مغز شما در طول شب، عملیات پاکسازی و شستشوی گستردهای را انجام میدهد تا از شر سموم انباشته شده خلاص شود و شما را برای روزی نو آماده کند.
تماشای جریان مایع مغزی-نخاعی به صورت زنده
«میتوانی آن نقطه کوچک را آنجا ببینی که دارد میآید؟» این را لورا لوئیس، عصبشناس و مهندس میگوید.
یک نقطه درخشان و ضرباندار روی صفحه مانیتور مقابل ما ظاهر شده است. ما در حال تماشای فعالیت مغزی یک دانشجوی تحصیلات تکمیلی به نام نیک هستیم که در حال چرت زدن بعدازظهری داخل یک دستگاه تصویربرداری در موسسه فناوری ماساچوست (MIT)، جایی که لوئیس آزمایشگاه خود را دارد، است.
این نقطه روشن ابتدا در پایین صفحه، تقریباً در جایی که گلوینک به فکش میرسد، ظاهر میشود. به آرامی به سمت بالا حرکت میکند، محو میشود و سپس نقطه درخشان دیگری دنبال آن میآید. لوئیس که با بیمارستان عمومی ماساچوست نیز همکاری دارد، میگوید: «واقعاً میآید و میرود. به شکل امواج است.» این نقطه متحرک چیزی را به تصویر میکشد که معدودی از مردم تا به حال دیدهاند: جریان مایع مغزی-نخاعی تازه از نخاع به درون مغز، بخشی از فرآیندی که پژوهشگران اکنون در حال یادگیری هستند که برای حفظ سلامت ما حیاتی است.
معمای دیرینه دفع زباله از مغز
برای دههها، زیستشناسان با یک مشکل اساسی دست و پنجه نرم میکردند. همانطور که مغز انسان در طول روز به فعالیت و تفکر میپردازد، زباله تولید میکند – پروتئینها و مولکولهای اضافی که در صورت عدم حذف میتوانند سمی باشند. در میان این پروتئینها، آمیلوئید بتا و تاو، محرکهای کلیدی بیماری آلزایمر قرار دارند. تا همین اواخر، کاملاً نامشخص بود که مغز چگونه این زباله بالقوه سمی را دفع میکند.
در بقیه بدن، دفع زباله در ابتدا توسط سیستم لنفاوی انجام میشود. مایع اضافی و زبالهای که با خود حمل میکند از بافت به طحال، غدد لنفاوی و سایر بخشهای سیستم حرکت میکند، جایی که ذرات خاصی حذف و وارد جریان خون میشوند تا دفع گردند. مدتها تصور میشد که مغز نمیتواند از همین ترفند استفاده کند، زیرا سد خونی-مغزی، یک مرز محافظتی که از رسیدن عفونتها به مدارهای عصبی حیاتی جلوگیری میکند، انتقال تقریباً هر چیزی به داخل و خارج را متوقف میسازد.
کشف انقلابی: سیستم گلیمفاتیک
در سال ۲۰۱۲، پژوهشگران دانشگاه روچستر به رهبری عصبشناس مایکن ندرگارد، یک کشف محوری انجام دادند: یک سیستم گردش خون پیشتر ناشناخته در حال شستشوی زبالههای سمی از مغز بود. آنها در موشها نشان دادند که یک جریان ورودی از مایع مغزی-نخاعی (CSF) از طریق فضاهای “اطراف عروقی” (perivascular) مغز شسته میشود. این فضاها، تونلهای دوناتشکلی هستند که رگهای خونی را احاطه کردهاند. با استفاده از کانالهای آبی روی سطح آستروسیتها (نوعی سلول که از عملکرد مغز پشتیبانی میکند)، CSF با مایع “بینابینی” در فضاهای اطراف سلولهای مغز مخلوط شده و زبالههای انباشته شده را جمعآوری میکند. سپس این مایع از طریق فضاهای اطراف عروقی سیاهرگها مغز را ترک میکند و زباله را با خود میبرد.
ندرگارد و تیمش کشف خود را سیستم گلیمفاتیک نامیدند – “g” برای سلولهای گلیال (که آستروسیتها زیرگروهی از آن هستند) و “lymphatic” برای اشاره به عملکرد پاکسازی زباله. سال بعد، در سال ۲۰۱۳، آنها یافته مهم دیگری را منتشر کردند: این housekeeping در طول خواب بیشترین فعالیت و کارایی را دارد. ندرگارد میگوید: «بیداری به وضوح آن را خاموش میکند» – احتمالاً به این دلیل که دقتی که شبکههای عصبی برای پردازش جهان خارج در هنگام بیداری نیاز دارند با فرآیند پاکسازی سازگار نیست. این یافته نشان میدهد که این فرآیند شستشوی تازه کشف شده مغز، یکی از عملکردهای حیاتی خواب است. ندرگارد میگوید: «خواب به وضوح برای مغز است. وقتی پس از خواب خوب با نشاط بیدار میشوید، احتمالاً به این دلیل است که مغز شما یک تنظیماساسی مشابه ماشین شما داشته است.»
