睡眠改变人脑生理性搏动的流速动力学

《Advanced Science》：Sleep Alters the Velocity of Physiological Brain Pulsations in Humans

本研究通过超快磁共振脑成像技术（MREG）结合光流分析，首次在人体睡眠期系统描绘了三种生理性脑搏动（心源性、呼吸性、血管运动性）的三维流速动态。研究发现，非快速眼动睡眠（NREM）可显著提升呼吸与血管运动搏动的流速（>20%），并逆转心源性搏动的方向，为睡眠促进脑脊液（CSF）对流清除代谢废物的类淋巴系统（glymphatic）假说提供了关键流体动力学证据。

　　

1 引言

人脑约80%由水分构成，脑脊液（CSF）与间质液（ISF）通过血管周通路（即类淋巴系统）进行动态交换。睡眠可显著增强CSF的代谢清除能力，此过程与心源性（~1 Hz）、呼吸性（~0.3 Hz）及低频血管运动性（<0.1 Hz）搏动的频谱功率升高密切相关。然而，睡眠如何调控这些搏动的三维流速与方向尚不明确。本研究利用超快采样磁共振脑成像（MREG，10 Hz）结合密集光流分析，首次在健康志愿者睡眠与清醒状态下量化了三种生理性搏动的全脑流速动态。

2 结果

2.1 流速验证实验

以菠萝为仿体模型，通过多普勒超声验证MREG可准确追踪多孔组织中水分子脉冲流动。密集光流分析较稀疏光流法更精准反映实际流速（如20%泵速下实测23.6 cm/s vs. 超声基准22 cm/s）。

2.2 人群与睡眠分期

纳入22名健康受试者（27.2±4.9岁），分别在清醒期与睡眠期（睡眠剥夺后或自然睡眠）进行扫描。脑电图（EEG）确认睡眠期87%为NREM睡眠（N1 43%，N2 43%，N3 1%）。

2.3 心源性脑搏动流速

睡眠期心源性搏动平均流速（v_{s_card}）降低22%（清醒期3.27±0.63 cm/s，睡眠期2.98±0.67 cm/s），且在左颞叶内侧区域出现显著的搏动方向逆转。搏动速度在早期收缩期与晚期舒张期呈现双峰模式，提示睡眠中脑组织水分子净运动方向改变。

2.4 呼吸性脑搏动流速

睡眠期呼吸性搏动流速（v_{s_resp}）在全脑范围内显著增加，尤其在呼气后期与吸气早期（睡眠期0.31±0.01 cm/s vs. 清醒期0.26±0.07 cm/s）。流速增加区域集中于脑干、小脑、海马及丘脑等 periventricular 区域，与睡眠期呼吸阻力升高导致的CSF泵送增强一致。

2.5 血管运动波流速

低频血管运动波流速（v_{s_vaso}）在睡眠期上升21%，主要发生于BOLD信号上升初期。传感器皮层、丘脑及小脑区域流速提升显著，与睡眠期间质空间扩张、流体阻力降低的假说相符。

2.6 搏动功率与流速关联

睡眠期血管运动波及呼吸搏动的功率与流速在空间上重叠（相关系数r=0.35–0.39），且与慢波EEG功率（δ波段）正相关，而心源性搏动功率与δ功率负相关。表明慢波活动可能通过调节血管运动促进CSF对流。

3 讨论

3.1 NREM睡眠改变脑搏动功率与流速

心源性搏动流速下降可能与睡眠中动脉顺应性改变及间质液回流增强有关；呼吸与血管运动搏动的提升则源于睡眠期胸内压变化与交感张力调节，驱动CSF沿静脉周间隙加速流动。

3.2 流速与慢波EEG功率的耦合

血管运动波功率与δ-EEG的同步增强支持“睡眠中脑脊液对流促进代谢清除”的模型，可能通过扩大细胞外间隙降低流体阻力。

3.3 组织与CSF空间流速差异

MREG所测流速（3–9 cm/s）与超声、相位对比MRI的经典CSF流速数据吻合，但在组织内因部分容积效应可能低估真实值。

3.4 MREG流体成像的优局限

10 Hz采样率避免生理性混叠，但空间分辨率限制了对微血管流速的精确捕捉；双峰流速模式提示搏动在颅内不可压缩空间中的反射现象。

4 结论

睡眠通过差异化调节三种生理性脑搏动的流速与方向，优化脑内水分子对流效率，为类淋巴系统功能提供动力学证据。此发现为开发睡眠相关神经退行性疾病生物标志物奠定基础。

5 实验方法

研究获伦理委员会批准，受试者在3T MRI中接受MREG扫描（TR=100 ms，TE=36 ms），同步记录EEG、呼吸与心电信号。通过频带滤波（心搏0.51–5 Hz，呼吸0.08–0.49 Hz，血管运动波0.01–0.08 Hz）与密集光流分析计算三维流速向量，采用FSL、AFNI软件进行统计校正（FWER，p< 0.05）。