幾乎每個人都經歷過這種情況：一夜睡眠不佳后，你會感到精神不振。 大腦可能變得遲鈍，當你本應集中注意力時，思
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緒卻開始飄忽。
麻省理工學院（MIT）的一項新研究揭示了注意力短暫喪失時大腦內部發生的變化。 科學家發現，在這些注意力渙散的瞬間，一股腦脊液（CSF）會流出大腦——這種現象通常發生在睡眠期間，有助於清除白天積累的廢物。 這種沖洗過程被認為是維持健康且正常運作大腦的必要條件。
當一個人睡眠不足時，身體似乎會通過啟動腦脊液脈衝流動來嘗試彌補這種清潔過程。 然而，這會導致注意力顯著受損。
蘿拉·路易斯（Athinoula A. Martinos冠名電氣工程與計算機科學教授、MIT醫學工程與科學研究所及電子研究實驗室成員、皮考爾學習與記憶研究所副研究員）表示：“當你缺乏睡眠時，腦脊液波動會開始侵入清醒狀態——這種現象在正常情況下是不會出現的。 然而，這會帶來注意力的權衡，在腦脊液波動發生的瞬間，注意力就會喪失。 ”
劉易斯是本研究的資深作者，該研究今日發表於《自然神經科學》期刊。 MIT博士後研究員楊子農（Zinong Yang）為論文第一作者。
大腦清潔機制
儘管睡眠是一項關鍵的生物過程，但其確切重要性尚未完全明確。 睡眠似乎對維持警覺性至關重要，已有充分證據表明睡眠剝奪會導致注意力及其他認知功能受損。
睡眠期間，包裹大腦的腦脊液有助於清除白天積累的廢物。 在2019年的一項研究中，劉易斯及其同事發現睡眠期間的腦脊液流動在大腦內外呈節律性模式，且這些流動與睡眠期間的腦電波變化相關聯。
這一發現促使路易斯思考睡眠剝奪後腦脊液流動可能發生的變化。 為探索這一問題，她和同事們招募了26名志願者進行兩次測試——一次在實驗室經歷一夜睡眠剝奪后，另一次在充分休息狀態下進行。 次日早晨，研究人員在參與者執行常用睡眠剝奪評估任務時，監測了多種大腦與身體功能指標。
在任務過程中，每位參與者佩戴可記錄腦電波的腦電圖（EEG）帽，同時處於功能性磁共振成像（fMRI）掃描器中。 研究人員使用改良版fMRI技術，不僅測量大腦血氧水準，還能監測腦脊液進出大腦的流動情況。 此外，他們還測量了每位受試者的心率、呼吸頻率和瞳孔直徑。
參與者在fMRI掃描器中完成兩項注意力任務，分別為視覺和聽覺任務。 在視覺任務中，他們需注視帶有固定十字的屏幕，當十字隨機變為正方形時按下按鈕。 在聽覺任務中，他們則通過聽到提示音代替視覺變化進行回應。
正如預期，睡眠剝奪的參與者在這些任務中的表現遠差於充分休息的參與者。 他們的反應時間更慢，部分刺激甚至未能被察覺。
在這些短暫的注意力渙散瞬間，研究人員同時識別出多種生理變化。 最重要的是，他們發現注意力渙散發生時，腦脊液正從大腦流出。 每次注意力渙散後，腦脊液重新流回大腦。
研究結果表明，當注意力喪失時，這種液體實際上正被排出大腦。 而當注意力恢復時，它又會被吸回。 “
蘿拉·路易斯，麻省理工學院電氣工程與計算機科學教授
研究人員假設，當大腦處於睡眠剝奪狀態時，它會開始補償睡眠期間通常發生的清潔過程損失，儘管這些腦脊液脈衝流動會帶來注意力喪失的代價。
楊子農表示：「可以這樣理解這些現象：由於大腦極度需要睡眠，它會竭力進入類似睡眠的狀態以恢復部分認知功能。 你的大腦液體系統正嘗試通過推動大腦在高注意力與高流量狀態間交替來恢復功能。 ”
統一調控迴路
研究人員還發現，注意力渙散與其他多種生理事件相關聯，包括呼吸和心率降低以及瞳孔收縮。 他們發現瞳孔收縮在腦脊液流出大腦前約12秒開始，並在注意力渙散後再次擴張。
路易斯指出：「有趣的是，這
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似乎不僅是大腦中的現象，而是一種全身性事件。 這表明這些系統之間存在緊密協調，當你的注意力喪失時，你可能在感知和心理上感受到它，但這同時也反映了整個大腦和身體正在發生的事件。 ”
據研究人員稱，這些不同事件之間的緊密聯繫可能表明存在一個單一迴路，同時控制注意力和液體流動、心率及覺醒等身體功能。
劉易斯表示：「這些結果向我們表明，存在一個統一的迴路，既調控我們通常認為的大腦高級功能——我們的注意力、感知和回應世界的能力，也調控腦脊液動力學、全腦血流和血管收縮等基礎生理過程。 ”
本研究中，研究人員未探究可能控制這種切換的迴路，但他們指出一個有力候選者是去甲腎上腺素能系統。 近期研究表明，該系統通過神經遞質去甲腎上腺素調節多種認知和身體功能，在正常睡眠期間會發生振蕩。
本研究由美國國立衛生研究院、國家國防科學與工程研究生研究獎學金、NAWA獎學金、McKnight學者獎、Sloan獎學金、Pew生物醫學學者獎、One Mind新星獎以及衰老大腦可塑性Simons合作項目資助