遠古時代，我們的祖先還生活在熱帶、亞熱帶的草原上，睡眠無疑大大增加了喪命的危險，「當你露宿野外時，呼呼大睡實在太過危險，」美國羅徹斯特醫學院（Rochester's medical school）睡眠功能研究的領導人，丹麥生物醫學家麥肯．尼德佳德（Maiken Nedergaard）博士解釋：「假如睡眠只能幫你記住昨天的所作所為，那麼它就不會如此重要，睡眠必定有其演化意義上的基本功能，否則它絕不可能在自然選擇下存留至今。」
2013年，麥肯．尼德佳德博士對老鼠進行測試發現，當動物睡覺時，牠們的大腦實際上會壓縮並變小。我們大腦大約75%是血液形式的水。大腦從血液中獲得能量，所以當血液流動時，大腦呈現豐滿的狀態。當我們睡覺時，大腦的各個部分都會關閉，減少神經元的腫脹。大腦的血液消退後，大腦騰出巨大的空間。我們的身體利用淋巴系統排出毒素，淋巴系統模仿身體的血液流動，並在身體消耗能量時清除廢物。血液中充滿了令人討厭的毒素，但我們的身體吸收好的，淋巴系統排出壞的。淋巴系統在整個身體中起作用，只有一個例外：大腦。麥肯．尼德佳德博士對類淋巴系統的發現，被全世界頂尖的醫學期刊《科學》（Science）雜誌選為2013年傑出的科學成就。
當你的身體陷入沉睡，你的大腦依然盡職盡責地，替你把白天思維活動時累積的「垃圾」，清掃得乾乾淨淨。淋巴系統是人體的「清道夫」：無論何時，只要有垃圾形成，它都能把它們打掃乾淨。但對於大腦，淋巴系統卻鞭長莫及。大腦消耗的能量可以達到全身總消耗能量的20%左右。它要如何清除β-澱粉樣蛋白（Beta-amyloid，一種與阿茲海默症，Alzheimer's disease相關的蛋白質）之類的垃圾呢？在腦力運動之後，該怎麼處理積累下來的廢物？尼德佳德博士認為，大腦擁有自己的「淋巴系統」，這個複雜的管道網絡通過水性的腦脊髓液（cerebrospinal fluid）來清除毒素。她將其命名為神經膠質細胞類淋巴系統（glymphatic system）。字首「g」代表該系統依賴神經膠質細胞（glial cells，其主要作用在於維持體內平衡，並保護神經元），其功能與淋巴系統（lymphatic system）類似。迄今為止，人們發現在狒狒、狗和山羊等動物中，都有腦部類淋巴系統在發揮「神經管家」的功能。尼德佳德博士說：「腦容量越大，就越需要這麼一個系統。」
睡眠幫助清除腦中有害物質
科學家們早就推測，睡眠的功能之一是恢復和修復大腦，但這是否是睡眠的「核心」目的，仍然存在爭議。如今，麥肯．尼德佳德博士發現了直接的實驗證據，表明小鼠大腦在睡眠期間，會通過擴大神經元之間的通道，進行自我清潔，從而使腦脊髓液流入。液體沖洗掉β-澱粉樣蛋白等碎屑，這些碎屑在阿茲海默症中積累為斑塊，速度是小鼠睡覺時的兩倍。多年來，科學家們一直堅信大腦是一個巨大的廢物回收器，不像身體其他部分通過淋巴系統處理廢物。科學家們認為腦脊髓液只是為了保護大腦免於撞擊頭骨而存在的物質。
實際上，我們睡覺時腦脊髓液流入並貫穿大腦，以填補缺失血液的空隙。當我們睡覺時，每90分鐘循環一次五個階段的睡眠週期，腦脊髓液就會進出，輕輕地清除我們大腦中的毒素。睡眠非常優雅地充當清除大腦毒素的「清道夫」。如果一直不睡覺，毒素會在大約200小時後，積聚並置人於死。在睡眠不足的情況下，這些毒素會隨著時間一分一秒的增加，要了我們的命。
夜深人靜之際，你的大腦正在發生神奇的事。你睡著的時候，真的被洗了腦，血液會週期性地大量注入大腦。每當血液大量注入，腦脊髓液就趁機進入清除毒素，比如導致阿茲海默症的β-澱粉樣蛋白。2019年，美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）神經科學博士、波士頓大學（Boston University）生物醫學系助理教授勞拉．露依絲（Laura Lewis）的團隊，史無前例地拍下了大腦清洗毒素的過程。而這樣的清洗，只有在睡著後才能做到，讓人一覺醒來，擁有一個清爽的大腦；沒睡著的時候，腦脊髓液並沒有充分的機會趁虛而入。另外，研究人員還發現了腦電活動和清洗過程之間的關係，也就是說腦電波指揮了液體運動。這項成果，發表在《科學》（Science）雜誌上。
為何睡著才能「洗腦」
為何只有睡著才能洗腦？當你睡著之後，大腦會經歷幾個不同的階段：
從淺層睡眠，到失去意識的深層睡眠，再到眼球快速運動（REM）睡眠，也就是容易作夢的狀態。這項新的研究，是專注在非眼球快速運動睡眠（NREM）的階段，就是沒到要作夢的時候，也是對大腦保留記憶（Memory Retention），非常重要的階段。新的人體臨床實驗發現，當人陷入沉睡後，新鮮的腦脊髓液會開始像海嘯一樣，一波波湧上大腦，清除腦中堆積的有害蛋白質，比如導致阿茲海默症的β-澱粉樣蛋白，這項發現可以解釋為什麼睡眠對我們而言非常重要。
