人生大約有三分之一時間在睡覺，這件表面上看似有點浪費時間的事，卻不僅僅是讓身體休息而已。事實上，在我們睡覺時，大腦中負責清除廢物的機制正開始活絡運作，幫助我們清除大腦中的有害代謝物，例如與神經退化性疾病—阿茲海默症相關的 β類澱粉蛋白。近期一些研究也指出，急性睡眠剝奪會損害認知功能 [1]，甚至晝夜節律失調的輪班工作者，具有較高的風險，罹患神經退化性疾病 [2]。由此可知，睡眠在生物的認知與記憶功能上扮演了重要的角色。中樞神經的功能，包含清除代謝物，受到由晝夜節律影響。晝夜節律失調不僅影響認知、睡眠品質，也可能干擾大腦正常代謝廢物。因此瞭解大腦如何移除代謝廢物及日夜節律的關聯，或許能幫助我們研究如何解決大腦代謝物造成的疾病及認知失調。這篇小新聞將摘要 Lauren Hablitz等人，研究膠淋巴系統與腦膜淋巴管運作的日夜節律和機制[3]。
大腦的清道夫—膠淋巴系統與腦膜淋巴管
人體細胞產生的代謝廢物，可透過淋巴液移除，攜帶廢物的淋巴液首先匯集至淋巴管，最後進入血液循環。2012年丹麥的神經科學家內德加（Maiken Nedergaard）實驗室首先發現，大腦也擁有一套獨特的廢物清除系統 [4]，這套系統的運作機制宛如人體的淋巴系統，透過腦脊髓液（cerebrospinal fluid）的流動，可清除大腦細胞產生的代謝廢物。在大腦中，血管周圍的間隙稱為血管周隙（paravascular space），血管周隙的內側為血管，外壁則由星狀膠細胞（astrocyte）所構成。當腦脊髓液從脈絡叢（choroid plexus）製造出來後，從腦室中流動至大腦、脊髓的蜘蛛網膜下腔（subarachnoid space）[註一]。當腦脊髓液流至動脈的血管周隙時，可透過動脈搏動的力量，將腦脊髓液往腦實質組織（parenchyma）推動。流入腦實質的腦脊髓液會與組織間液（interstitial fluid; ISF）混合，攜帶組織間的代謝廢物。接著，這些腦脊髓液流至腦中靜脈的血管周隙，再匯集至分佈於腦膜的淋巴管（meningeal lymphatics），將廢物引流至位於頸部的淋巴結。在這套運輸途徑中，腦脊髓液須仰賴星狀膠細胞終足（end-foot）上的水通道蛋白 4（aquaporin-4; AQP4）進入腦實質組織，與組織間液進行物質交換，並帶走代謝廢物。前述過程類似於周邊的淋巴系統，因此被命名為膠淋巴系統（glymphatic system）（圖一）。膠淋巴系統與腦膜淋巴管[5]聯合作用，宛如大腦的清道夫，將廢物或有害物質帶離中樞神經系統，引流至周邊組織。
圖一：膠淋巴系統的運輸途徑與組成。左側紅色代表大腦的動脈，動脈周圍淺藍色包圍的區域為動脈血管周隙，血管周隙靠腦實質組織側為星狀膠細胞終足（標為黃色，astrocyte endfoot）。綠色虛線與箭頭顯示腦脊隨液（CSF）流向，從動脈到腦實質組織再到靜脈。通過腦實質的腦脊髓液會與組織間液（ISF）交換物質，帶走代謝廢物（以黑色星狀物表示），往靜脈的血管周隙流動，最後匯集至蜘蛛網膜下腔（subarachnoid space），此條為膠淋巴腦脊髓液流出（glymphatic CSF efflux）途徑。在腦膜中有腦膜淋巴管（meningeal lymphatic vessel，綠色），腦脊髓液可由腦膜淋巴管的引流至頸部的周邊淋巴結。圖片來源：https://doi.org/10.3389/fnins.2021.639140
膠淋巴系統與大腦的淋巴引流展現晝夜節律
膠淋巴系統中清除廢物的首要步驟為腦脊髓液流入腦實質組織。研究者將螢光染劑注射至充滿腦脊髓液的大池（cisterna megna）[註二] 中，觀察螢光染劑分佈於大腦組織的情形，可推測腦脊髓液流入大腦組織的量、速率以及分佈區域。實驗結果指出，相較於晚上，較多腦脊髓液於白天流入腦實質（圖二）。
圖二：觀察腦脊隨液流入腦實質的實驗設計與結果。（a）取小鼠分別於白天（ZT6）或晚上（ZT18）注射螢光染劑後，切開皮膚並置於巨視顯微鏡（macroscope）下，觀察活體大腦。（b）螢光影像的變化，上排為白天，下排為夜晚，可見在白天有較多染劑流入。（c）腦實質組織測得螢光強度隨時間變化的曲線，白天標為橘色、夜晚標為藍色。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41467-020-18115-2
膠淋巴系統帶走的廢物可透過腦膜淋巴管引流至頸部淋巴結。研究者將螢光染劑注射至腦中，再觀察染劑如何分佈於周邊淋巴結。實驗結果顯示，在夜晚有較多染劑流出，可推測在夜間的腦中，有較多物質被清除至中樞神經以外（圖三）。
圖三：觀察腦脊隨液引流至頸部周邊淋巴結的實驗設計與結果。（a）分別於白天或晚上注射，待染劑循環5分鐘後，切開小鼠頸部皮膚，置於巨視顯微鏡下觀察螢光的動態變化。（b）頸部淋巴結的螢光強度隨時間變化的曲線。白天標為橘色、夜晚標為藍色。（c）觀察時間第 50分鐘的頸部淋巴結螢光平均強度，夜晚顯著較白天高。（d）觀察 20分鐘內，螢光染劑流入頸部淋巴結的速率，夜晚顯著較白天快。（e）頸部淋巴結的螢光影像，上排為白天，下排為晚上。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41467-020-18115-2
