當你不睡覺時，你的大腦會做出一些令人驚訝的事情

麻省理工學院的新研究揭示了在這些短暫的注意力不集中期間大腦內部發生的情況。研究表明，當注意力暫時喪失時，腦脊液（CSF）就會從大腦中流出，這一過程通常發生在睡眠期間，有助於排出全天積累的廢物。這種清潔活動對於保持大腦健康和正常運作非常重要。

當一個人睡眠不足時，身體似乎會試圖通過在清醒時釋放這種液體運動來補償失去的休息。然而，這種補償有一個重大缺點：利息急劇下降。

“如果你不睡覺，腦脊液波就會開始侵入你通常看不到的清醒狀態，”雅典諾拉·馬蒂諾斯大學電氣工程和計算機科學助理教授、麻省理工學院生物醫學工程和科學與電子研究實驗室成員、皮考爾學習和記憶研究所準成員勞拉·劉易斯說。 “然而，它伴隨著注意力的權衡，因為當你有這種流體流動的時候，注意力就會消失。”

劉易斯是該研究的主要作者，該研究發表於 自然神經科學。麻省理工學院博士後楊哲農是主要作者。

睡眠如何清潔大腦

睡眠對於生存至關重要，但科學家們仍然不完全明白為什麼它起著如此重要的作用。顯而易見的是，睡眠對於保持警覺至關重要，而睡眠不足會損害注意力和其他心理能力。

睡眠的一項重要功能涉及腦脊液，它包圍並保護大腦。在睡眠期間，腦脊液有助於消除清醒時積累的廢物。在 2019 年的一項研究中，劉易斯和她的同事發現，這種液體在人們睡眠時以有節奏的方式移動，並且與腦電波活動的變化密切相關。

先前的發現提出了一個新問題：當睡眠中斷時，這個液體系統會發生什麼？為了找到答案，研究人員招募了 26 名志願者，他們完成了兩次測試，一次是在實驗室一夜睡眠不足後，另一次是在充分休息後。

第二天早上，參與者完成了一項用於評估睡眠不足影響的標準任務，同時研究人員跟踪了廣泛的大腦和身體信號。

測量大腦中的注意力和液體流量

實驗過程中，每個參與者都戴著腦電圖（EEG）帽，躺在功能性磁共振成像（fMRI）掃描儀內監測大腦活動。該團隊使用了一種特殊版本的功能磁共振成像，可以追踪血氧水平以及腦脊液進出大腦的運動。還記錄心率、呼吸頻率和瞳孔大小。

參與者在掃描儀內完成了兩項注意力測試，一項是視覺測試，一項是聽覺測試。在視覺任務中，他們看到屏幕上有一個固定的十字標記，有時會變成一個正方形。他們被指示在發生變化時按下按鈕。在聽覺任務中，視覺信號被聲音取代。

正如預期的那樣，睡眠不足的參與者的表現明顯比休息良好時差。他們的反應較慢，有時甚至無法完全注意到信號。

當這種短暫的注意力缺失發生時，研究人員觀察到多種生理變化同時發生。特別是，在休息期間，腦脊液從大腦向外移動，一旦注意力恢復，腦脊液又回到內部。

“結果表明，一旦注意力不集中，這種液體就會被沖出大腦，”劉易斯說。 “當注意力恢復時，它就會被拉回來。”

研究小組認為，這種模式反映了大腦試圖通過激活通常在夜間發生的清潔過程來補償睡眠不足，儘管這樣做會暫時擾亂注意力。

“思考這些事件的一種方式是，你的大腦非常渴望睡眠，它正在盡最大努力進入類似睡眠的狀態以恢復某些認知功能，”楊說。 “你的大腦的液體系統試圖通過使大腦在高度注意力和高流動狀態之間循環來恢復功能。”

大腦和身體系統協同工作

研究還表明，注意力不集中與大腦本身以外的變化有關。在這些時刻，呼吸和心率減慢，瞳孔變小。瞳孔收縮在腦脊液流出大腦前約 12 秒開始，並在註意力恢復後逆轉。

“有趣的是，這不僅僅是一個大腦現象，它也是一個全身事件，”劉易斯說。 “這表明這些系統之間存在如此密切的協調，當你的注意力無法集中時，你可能會在認知和心理上感受到它，但它也反映了整個大腦和身體發生的事件。”

這些發現表明，單一控制系統可以協調注意力和基本身體功能，例如體液流動、心率和警覺性。

“這些發現向我們表明，存在一個統一的迴路，控制著我們認為的大腦高級功能——我們的注意力、我們感知和響應世界的能力——以及基本的生理過程，如大腦中的流體動力學、大腦水平的血流和血管收縮，”劉易斯說。

雖然研究人員尚未確定所涉及的具體電路，但他們指出去甲腎上腺素能係統是一個強有力的候選者。該系統使用神經遞質去甲腎上腺素來調節認知和身體功能，已知在正常睡眠期間會發生波動。

這項研究得到了美國國立衛生研究院、國防科學與工程研究生研究獎學金、NAWA 獎學金、麥克奈特學者獎、斯隆獎學金、皮尤生物醫學學者獎、One Mind 新星獎和西蒙斯衰老大腦可塑性合作組織的支持。