白天，乳酸和老化蛋白质等废物会在大脑中不断积累。夜间睡眠时，脑脊液（CSF）的波动有助于冲刷清除这些废物，从而保持大脑健康。
在一项新研究中，麻省理工学院的研究人员证明，在睡眠期间，通过短暂暴露于一种被称为“粉噪音”的柔和静电声中，可以增强这些脑脊液波动。这些声音脉冲会增大大脑中慢波电活动的幅度，进而放大脑脊液的波动幅度。
研究人员现在希望进一步探索，这种增强后的脑脊液流动是否有助于提升认知功能、改善记忆力，甚至延缓由淀粉样蛋白等有害蛋白质堆积引发的神经退行性疾病的进展。
“我们发现，我们能够在睡眠期间增大脑脊液流动波的幅度，就我们所知，此前还没有这样的方法。既然我们现在能够在健康成年人的睡眠中增强脑脊液流动，我们非常期待将这项技术应用于临床人群，看看能产生怎样的效果，”阿西诺拉·A·马蒂诺拉电气工程与计算机科学副教授劳拉·刘易斯说道。她是麻省理工学院医学工程与科学研究所以及电子研究实验室的成员，同时也是皮考尔学习与记忆研究所的副研究员。
刘易斯是这项研究的通讯作者，该研究今日发表于《科学·转化医学》期刊。刚从波士顿大学获得博士学位、曾作为访问研究生在刘易斯实验室工作的约书亚·莱维特是论文的第一作者。
清理大脑
脑脊液是一种清澈的液体，包裹并缓冲着大脑和脊髓。除了保护大脑免受损伤外，它还有助于提供葡萄糖等营养物质，并清除脑细胞在消耗能量过程中分泌的废物。
2019年，刘易斯报告了一种利用功能性磁共振成像（fMRI）测量睡眠期间脑脊液进出大脑波动的方法。那项研究表明，这些波动与被称为慢波的脑电波紧密耦合，而慢波与深度睡眠密切相关。
在这项新研究中，她希望进一步探索脑电波与脑脊液流动之间的关系，并研究调控脑电波是否能够增强脑脊液流动。此前的研究已经表明，在慢波波峰时施加听觉刺激可以加深慢波。
“如果时机恰到好处，你可以通过听觉刺激产生更多这样的电慢波。这类似于推荡在秋千上的孩子，如果你在他们运动到正确的时刻推一下，就能让秋千摆得更远，”刘易斯说，“挑战在于：如何找到这个恰到好处的时机？”
这项研究所使用的听觉刺激是一段50毫秒的粉噪音脉冲。与白噪音类似，粉噪音包含人耳可听到的所有声音频率，但低频音调更响亮，高频音调更柔和。这营造出一种平衡而柔和的声音，类似于持续的雨声或远处的瀑布声。
为了在大脑慢波波峰时准确施加这些声音脉冲，研究人员必须在参与者睡眠期间实时测量他们的脑电图（EEG）活动。这一过程颇具挑战性，因为他们同时还需要测量fMRI信号以监测脑脊液流动，而fMRI所使用的磁场会干扰脑电图信号。
为了解决这一问题，研究人员开发了一种能在不到100毫秒内快速处理脑电图信号、消除fMRI造成的干扰噪声的方法。为弥补脑电图测量中的这一小段延迟时间，他们还开发了一种算法，可以预测慢波波峰出现的时间。这使他们能够在正确的时刻施加粉噪音刺激。
更具修复效果的睡眠
在对14名健康志愿者进行的测试中，研究人员发现，他们施加的听觉刺激——其音量不足以唤醒正在睡眠的人——增大了睡眠期间慢波电活动和脑脊液波动二者的幅度。
他们的fMRI研究还揭示，慢波会刺激血管收缩和扩张，使其能够充当泵的作用，将脑脊液推出大脑。慢波只出现在非快速眼动睡眠阶段，并且在更深的睡眠阶段会变得更加明显。
研究人员现在希望研究增强脑脊液流动是否有助于人们获得更具修复效果的睡眠，尤其是对失眠患者而言。他们还计划探索增加脑脊液流动、加速大脑废物清除是否有助于阿尔茨海默病及其他因有害蛋白质堆积而引发的疾病患者。
“大脑废物清除对于阿尔茨海默病和其他形式的痴呆症而言至关重要，这些疾病部分是由淀粉样蛋白和tau蛋白等分子在大脑中的堆积引起的。如果我们能够改善大脑废物清除能力，或许就能帮助预防导致疾病的斑块堆积，”莱维特说。
莱维特已经创办了一家公司，希望开发一种设备，例如一款头带，让人们可以在家中使用，通过在恰当的时刻施加听觉刺激来增强脑脊液流动。
这项研究得到了麦克奈特学者奖、斯隆研究奖学金、皮尤生物医学学者奖、西蒙斯基金会衰老大脑可塑性合作项目、麻省理工学院电子工程与计算机科学系变革性研究基金、美国国立卫生研究院、刚玉汇聚研究所以及松下健康与人工智能研究员基金的资助。
Q&A
Q1：粉噪音是什么？它对睡眠有什么作用？
A：粉噪音是一种包含所有人耳可听频率的柔和声音，低频更响亮、高频更柔和，听起来类似持续的雨声。研究发现，在睡眠中特定时刻播放短暂的粉噪音脉冲，可以增强大脑慢波，进而增大脑脊液流动波幅，帮助大脑更有效地清除废物。
Q2：增强脑脊液流动对阿尔茨海默病患者有帮助吗？
A：研究人员认为这是有可能的。大脑废物清除对阿尔茨海默病等痴呆症很关键，这些疾病部分是由淀粉样蛋白和tau蛋白堆积引起的。如果能够改善废物清除能力，或许有助于预防导致疾病的蛋白斑块堆积，但目前仍需进一步临床研究验证。
Q3：这项技术未来会做成什么产品，普通人能用吗？
A：论文第一作者约书亚·莱维特已创办公司，希望开发类似头带的家用设备，通过在恰当时机施加听觉刺激来增强脑脊液流动，但目前该技术仍处于研究阶段，尚未成为成熟的消费级产品。