膠淋巴系統與大腦淋巴引流展現的晝夜節律需仰賴 AQP4
腦脊髓液需要透過星狀膠細胞的 AQP4 流入腦實質組織，研究團隊使用 AQP4 基因剔除鼠，探討膠淋巴系統運作的晝夜差異是否仰賴 AQP4。研究團隊同樣將螢光染劑注射至 AQP4 基因剔除鼠的大池中，觀察螢光染劑在腦實質的分佈。實驗結果指出，在 AQP4 基因缺陷的老鼠中，進入腦實質的流量不具有晝夜差異性；同樣地，將螢光染劑注射至 AQP4 基因剔除鼠腦中，染劑引流至頸部淋巴結的現象也失去了晝夜節律（圖四）。
圖四：AQP4 基因缺陷將使膠淋巴系統與淋巴引流失去晝夜節律。在AQP4 基因剔除小鼠的大池注射螢光染劑後，頸部淋巴結的螢光變化。比較白天與夜晚的結果，可見螢光強度的分布與變化大致相同。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41467-020-18115-2
結語
綜合以上這些實驗結果可推論，膠淋巴系統在白天時較為活躍，與腦中的組織間液交換物質；進入夜間，膠淋巴系統減緩清除組織間的代謝物，此時腦膜淋巴引流增加，排出代謝物至周邊淋巴結，而膠淋巴系統與大腦淋巴引流需要仰賴星狀膠細胞表現的 AQP4，才能展現晝夜節律。研究晝夜節律確實影響著膠淋巴系統和腦膜淋巴引流如何運作，或許這提供改善大腦代謝、治療疾病的契機。
[註一]：蜘蛛網膜下腔為蜘蛛膜（腦膜第二層）與軟腦膜（腦膜最內層）間的空腔。
[註二]：大池是蜘蛛網膜下腔位於小腦及延腦背側區的一個膨大空腔，腔內充滿腦脊髓液，因其解剖位置又稱為小腦延髓池（cerebellomedullary cistern）
參考文獻
[1] Kreutzmann, J. C., Havekes, R., Abel, T., & Meerlo, P. (2015). Sleep deprivation and hippocampal vulnerability: changes in neuronal plasticity, neurogenesis and cognitive function. Neuroscience, 309, 173–190. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2015.04.053
[2] Jørgensen, J. T., Karlsen, S., Stayner, L., Hansen, J., & Andersen, Z. J. (2017). Shift work and overall and cause-specific mortality in the Danish nurse cohort. Scand J Work Environ Health, 43(2), 117–126. https://doi.org/10.5271/sjweh.3612
[3] Hablitz, L.M., Plá, V., Giannetto, M. et al. Circadian control of brain glymphatic and lymphatic fluid flow. Nat Commun 11, 4411 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-18115-2
[4] Natale, G., Limanaqi, F., Busceti, C. L., Mastroiacovo, F., Nicoletti, F., Puglisi-Allegra, S., & Fornai, F. (2021). Glymphatic System as a Gateway to Connect Neurodegeneration From Periphery to CNS. Front Neurosci, 15, 639140. https://doi.org/10.3389/fnins.2021.639140
[5] Louveau, A., Smirnov, I., Keyes, T. J., Eccles, J. D., Rouhani, S. J., Peske, J. D., Derecki, N. C., Castle, D., Mandell, J. W., Lee, K. S., Harris, T. H., & Kipnis, J. (2015). Structural and functional features of central nervous system lymphatic vessels. Nature, 523(7560), 337–341. https://doi.org/10.1038/nature14432
撰文｜劉姿婷
審稿｜王振宇
[…] 延伸閱讀｜晝夜節律調控大腦清除廢物的機制 […]