腦脊髓液（cerebrospinal fluid, CSF）是一種充斥在腦內顱骨（skull）與蜘蛛膜下腔（subarachnoid space）、含有微膠質細胞（microglia）的透明純生理食鹽水，具有三大主要功能：做為緩衝層保護大腦和脊髓、為神經系統提供營養、清除大腦代謝廢物，一個成年人的腦脊髓液總體積約140～270毫升。動物研究已表明腦脊髓液具有「洗腦作用」，會在身體入睡後一波波來回流動，以清除腦中有害物質，包括和阿茲海默症息息相關的β-澱粉樣蛋白。只是隨著年歲漸長，腦脊髓液流動速度減慢，從而導致有毒蛋白質累積。現在波士頓大學生物醫學系助理教授勞拉．露依絲團隊的新人體臨床實驗再度佐證，腦脊髓液在人腦中也發揮類似的清掃功能。
實驗中，13名受試者（23～33歲）被要求戴著腦電圖並躺進磁振造影（MRI）機器內睡覺，在磁振造影掃描下，大腦中的血氧含量、腦脊髓液的流動方向與流量都無所遁形。
當受試者陷入沉睡（眼球非快速運動睡眠期，NREM）狀態，研究人員發現神經元電活動慢波首先席捲大腦，接著大腦氧氣含量降低（代表血液離開大腦），然後大量新鮮的腦脊髓液開始有節奏地湧入大腦（每20秒）。
睡眠不足是大腦的隱形殺手
研究人員表示，我們醒著時大腦也會有小而柔和的腦脊髓液波動，很大程度上與呼吸模式有關；然而進入睡眠後，腦脊髓液就彷彿是海嘯，波動比醒著時更大，而且速度更快，雖然科學家還不清楚為何出現這種差異，但增強的腦脊髓液，能更有效率清除大腦中的有害代謝廢物。
已知當人體進入深層睡眠時，大腦就會出現這種慢波，與記憶力、腦部相關疾病都有關聯，比如阿茲海默症患者的神經元電活動慢波較少，且波動也越來越小。新研究表明這種慢波會引發腦脊髓液流動、增加洗滌強度與次數，避免毒素累積在大腦中。
越來越多研究都指出，睡眠對生物的重要性，比如一夜沒睡好，腦中有害蛋白就可能激增50%，現在你知道晚上不能通宵熬夜了吧？關上燈，讓你的大腦好好睡一覺。我們醒著時，因為腦細胞不斷地工作而產生大量的廢物和垃圾（如腺苷，Adenosine），這些廢物與垃圾要排除，方法無他，只有在我們「熟睡」時，藉由大量的腦脊髓液（CSF）沖刷，才能將細胞間積累的廢物和垃圾排掉。所以，睡眠不足是大腦的隱形殺手！現代社會越來越無力保證我們的大腦進行這些清理工作，所需要的時間。以下數字無不昭示著這一嚴峻事實：約80%的成年職業勞動者，遭受著一定程度的睡眠剝奪。全美睡眠基金會（National Sleep Foundation）指出，成年人每天應睡7至9小時。當今人們每夜的睡眠時間較50～100年前，少了一至兩個小時，平常工作日夜晚的睡眠時間，比10年前短少38分鐘。在美國，約有6,000～8,000萬人受到某種形式的慢性睡眠障礙的困擾。無論出於何種原因，只要睡眠受到干擾，我們的清理系統就會失靈。
美國賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）睡眠與晝夜節律神經生物學中心（Center for Sleep and Circadian Neurobiology）的西格麗德．維西（Sigrid Veasey）博士，一直在潛心鑽研徹夜難眠是如何擾亂腦部的正常代謝的。當腦部垃圾堆積如山時，我們的認知功能又會受到怎樣的影響？在最極端的情況下，它可能導致阿茲海默症、帕金森氏症等神經退化性疾病（neurodegenerative disorder）加速惡化。我們還不知道到底是睡眠不足導致這些疾病，還是這些疾病本身導致睡眠不足。西格麗德．維西博士認為這是個「先有雞還是先有蛋的經典問題」，但我們明確可知的是，這兩者密切相關。隨著神經退化性疾病的特徵：睡眠障礙的持續，往常依賴神經膠質細胞類淋巴系統，在正常睡眠期間清除的幾種蛋白質，如β-澱粉樣蛋白和tau蛋白（Tau proteins）等在腦部堆積，而上述兩種蛋白均與阿茲海默症和其他多種痴呆症相關。
作者介紹｜林慶旺
台北市人。畢業於文化大學新聞系，日本國立東北大學研究生。曾任國內最大書籍翻譯公司總編輯，專職英、日文書籍翻譯及審譯工作，尤其擅長醫學書籍，開啟台灣家庭醫學叢書的風潮。
1995年從美國引進《褪黑激素的奇蹟》（The Melatonin Miracle）一書，為該書國際中文版監修者，一年10刷的紀錄，創下台灣醫學書籍銷售奇蹟。該書中文版出版至今近25年，依然熱銷中。曾經為時報文化（8本譯作）、台視文化、華視文化、中華日報、遠流、世茂、文經社、元氣齋、常春月刊等幾十家出版社翻譯無數暢銷書。
西元2000年夏天移居美國洛杉磯，對於醫學的熱愛一如往昔，茲將幾十年的工作經驗中，所吸取的國外最先進醫學知識，分享給時報讀者，如何健康的活下去，享壽120歲的玫瑰人生。
著有《健康活下去：長壽．睡眠．飲食．醫療的身體革命》、《太陽醫生：更免疫、更年輕、更聰明、更長壽、更苗條的陽光療法》（時報出版）。
本文經授權轉載自時報出版《不懂睡眠就失眠：睡太多或睡太少，你都正在謀殺自己》（原標題：徹夜難眠大腦當不成妙管家）
責任編輯／趙鳳玲