از موش تا انسان: تأیید فرضیه
اما این کار پیشگامانه در موشها انجام شده بود، و موشها انسان نیستند. مغزهای آنها کوچکتر و کمتر پیچیده از مغزهای ماست و خواب آنها بسیار fragmentedتر است. تا حدی به دلیل این اختلاف، فرضیه گلیمفاتیک منتقدان زیادی داشته است. جاناتان کیپنیس، عصبایمنشناس از دانشکده پزشکی دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس میگوید: «ده سال پیش، همه این جریان در مغز، تقریباً مانند بدعت بود.»
صدها مطالعه از آن زمان انجام شده است – و آن نقطه درخشان که لوئیس به من نشان داد، نمایانگر فاز بحرانی بعدی تحقیق است. او و دیگران بخش زیادی از دهه گذشته را صرف کشف این موضوع کردهاند که آیا این فرآیند پاکسازی زباله در انسانها همانند جوندگان عمل میکند یا خیر. پاسخ کوتاه به نظر میرسد بله باشد. علاوه بر این، به نظر میرسد امواج الکتریکی که در طول خواب در مغز جارو میزنند و به مرتبسازی، انتخاب، انتقال و ذخیره خاطرات کمک میکنند، عملکرد مهم دیگری نیز دارند: آنها همچنین مایع مغزی-نخاعی را به داخل و خارج مغز پیش میبرند.
اهمیت سیستم گلیمفاتیک قابل توجه است. اگر پاکسازی زباله یک عملکرد ضروری خواب انسان باشد، آنگاه اختلال در این سیستم احتمالاً به بسیاری از اختلالات عصبی و روانپزشکی، از جمله آلزایمر مربوط میشود. اختلال گلیمفاتیک میتواند توضیح دهد که چرا مغز در حال پیر شدن، پلاکهای آمیلوئید و کلافههای تاو را که محرک آلزایمر هستند، انباشته میکند – و شواهدی وجود دارد که شرایطی مانند آسیب مغزی تروماتیک، که با آلزایمر مرتبط است، در پاکسازی زباله اختلال ایجاد میکند. جفری ایلیف، استاد روانپزشکی و نورولوژی در دانشکده پزشکی دانشگاه واشنگتن که در مطالعات اولیه با ندرگارد همکاری داشت، میگوید: «اگر این چیزی است که همه آن موارد را به هم پیوند میدهد، خوب، اگر آن را هدف قرار دهید، در را برای پیشگیری اولیه از بیماریهای تخریبکننده عصبی باز میکند.»
اتصال خواب و پاکسازی: یک پیوند غیرمنتظره
اگرچه سالها مشخص بوده که تجمع پروتئینهای آمیلوئید و تاو منجر به آلزایمر میشود، اما ارتباط بین خواب و فرآیند پاکسازی زباله که ممکن است آنها را از بین ببرد، آشکار نبود. برای دههها، پژوهشگران خواب عمدتاً بر نقش خواب در پردازش حافظه تمرکز داشتند. از سوی دیگر، زیستشناسانی که سد خونی-مغزی را مطالعه میکردند، میدانستند که فضاهای اطراف عروقی وجود دارند که رگهای خونی را مانند غلافهای شل احاطه کردهاند، اما نمیدانستند که این فضاها چه کاربردی دارند و تا حد زیادی ایده اینکه آنها مجرایی برای مایعات هستند را رد میکردند. ایلیف میگوید: «آنها متوجه پویایی آن نبودند.»
در ابتدا، ندرگارد و ایلیف، که به ترتیب یک زیستشناس سلولهای گلیال و یک فیزیولوژیست عروقی بودند، فرض کردند که پاکسازی زباله در واقع ممکن است به بیداری نیاز داشته باشد. آنها به اشتباه استدلال کردند که مغز در طول خواب کمتر فعال است و بنابراین، عملکرد گلیمفاتیک در شب کمتر خواهد بود.
مغز در خواب: متفاوت فعال، نه کمتر فعال
در حقیقت، مغز در طول خواب کمتر فعال نیست؛ متفاوت فعال است. مطالعات سنتی خواب از الکتروانسفالوگرافی (EEG) برای ردیابی فعالیت الکتریکی که با مراحل خواب هماهنگ است، استفاده میکنند. یافتههای آنها نشان میدهد که در حالی که افراد بیدار و هوشیار هستند، الگوهای فعالیت عصبی سریع هستند و با امواج فرکانس بالا مشخص میشوند. در مراحل اولیه و سبک خواب، معروف به مرحله ۱ و مرحله ۲، فعالیت کند میشود و امواج فرکانس پایین ظاهر میشوند. خواب عمیق، یا مرحله ۳، به عنوان خواب موج آهسته برای امواج “دلتای” با دامنه بالا و کمترین فرکانس که بر آن حاکم است، شناخته میشود. این امواج که در خروجی EEG مانند زنجیرهای از تلاطمهای بزرگ اقیانوس به نظر میرسند، به مغز کمک میکنند تا تجربیات روز را مرور کرده و برخی از آنها را به عنوان خاطره ذخیره کند. در مقابل، فاز چهارم، که به دلیل حرکت سریع چشمها در زیر پلکها، خواب حرکت سریع چشم (REM) نامیده میشود، زمانی است که واضحترین رؤیاهای خود را میبینیم. این دوره شبیه بیداری است، با فعالیت مغزی سریعتر از سایر مراحل خواب.
