Nature の最新論文: 脳に水があることは非常に重要です! ?

近年、睡眠研究の分野で「グリンパティックシステム浄化仮説」が提唱され、業界で大きな注目を集めています。これは、人体が睡眠状態に入った後、リンパ液が脳に流れ込み、日中に蓄積された「毒素」を排出し、脳の「浄化」が完了することを意味します。睡眠とグリンパティックシステムによる毒性物質の浄化との関係をさらに確認するため、科学者らは最近、実験分析を用いて「解毒」メカニズムとしての睡眠に関するこれまでの推論は偏っていたという結論を下した論文をネイチャー・ニューロサイエンス誌に発表した。

では、睡眠は脳にどのような影響を与えるのでしょうか?人間はどのようにして脳の「細胞廃棄物」を「掃除」するのでしょうか?一緒に見てみましょう。

私たちの脳には水があるのでしょうか？

「あなたの脳は水でいっぱいです！」というフレーズをよく使います。愚かな人や間違った反応をする人を説明する。しかし、実際には、私たちの脳は「水」で満たされているからこそ、うまく機能できるのです。研究によれば、人間の脳には150mlの「水」があり、これは小さなグラス1杯のビールの量に相当するそうです。なぜ人間の脳には「水」があるのでしょうか?それは血ではないでしょうか？実は、人間の脳の中の「水」は「脳脊髄液」と呼ばれ、人間の脳が浮遊して浸かっている無色透明の液体です。

血液が脳に直接接触できない理由は、血液が脳に栄養と酸素を供給できないからです。血管と脳の間には血液脳関門があり、人体の司令部である脳は外界から隔離されています。人間の脳内を流れるのは脳脊髄液だけです。脳の正常な機能のために、脳室から脳水道へと流れます。脳が外部の毒性物質に容易に侵されないようにするだけでなく、一部の外部ホルモンが脳に及ぼす影響を制限することもできます。

脳室と脳水道は、実際には脳内の「穴」と「窪み」として見ることができます。脳には、第一脳室、第二脳室、第三脳室、第四脳室という 4 つの大きな「穴」があり、そこには「水」が満たされています。人間の脳には下水道に似たもう一つの「穴」、つまり脳水道があります。脳脊髄液はこの「穴」を通って脳から流れ出ます。

脳内の血液脳関門、脳室、脳脊髄液の流れの模式図。画像出典：参考文献[1]

なぜ「水を変える」必要があるのでしょうか?

人間の脳内の脳脊髄液は絶えず流れ、入れ替わっています。研究によると、人間の脳は1日24時間で脳脊髄液を4回交換する必要があることが分かっています。では、なぜ脳には「水分交換」が必要なのでしょうか?脳の「水」の中に魚はいるのでしょうか?はい、脳内の「魚」は私たちの脳細胞です。本物の魚のように泳ぐことはできませんが、「老廃物」を排泄し、やがて脳脊髄液は代謝によって生成された有毒物質で満たされます。

脳はリンパ系を発達させており、これは主に脳内のグリア細胞で構成されており、グリンパティック系と呼ばれています。これは、人間の脳という「大きな水槽」にフィルターを設置し、脳内の水を絶えず「交換」するのと同じです。人間の脳が覚醒状態を維持できるのは、まさにこのグリンパティックシステムによる脳脊髄液の補充と浄化のおかげです。

脳は人体の重量のわずか2％、つまり約3ポンド（スイカ1個分の重さより軽い）を占めるに過ぎないが、体全体のエネルギーの20％を消費するため、「大量のエネルギーを消費する器官」となっている。大量の消費作業は、活性酸素、免疫グロブリン、タンパク質断片などの多くの有毒物質を生成します。さらに恐ろしいのは、アルツハイマー病に関連するタンパク質であるベータアミロイドの蓄積です。これらのタンパク質の沈着はアルツハイマー病の発症と密接に関係しています。

しかし、若者は夜更かしすることが多いのですが、彼らの脳は損傷を受けていないのでしょうか？研究によると、若者の脳の活力は短期的な睡眠不足からはすぐに回復しますが、慢性的で長期的な不眠症や睡眠障害は脳の代謝に強いストレスをもたらし、警戒心や正常な皮質機能に関連する重要なニューロンの変性、老化や神経変性に関連するタンパク質の継続的な蓄積を引き起こし、夜更かしをする人はアルツハイマー病にかかりやすくなることがわかっています。

研究によると、高齢者の脳脊髄液の置換率は若者のわずか10％に過ぎないこともわかっています。言い換えれば、若者が夜更かしをすることが多い場合、彼らの脳は高齢者の脳と同等であるということです。

高度な画像技術により、脳が眠っているときに脳脊髄液の流量が増加することが明らかになりました。画像出典：参考文献[2]

いつ「水を変える」べきでしょうか?

