خواب چگونه سموم را از مغز پاک می‌کند
همگامی امواج مغز در جریان خواب NREM (حرکت غیرسریع چشم) ممکن است در پاک‌سازی سموم از مغز نقش داشته باشد. لورا لویس و گروهش تا دیر وقت در آزمایشگاهی در دانشگاه بوستون مشغول مطالعه بودند. لویس تا ساعت ۳ بامداد در حال انجام آزمایش‌هایی بود و بسیار دیر می‌خوابید و صبح روز بعد دیرتر از خواب بیدار می‌شد. او می‌گوید وضعیت ما مانند پرواززدگی بود، البته بدون تغییر منطقه‌ی زمانی. لویس ارزش خواب شبانه‌ی خوب را می‌داند، اما وقتی در تلاش هستید که آنچه را در هنگام خواب در مغز انسان اتفاق می‌افتد، مطالعه کنید، درنهایت باید قدری فداکاری کنید. او می‌گوید:
این خصوصیت پژوهش‌های مرتبط با خواب است؛ وقتی که مردم می‌خوابند، شما باید بیدار بمانید.
نتایج آزمایش‌های او که به‌تازگی در مجله‌ی Science منتشر شده است، نشان می‌دهد که چگونه بدن ما در هنگام خواب، سموم را از مغز می‌زداید. این یافته‌ها مسیرهایی تازه به سوی درمان و پیشگیری از بیماری‌های نورودژنراتیوی مانند آلزایمر می‌گشاید.
وقتی که می‌خوابیم، مغز ما از چند مرحله می‌گذرد؛ از خوابی سبک تا خوابی عمیق که مانند حس بیهوشی است و نیز مرحله‌ی خواب حرکت سریع چشم (REM) که احتمال خواب دیدن ما در آن مرحله بیشتر است. لویس در پژوهش خود روی مرحله‌ی خواب NREM تمرکز کرد؛ مرحله‌ی عمیقی از خواب که به‌طور کلی در اوایل شب رخ می‌دهد و با حفظ حافظه مرتبط است.
مطالعه‌ی مهمی که روی موش‌ها انجام شده و در سال ۲۰۱۳ منتشر شد، نشان می‌داد که وقتی این جوندگان خواب بودند، سمومی مانند بتاآمیلوئید که در بیماری آلزایمر می‌تواند نقش داشته باشد، از مغز آن‌ها زدوده می‌شود. لویس در این مورد کنجکاو بود که چگونه این سموم پاک می‌شدند و چرا این فرایند تنها در هنگام خواب رخ می‌دهد. او گمان می‌کرد که شاید مایع مغزی‌نخاعی (مایع شفاف آب‌مانندی که اطراف مغز جریان پیدا می‌کند)، نقش داشته باشد. اما او از این موضوع اطمینان نداشت که این فرایند منحصر به خواب باشد. بنابراین آزمایشگاه او مطالعه‌ای را طراحی کرد تا چندین متغیر را به‌صورت هم‌زمان اندازه‌گیری کند.
شرکت‌کنندگان در این مطالعه باید درون یک دستگاه MRI دراز کشیده و می‌خوابیدند. پژوهشگران برای اینکه چرخه‌های طبیعی خواب را ثبت کنند، مجبور بودند که آزمایش‌ها را در نیمه شب انجام دهند و حتی از شرکت‌کنندگان خواستند تا دیروقت بیدار بمانند تا به محض قرار گرفتن در دستگاه، خوابشان ببرد. لویس شرکت‌کنندگان را به کلاهک EEG (دستگاه ثبت امواج مغزی) مجهز کرده بود تا بتوانند جریان‌های الکتریکی مغز آن‌ها را نیز بررسی کنند. جریان‌های مذکور نشان‌دهنده‌ی مرحله‌ی خواب نیز بودند. در هین حین، دستگاه MRI سطوح اکسیژن خون مغز آن‌ها را اندازه‌گیری می‌کرد و نشان می‌داد که چه مقدار مایع مغزی‌نخاعی به مغز وارد و از آن خارج می‌شود. لویس می‌گوید:
ما احساس می‌کردیم که هر کدام از این سنجه‌ها مهم باشند اما اینکه چگونه آن‌ها در جریان خواب تغییر می‌کردند و ارتباط متقابل آن‌ها در طول خواب، چیزی بود که درمورد آن علمی نداشتیم.
