深い眠りにつくと、閉じたまぶたの後ろで活動のサイクルが始まります。まず、ゆっくりとした電波が脳を通過します。数秒後、脳内の血液量が低下します。次に、脳脊髄液の波が通常の流れの方向を逆転させ、脳の下部と中央部にある大きな空洞を通って上向きに移動します.このパターンは、ノンレム睡眠の間、1 分間に約 3 回繰り返されます。これは、目が静止している通常は夢を見ない段階です。
最近の研究では、研究者は人間のこれら 3 つの現象を結合するリズムのシーケンスを初めて観察し、それらの間の因果関係を発見しました。彼らの発見は、ほんの数年前に脳内で発見されたあいまいな「配管システム」の要素を駆動することによって、睡眠が脳の幸福をどのように保護するかを明らかにしています。いつの日か、新たに発見されたメカニズムは、アルツハイマー病やその他の状態の患者の認知機能低下を防ぐための新しい治療法の基礎となるかもしれませんが、睡眠の生理学的ダイナミクスの理解を深める上ですでに価値があります.
睡眠はかなり非現実的な現象であると、ボストン大学の生物医学工学の助教授であり、この研究の上級著者であるローラ・ルイスは言います。毎日、私たちは認知と生理機能の多くの側面が劇的かつ同時に変化する変性意識状態に入ります。それでも、私たちはそれなしでは生きられません。睡眠を奪われた動物は死亡し、睡眠不足でさえ認知機能の低下につながります。
何年もの間、科学者たちは、睡眠障害によって引き起こされる害は、脳内の老廃物や毒素の過剰蓄積と関係があると考えてきました.調査によると、睡眠は老廃物の除去に重要であることが示されましたが、詳細は不明でした. 2012 年、ロチェスター大学医療センターの神経科学者である Maiken Nedergaard の研究室での研究により、脳の廃棄物クリアランス経路であると思われるものが glymphatic (glial-lymphatic) system であることが特定されました。これは、脳内で液体を伝導できる脳のグリア細胞によって形成される一連の細いチャネルです。問題は、睡眠の神経学的徴候を glymphatic システムまたは脳脊髄液 (CSF) のより一般的な動きと結び付けるもっともらしいメカニズムがないように思われることでした。 「何が、どのように変化しているのか、まったくわかりませんでした」とルイスは言いました。
しかし、動物実験は、睡眠中の脳波活動と脳を通る体液の流れとの間に何らかの相関関係があることを示唆していました.睡眠中の人間の脳のパターンを探すことは、何らかの答えを得るための良い方法のように思えました.
ボストン大学の生物医学工学研究助手で、この研究の筆頭著者である Nina Fultz 氏によると、研究者らは夜遅くの自然な睡眠サイクルを調べたという。彼らは、脳波、血液の酸素化、CSF の動きを同時に測定したかったので、13 人の被験者の頭皮に電極を貼り付け、MRI 装置で寝かせました。 Martinos Center for Biomedical Imaging の共同研究者は、脳を画像化するための新しい方法の策定を支援しました。加速された MRI プロセスは、1 秒間に複数の写真を撮影し、液体の流入を検出しました。これは、スキャン上で非常に明るい領域として示されました。
この測定値の組み合わせは、非常に有益であることが判明し、「驚くべきパターンを明らかにした」と、イェール大学の麻酔学教授である Helene Benveniste 氏は述べています。それは、サイクルの要素が時間的に整列していることを示しました.1つは最後のものに密接に続いています.しかし、それは単なる相関関係に過ぎず、研究者たちはサイクルの各部分が次の部分を引き起こしたという証拠を求めていました.
そのために、彼らは確立された脳のダイナミクスに基づいてモデルを構築しました。たとえば、脳内の電気的活動が血流のパターンを変化させることはすでに知られていました。これは、非常に活動的なニューロンがより多くの酸素とエネルギーを必要とするためです。科学者のモデルでは、ニューロンが静かになる徐波の一部が、脳の一部の血流の減少を引き起こしました。しかし、組織内の血液量が減少すると、おそらくリンパ系を介して、CSF がそれを補うために流入しました。モデルは、因果関係を示唆するのに十分正確に観測されたタイミングと一致しました。
脳の大きな空間 (第 3 脳室と第 4 脳室) 内でのこの体液の動きのパターンが、脳の残りの部分にまで及ぶかどうかはわかっていません。以前の動物研究は脳室に焦点を当てておらず、脳組織内の小さな空間に体液がどのように広がり、そこに蓄積した老廃物を排出するかを調べていました。しかし、ボストンのグループが見たものは、非常によく似た流体力学を反映している可能性があると、神経変性疾患を研究するワシントン大学医学部の精神医学および神経学の教授である Jeffrey Iliff 氏は述べています。
ロチェスター大学の機械工学助教授である Jeffrey Tithof は、次のように述べています。彼のチームは glymphatic システムを研究しており、彼らの最近の未発表の調査結果のいくつかは、この人間の画像に見られる血液と CSF の交替とよく一致しています。 「私たちは皆、とても興奮しています。」
この研究では、CSF がどのようにして脳から老廃物を取り除くかについて、より詳細な情報が不足していますが、この限定されたメカニズムの概要でさえ、認知疾患の理解を深める可能性があります。
科学者は、睡眠とアルツハイマー病との関係を観察してきました。睡眠障害は、多くの場合、病気に先行し、さらに睡眠障害が現れるようです。この関係の背後にある生物学は不明ですが、もっともらしい説明は、脳内の血流を変化させることによって、睡眠に関連する電気信号がCSFの波を引き起こし、ニューロンの周りの有毒なアミロイドプラークを洗い流すというものです.睡眠を妨げるものは何でもプラークを蓄積させ、アルツハイマー病を引き起こす可能性があります. 「このような研究が非常にエキサイティングだと思う理由の 1 つは、それが実際に適合する可能性のある 1 つの説明を提供することです」と Iliff 氏は述べています。 「しかし、それをテストする必要があります。」
ルイスと彼女のチームは、脳障害のある被験者のこれらのダイナミクスを調べる研究の準備をしています.それでも、若い健康な脳におけるこれらの最近の観察は、進化する睡眠機能の全体像に詳細を追加するシーケンスを明らかにしました.
イリフ氏によると、私たちは何世紀にもわたって睡眠についてこれらの質問をしてきました. 「それは誰もが気にかけていることですが、それでもかなり神秘的なことです。」彼は、「睡眠に関する私たちの理解と経験は、私たちが誰であるか、そして私たちが毎日何をしているかの基本です。」
