由StudyFinds Analysis报道
审阅：John Anderer
麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的Laura Lewis和Zinong Yang领导的研究
2025年10月30日
睡眠不足终将找上你。
疲惫的大脑最终会找到休息时间，而且不需要你的许可。
简而言之
- 睡眠剥夺会导致大脑劫持清醒意识进行短暂休息，包括通常只在睡眠中看到的大规模脑脊液运动。
- 在注意力失效期间，会出现一系列协调动作：瞳孔收缩、脑电波改变、心率下降，以及脑脊液在颅内涌动。
- 这些"离线"时刻即使在睁眼状态下也会发生，代表大脑无法抑制其对睡眠相关维护过程的需求。
- 这些发现解释了为何通宵会导致如此可预测且危险的注意力 lapses。
任何通宵的人都知道这种感觉：眼睛睁开，但大脑已经"掉线"。现在，科学家发现了在睡眠不足后注意力消失时，颅内实际发生的情况。大脑可能会强迫自己进入短暂休息状态，无论个人是否愿意。
该研究涉及26名健康成年人(平均年龄25.6岁)，每个人都参加了两次扫描：一次在正常睡眠后，一次在实验室监督下通宵不睡。在磁共振成像(MRI)扫描仪内，参与者执行简单的注意力任务，对蜂鸣声或视觉信号做出反应。研究人员同时追踪他们的大脑活动、眼球运动、瞳孔大小、心率、呼吸以及脑脊液(保护大脑的透明液体)的流动。
注意力 lapses 期间发生了什么
睡眠剥夺后，在清醒期间出现了大规模的脑脊液波，类似于通常在轻度非快速眼动睡眠(第N2阶段)中看到的液体脉动。这些液体波并非随机。它们与注意力失效的时刻精确同步。
当参与者在注意力任务中错过刺激(明显表明注意力已下降)时，特定序列展开。首先是注意力失效本身。随后几秒内，他们的瞳孔收缩，表明警觉性低。脑电波改变模式，心率下降，呼吸变慢，脑脊液开始从大脑向外流动。几秒后，模式逆转：瞳孔扩张，大脑活动增加，随着注意力恢复，液体向内流动。
研究人员发现这不仅仅是相关性。通过将失效分类为不同类型——孤立 lapses 与持续注意力丧失的开始或结束——他们证明大脑和液体变化具体追踪了注意力是下降还是恢复。当注意力首次失效时，液体向外流动；当注意力恢复时，液体流动方向逆转并向内移动。
瞳孔大小如何揭示大脑活动
即使在清醒期间的短暂注意力失效也会触发这些显著的液体脉动。研究人员通过大脑记录和眼球追踪验证，参与者实际上并没有入睡。在睡眠剥夺的清醒状态下，脑脊液流动的幅度达到了通常在第2阶段睡眠中看到的水平。
眼睛是大脑活动的窗口。
睡眠剥夺使液体脉动增加了约4.7分贝，与休息后的清醒状态相比，使其几乎达到实际睡眠期间的强度。参与者还显示出增加的脑电波活动和更大的血流波动：这两种迹象都表明睡眠侵入了他们本应清醒的状态。
血管变化似乎驱动了这些液体运动，与血管机制一致，尽管直接因果证据仍是间接的。当血管扩张时，它们占据更多空间，机械地将液体推出。当它们收缩时，液体流回。本研究中事件的时间安排支持这种血管机制：瞳孔变化在液体变化之前几秒发生，如果血管是中介，则符合预期的延迟。
瞳孔大小是大脑唤醒系统的窗口，特别是称为蓝斑(locus coeruleus)的区域。这个小区域产生去甲肾上腺素(norepinephrine)，一种保持人们警觉的化学物质。去甲肾上腺素直接影响注意力和血管，使其成为协调所观察到的行为失效和流体动力学的主要候选者。
瞳孔大小与液体流动之间的联系是稳固的。分析显示瞳孔收缩在液体向外流动之前4.75秒，这种关系在睡眠剥夺后比在正常困倦期间显著更强。