چیزی که لویس کشف کرد، این بود که در جریان خواب NREM امواج بزرگ و آهسته‌ای از مایع مغزی‌نخاعی، مغز را شستشو می‌دادند. خوانش‌های EEG به روشن شدن چرایی این موضوع کمک کرد. در جریان خواب NREM، نورون‌ها با هم همگام شده و با هم روشن و خاموش می‌شوند. لویس می‌گوید:
ابتدا، این موج را در جایی می‌بینید که در آن تمام نورون‌ها خاموش هستند.
از آن‌جایی که هیچ‌یک از نورون‌ها در آن زمان برانگیخته نیستند، آن‌ها نیاز به اکسیژن زیادی ندارند. این بدان معنا است که خون کمتری به مغز جریان خواهد یافت. اما گروه لویس مشاهده کردند که در این هنگام مایع مغزی‌نخاعی هجوم می‌آورد و فضای باقی‌مانده را پر می‌کند. مایکن ندرگارد، دانشمند علوم اعصاب دانشگاه روچستر که هدایت مطالعه‌ی سال ۲۰۱۳ را برعهده داشت که در آن برای نخستین بار شرح داده شد که خواب چگونه می‌تواند سموم را از مغز موش‌ها پاک کند، می‌گوید:
این مقاله فوق‌العاده است. من فکر نمی‌کنم کسی در بعیدترین خیال خود نیز تصور کرده باشد که فعالیت الکتریکی مغز حرکتی سیال دارد. بنابراین، این کشف واقعا هیجان‌انگیز است.
یکی از نکات مهم این مقاله آن است که نشان می‌دهد سیستم‌هایی که ندرگارد در موش مطالعه کرده است، وجود دارد و در انسان نیز بسیار مهم است. ندرگارد می‌گوید:
این نتایج به شما می‌گوید که خواب فقط برای استراحت نیست. خواب درواقع عملکرد کاملا مشخصی دارد.
وقتی ما بیداریم، نورون‌ها نمی‌توانند همه با هم در یک زمان خاموش شوند. بنابراین کاهش سطوح خون در مغز به آن اندازه نیست که به مایع مغزی‌نخاعی اجازه دهد با شدت زیادی در اطراف مغز به گردش درآید و تمام محصولات زاید متابولیکی را که تجمع پیدا می‌کنند (مانند بتاآمیلوئید)، پاک کند. این مطالعه همچنین می‌تواند کاربردهای بالینی در درمان آلزایمر داشته باشد. تلاش‌های اخیر درجهت توسعه‌ی داروهایی بوده است که بتاآمیلوئید را مورد هدف قرار دهند (اگرچه نتیجه‌ی پژوهش دیگری که به‌تازگی منتشر شده است، تئوری نقش بتاآمیلوئید در آسیب‌شناسی آلزایمر را به چالش می‌کشاند). اما داروهایی که در ابتدا امیدوارکننده به‌نظر می‌رسیدند، در آزمایش‌های بالینی با شکست رو‌به‌رو شدند. ندرگارد می‌گوید:
این پژوهش، مسیر جدیدی را می‌گشاید.
مداخلات جدید به‌جای تلاش برای عمل روی یک مولکول خاص، ممکن است روی افزایش مقدار مایع مغزی‌نخاعی که مغز را می‌شوید، تمرکز داشته باشند. این امر به پاک‌سازی بتاآمیلوئید کمک می‌کند اما همچنین می‌تواند درمورد مولکول‌های دیگری مانند تائو نیز کمک‌کننده باشد. تائو پروتئینی است که در مغز بیماران مبتلا به آلزایمر کلاف‌هایی ایجاد می‌کند و به اتصالات بین نورون‌ها آسیب وارد می‌کند. یافتن راهی برای پاک کردن تمام مواد زاید می‌تواند بسیار مؤثرتر از تمرکز روی بخشی از مشکل باشد. ندرگارد می‌گوید:
پیری فقط مربوط به یک مولکول نیست. همه‌چیز دچار مشکل می‌شود.
این اکتشافات موجب ایجاد سؤال‌های جدیدی می‌شود. لویس آنچه را که در طول دیگر مراحل خواب رخ می‌دهد، مورد مطالعه قرار نداده است و نیز تنها افراد بالغ جوان سالم را در مطالعه‌ی خود در نظر گرفته است. اما روش‌هایی که او در مطالعه‌ی خود به کار برده است، غیر تهاجمی بوده است و در آزمایش‌های او افراد در دستگاه MRI می‌خوابیدند در حالیکه دستگاه‌هایی نیز به آن‌ها متصل بود. او حتی رنگ نیز به شرکت‌کنندگان تزریق نکرد. این امر باعث می‌شود که مطالعه‌ی شرکت‌کنندگان مسن‌تری که ممکن است دچار بیماری‌های تخریب‌کننده‌ی عصب باشند، آسان‌تر شود.