با این حال، آنچه EEG نمیتواند تشخیص دهد، جریان مایعات در مغز است. هر روز بدن ما سه تا چهار برابر حجم مایع مغزی-نخاعی که داریم، تولید و سپس تخلیه میکند. معدود مطالعات اولیه روی این مایع با استفاده از تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) تشخیص دادند که جریان آن با ضربان قلب coupled است، اما نمیتوانستند بیشتر پیش بروند زیرا فناوری پاسخگوی چالش نبود. همچنین آگاهی کمی وجود داشت که جریان CSF در طول خواب تغییر میکند.
نخستین نشانههای اهمیت خواب در پاکسازی
اولین نشانه واقعی اهمیت خواب در پاکسازی زباله، مطالعه پیشگامانه ندرگارد در سال ۲۰۱۳ بود. این مطالعه، پاکسازی پروتئینهای آمیلوئید بتا از مغز را در موشهایی که بیدار، خواب یا بیهوش بودند، مقایسه کرد. پژوهشگران یک ردیاب فلورسنت را به مغز موشها تزریق کردند و دریافتند که ورود آن به فضاهای اطراف عروقی و بافت مغز، زمانی که موشها بیدار بودند در مقایسه با زمانی که خواب بودند، ۹۵ درصد کاهش شگفتانگیزی داشت. حجم فضای بینابینی در قشر مغز نیز زمانی که موشها خواب یا بیهوش بودند، ۶۰ درصد افزایش یافت، که نشان میدهد خواب منجر به تغییرات فیزیولوژیکی طراحی شده برای افزایش توانایی مغز در خلاص شدن از شر زباله شده است. در نهایت، آمیلوئید بتا دو برابر سریعتر از مغز موشهای بیدار، از مغز موشهای خواب خارج شد.
آیا در انسان نیز همینطور عمل میکند؟ مطالعات پر کریستین ایده
آیا در انسان نیز به همین شکل عمل میکند؟ این پرسشی بود که پر کریستین ایده، جراح مغز و اعصاب و پژوهشگر، مطرح کرد. او در بیمارستان دانشگاه اسلو در نروژ در حال مطالعه رابطه بین سلولهای گلیال مانند آستروسیتها و شبکه متراکم رگهای خونی در مغز انسان بود. به عنوان یک جراح، ایده میتوانست از این واقعیت که قبلاً داخل سر افراد کار میکرد استفاده کند و – با اجازه – تحقیقات بیشتری انجام دهد.
اide به همراه رادیولوژیست گیر رینگستاد و دیگران، مطالعهای را راهاندازی کرد که در سال ۲۰۲۱ منتشر شد و شامل بیمارانی بود که قبلاً در بیمارستان تحت ارزیابی عصبی قرار گرفته بودند. دانشمندان یک ردیاب را به CSF همه شرکتکنندگان تزریق کردند. یک گروه اجازه داشتند به طور طبیعی در طول شب بخوابند؛ گروه دیگر به مدت ۲۴ ساعت بیدار نگه داشته شدند. همه شرکتکنندگان چندین اسکن MRI در عصر و دوباره روز بعد انجام دادند.
حذف ردیاب در کسانی که نخوابیده بودند، در مقایسه با کسانی که خوابیده بودند، به شدت کندتر بود. ایده میگوید: «کاملاً مشهود بود. ما بسیار بسیار شگفتزده شدیم که پس از یک شب محرومیت از خواب، چیزی دیدیم.» حتی قابلتوجهتر این بود که پس از اینکه به همه شرکتکنندگان اجازه داده شد شب بعد به طور طبیعی بخوابند، پاکسازی ردیاب در کسانی که شب قبل را از دست داده بودند، همچنان کندتر بود. ایده میگوید: «شما با یک خواب خوب شبانه جبران نمیکنید.»
در یک مطالعه بعدی، ایده و تیمش دریافتند افرادی که خواب ضعیف مزمن گزارش کرده بودند نیز پاکسازی ردیاب با تأخیر را نشان دادند. علاوه بر این، در افراد مبتلا به زوال عقل، حجم مغز در لوبهای پیشانی، گیجگاهی و آهیانه در مقایسه با افرادی که خوب میخوابیدند، کوچک شده بود. تا حدی به این دلیل که زوال عقل قبلاً با کیفیت پایین خواب مرتبط بوده است، شاید به دلیل آتروفی در قشر مغز، ایده و همکارانش suspect میکنند که اختلال خواب مزمن با اختلال عملکرد گلیمفاتیک همزمان رخ میدهد.
تفاوتهای واضحی نیز بین انسانها و موشها وجود داشت. به عنوان مثال، در جوندگان، انتقال گلیمفاتیک یک «پدیده روشن-خاموش» بود – در طول خواب روشن و زمانی که مو