为什么睡眠剥夺导致危险的 lapses
这些发现发生在参与者睁眼并积极尝试执行任务时。他们的大脑本质上是在劫持清醒意识以启动类似睡眠的过程，包括通常保留给夜间睡眠的大规模液体运动。
尽管睡眠剥夺导致的注意力失效明显危险，如驾驶时短暂 lapses 可能导致致命后果，但它们仍可靠地发生。睡眠不足如此可预测地引发这些失效的事实意味着，它们可能反映了大脑对短暂休息期的不可抑制需求，而不仅仅是故障。
研究人员正在调查的一种可能性是，这些短暂发作是否具有关键功能。在睡眠期间，大脑清除在清醒期间积累的废物。所观察到的大规模液体脉动可能代表大脑试图执行必要的维护工作，即使它只能在强制清醒期间零星地偷取几秒钟。然而，本研究并未直接测量这些发作期间是否实际发生了废物清除。
成像技术无法直接测量这些微型发作是否完成了有意义的废物清除。但如此多系统的协调(注意力、瞳孔、脑电波、血流、心率、呼吸和液体运动)指向一个有组织的生物过程，而不是随机功能障碍。
即使休息良好的参与者偶尔也会在注意力失效期间显示出类似的模式，尽管频率较低，与瞳孔变化的耦合较弱。相同的基本机制可能在正常困倦期间运行，但在睡眠剥夺后变得显著放大和不稳定。
研究是如何进行的
参与者经过仔细筛选，确保没有睡眠障碍，保持规律的睡眠时间表(通过手腕监测器验证)，并在测试前避免咖啡因和酒精。对于睡眠剥夺环节，他们晚上7点到达实验室，并在整晚由工作人员持续监测，如果参与者闭眼超过两秒，工作人员会干预。
伴随注意力失效的心血管变化(心率下降和呼吸率下降)指向自主神经系统的参与，该系统主要在意识控制之外运行。睡眠后注意力失效不仅仅是精神疲劳，还反映了身体整体唤醒状态的根本转变。
睡眠剥夺后，注意力较差的时刻显示出比注意力良好的时刻显著更高的液体脉动功率，即使在确认的清醒状态下也是如此。无论是研究人员查看较慢的反应时间还是完全未能响应，这一结果都成立。
大脑无法忽视其对睡眠的需求
睡眠剥夺从根本上破坏了大脑状态调节的稳定性，导致其在清醒模式和睡眠模式之间振荡，即使意识据称得以维持。大脑无法无限期地抑制其对通常在睡眠期间发生的过程的需求。经过足够的剥夺，这些过程开始强行进入清醒时间，无论情况如何。
发表在《自然神经科学》(Nature Neuroscience)上的这项研究有助于解释为何通宵感觉如此。当你意识到自己盯着同一句话看了30秒，或在驾驶时突然回过神来的那些时刻？你的大脑正在短暂启动它迫切需要的清理过程，在强制清醒期间偷取几秒钟的维护时间。
虽然我们不需要更多研究来告诉我们这一点，但事实越来越清楚：睡眠不是可选项。当被剥夺适当休息时，大脑会获取所需，即使这意味着在关键的清醒活动中危及安全和表现。睡眠剥夺导致的注意力失效不是软弱或缺乏意志力的标志。它们是无法被覆盖的生物必然性的证据。
了解这一机制最终可能帮助研究人员为医学、交通和应急响应等职业中不可避免的睡眠剥夺开发更好的管理策略。目前，信息很明确：尊重大脑对睡眠的需求，因为它会以某种方式获取所需。
论文摘要
方法论