脳内の「水分交換」は、通常早朝、夕方、あるいは早朝に作業する道路清掃車やゴミ収集車と同様に、睡眠中に起こることが多い。同様に、脳の浄化システムは夜間にオンになり、日中はオフになり、「水を変える」ことは睡眠中の特別な機能になります。

しかし、脳が夜間に頻繁に「水を交換する」という理論的研究については、科学界はまだ結論に達していない。ほら、最近また口論が始まったよ。以前の研究では、研究者らはマウスを麻酔し、マウスの脳脊髄液に小さな蛍光トレーサーを注入した。トレーサーはすぐに脳内に進入し、特定の予測可能な経路に沿って脳から出ていきます。マウスが眠ると、脳脊髄液はより自由に流れ、脳のより深い部分にまで達したが、覚醒しているときは、脳脊髄液は脳の表面に沿って流れるだけで、流量は睡眠状態のわずか5％であった。

研究チームはマウスを対象に一連の研究を行った結果、マウスの脳が睡眠状態や麻酔状態にあるとき、起きているときに蓄積した代謝の「ゴミ」を除去するのに忙しくしていることを発見した。研究によると、マウスの脳が睡眠中に代謝の「ゴミ」を除去する速度は、起きている状態の2倍になる可能性があるという。この結果は、睡眠中に脳が「水を変える」という仮説を証明する初めてのものと思われる。

しかし、また「衝撃的な」結果も続いた。 2024年5月13日にNature Neuroscienceに掲載された短いニュースレターでは、マウスの脳内での覚醒時、睡眠時、麻酔時の代謝物のクリアランス率を直接測定し、睡眠時および麻酔時の脳内の物質のクリアランス率が大幅に低下することを発見しました。この結果はこれまでの研究結果とは全く対照的であり、過度の睡眠が脳の機能不全を引き起こす可能性があることを示唆している。これは、睡眠の中心的な機能は脳から毒素を除去することであるという従来の概念に疑問を投げかけます。

もちろん、科学的な議論はよく行われており、睡眠が「水を変える」速度が高いか低いかという問題はまだ結論が出ていません。しかし、夜に「水を交換する」か、昼間に「水を交換する」かに関係なく、脳から不純物を除去するグリンパティックシステムの働きを無視することはできません。

脳のパラメータは、覚醒状態と睡眠状態では異なります。例えば、睡眠中は脳の温度が2度下がり、脳波がスムーズになります。画像出典：参考文献[3]

良い睡眠をとることは大切です

つまり、脳が夜間に「水を交換する」かどうかに関係なく、睡眠の重要性は自明です。たとえば、イルカやクジラは脳の左右の半球を交互に眠らせることで、どちらもぐっすり眠ることができ、寝ている間にも泳ぐことができるのです。

私たちは人生の少なくとも3分の1を睡眠に費やしているので、睡眠がいかに重要であるかは想像がつくでしょう。では、睡眠の機能は何でしょうか?上記に加えて、睡眠は脳が細胞の代謝物を浄化し、体の免疫機能を強化し、記憶を処理して保存するのに役立ちます。しかし、現代社会では多くの人が「睡眠障害」に悩まされています。

研究によると、長期にわたる睡眠不足は身体的な不快感につながるだけでなく、精神の混乱や幻覚さえも引き起こし、重篤な場合には死に至る危険性もあることが分かっています。

睡眠はとても重要なので、どうすれば改善できるのでしょうか?適切な運動と規則正しい食事によって睡眠を確保することができます。運動不足により胃の運動機能が低下し、夜間に吐き気や胸焼けを起こしやすくなり、睡眠の質に影響するため、睡眠に問題を抱える人は多くいます。太陽は東から昇り西に沈み、四季は移り変わり、睡眠も生体リズムの一部です。これらの定期的な変化は生物に影響を及ぼしています。生物学的リズムに従い、良い睡眠習慣を身につけることは、私たちの体に良い影響を与えます。

良い睡眠は脳の健康を保つことができます。私たち一人一人が健康な体でいられることを願っています。

参考文献

[1]Neurochem Res. 2015年12月; 40(12):2583–2599.土井:10.1007/s11064-015-1581-6。

[2]科学。 2013年10月18日;342(6156):373-7.出典：10.1126/science.1241224. ID: 24136970; PMCID: PMC3880190。

[3]サイエンス、374、556-559（2021）。DOI：10.1126 / science.abi8372

企画・制作

中国科学普及協会制作

著者: 王飛、神経科学博士

プロデューサー丨中国科学博覧会

編集者: ドン・ナナ

校正：徐来林