研究人员招募了26名健康成年人(平均年龄25.6岁)，每人完成了两次间隔8至10天的扫描：一次在家正常睡眠后，一次在实验室监督下通宵睡眠剥夺后。在睡眠剥夺期间，工作人员从晚上7点直到第二天早晨扫描持续监测参与者，防止任何睡眠(如果闭眼超过2秒则干预)。参与者在测试前一周保持规律的睡眠时间表，由手腕监测器验证，并在扫描前24小时避免咖啡因、酒精和助眠药物。在3特斯拉MRI扫描仪内，参与者执行注意力任务(以5至10秒间隔对蜂鸣声或视觉信号做出反应)，同时研究人员通过64通道脑电图(EEG)记录大脑活动，用红外相机追踪眼球运动和瞳孔大小，用传感器监测心率和呼吸，并使用特殊快速成像测量脑脊液流动和大脑血流(每378毫秒获取一次大脑体积)。成像体积定位在与第四脑室相交处，以测量液体流动。第二项研究在另外10名参与者中使用不同成像来测量双向液体流动(流入和流出大脑)。
结果
睡眠剥夺导致清醒期间出现大规模脑脊液脉动，达到通常只在第2阶段睡眠中看到的幅度：比休息后的清醒状态增加4.7分贝。这些液体波与注意力失效紧密耦合。当参与者在睁眼、脑电图确认的清醒状态下错过刺激(遗漏)时，协调序列发生：注意力失效，然后瞳孔收缩，大脑电活动改变(宽带功率先下降后增加，α-β和慢波频率有明显变化)，心率和呼吸率下降，脑脊液在约20秒内向外然后向内脉动。特定时间显示，注意力失效在注意力下降前约2秒，在注意力恢复前1秒先于液体变化，液体流动变化在行为变化后6至8秒达到峰值。瞳孔大小变化与液体流动强相关(最大相关性0.25，滞后4.75秒)，这种相关性在睡眠剥夺后显著更强。脑组织中的血流模式显示与液体流动时间相匹配的双相模式，与血管变化机械驱动液体运动一致。即使在清醒状态下，包含注意力 lapses 或遗漏的60秒时间段比注意力良好的时间段显示出显著更高的液体脉动功率。
局限性
该研究无法测量液体脉动是否实际清除了大脑中的废物产物，只能确定发生了大规模脉动。成像方法在主实验中只能测量一种类型的液体流动方向(需要第二项研究来确认双向流动)，并且采集体积无法同时覆盖所有脑区。研究人员无法确定瞳孔变化、大脑活动变化、血管变化和液体流动之间的精确因果关系，只能确定它们的时间序列。由于设备限制(脑电图帽在MRI线圈内的尺寸限制)，研究包括的女性多于男性，尽管分析未发现主要发现中的性别差异。由于眼球追踪设备的技术问题(排除21次运行)或某些条件下数据不足，某些特定分析的样本量小于完整队列。将注意力失效与流体动力学联系起来的机制仍部分是推测性的，尽管时间和模式支持由大脑唤醒系统调节的血管机制。
资金和披露
研究由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)资助，包括U19NS128613、U19NS123717、R01AT011429、R00MH111748和R01AG070135拨款，以及McKnight Scholar Award、Sloan Fellowship、Pew Biomedical Scholar Award、One Mind Rising Star Award和Simons Collaboration on Plasticity in the Aging Brain (811231)。额外支持来自NDSEG研究生研究奖学金(授予S.D.W.)和波兰NAWA奖学金(授予E.B.)。资源由NSF仪器拨款1625552提供。一位作者(L.D.L.)是测量脑脊液流动的MRI方法待决专利申请的发明人。未声明其他竞争利益。
出版详情
Yang, Z., Williams, S.D., Beldzik, E., Anakwe, S., Schimmelpfennig, E., & Lewis, L.D. (2025). 注意力失效与神经血管、瞳孔和脑脊液流动动态的关联. 自然神经科学. doi:10.1038/s41593-025-02098-8
【全文结束】
