衰老降低睡眠的质量和数量，而睡眠紊乱可预测神经退行性变和认知衰退。睡眠缺失可能通过破坏对脑稳态至关重要的脑脊液（cerebrospinal fluid, CSF）循环而影响脑健康。在年轻成年人中，非快速眼动（non-rapid eye movement, NREM）睡眠期间会出现大幅CSF流动波；然而，睡眠依赖性脑液体生理学在衰老中是否改变尚不清楚。本研究对年轻（18–39岁）和年长（60–84岁）成年人在夜间睡眠期间的大尺度CSF流动和血流动力学进行了成像。年长成年人中睡眠依赖性CSF流动减少，并与脑电图（EEG）慢波功率降低、整体血流动力学振荡减弱以及灰质萎缩相关。通过使用感觉刺激和血管活性刺激驱动CSF流动，研究人员发现神经和脑血管变化均导致了这种紊乱。这些结果表明，在疾病发作之前，人类衰老过程中睡眠期间的CSF流动已减少，并确定了导致这一下降的平行神经和血流动力学机制。
研究背景与科学问题
衰老是神经退行性疾病的首要风险因素，其中一个假设的促成因素是脑脊液（cerebrospinal fluid, CSF）生理学的改变。CSF在脑组织周围和内部循环，执行缓冲脑部和将溶质从脑组织运输到排出路径等多种功能。然而，衰老如何影响这一流体系统尚不完全清楚。此前在老年人中测量大尺度CSF流动的研究报告了相互矛盾的结果，但这些研究均在日间清醒状态下进行。然而，人和啮齿类动物研究均已表明，脑血流动力学和CSF循环强烈依赖于睡眠。在年轻成年人非快速眼动（non-rapid eye movement, NREM）睡眠期间，会出现大幅度低频CSF流动波，这些睡眠依赖性流体波受到低频神经振荡和血管动力学的共同影响。衰老与睡眠结构的显著破坏相关，包括更脆弱、碎片化的睡眠和EEG慢波功率降低，这理论上可能导致睡眠期间CSF流动的丧失。此外，衰老影响脑血管生理学，导致血管僵硬和静息直径增大等后果，可能削弱推动CSF通过脑部的机械血管舒缩力。因此，本研究旨在探讨睡眠依赖性CSF流动在衰老人类大脑中是否以及如何发生改变。
研究内容与主要结论
研究人员收集了年轻（18–39岁，n=31）和年长（60–84岁，n=41）健康成年人在夜间睡眠期间的同步EEG和快速功能磁共振成像（fast functional MRI, fast-fMRI）数据。研究发现，年长成年人在NREM睡眠期间表现出显著降低的低频CSF流动，这种睡眠相关的CSF流动减少在年长者中显著强于年轻者。同时，年长者的睡眠依赖性血流动力学振荡也减弱，并且血液动力学与CSF之间的直接耦合在年长者中显著减弱。进一步分析表明，EEG慢波功率的丧失与CSF流动减少相关，且EEG-CSF的时间耦合在年长者中显著减弱。通过序列中介模型分析，研究人员发现年龄对CSF流动的影响通过两条途径传递：一条是神经通路（EEG慢波独立介导），另一条是神经血管通路（EEG慢波通过影响血流动力学振荡间接介导）。日间清醒状态下的因果实验进一步证实，神经血管耦合受损和脑血管反应性降低均导致年长者CSF流动减少。最后，额叶灰质萎缩与年长者睡眠期间CSF流动减少显著相关。
主要关键技术方法
- 1.
同步EEG-fast-fMRI记录：采用加速fMRI协议同时测量血流动力学（血氧水平依赖信号，BOLD）和CSF流动信号（速度诱导流入信号），成像体积底边与第四脑室相交，利用流入增强效应检测CSF流速变化。
- 2.
睡眠分期与信号分析：基于眼动追踪视频和EEG睡眠评分识别NREM睡眠期，计算EEG慢波功率（0.5–4 Hz）、低频BOLD功率（0.01–0.1 Hz）和CSF功率，并进行跨相关分析评估信号耦合强度。
- 3.
序列中介模型：建立包含年龄组（自变量X）、EEG慢波功率（中介变量M1）、低频BOLD功率（中介变量M2）和CSF功率（因变量Y）的串行中介模型，检验三条潜在中介路径。
- 4.
日间因果操纵实验：采用视觉棋盘格刺激（12 Hz闪烁，块设计）驱动神经活动，以及屏气任务（15秒屏气，8个模块）诱导高碳酸血症，分别评估神经血管耦合和脑血管反应性（cerebrovascular reactivity, CVR），并测量诱发的CSF流动响应。
- 5.
结构MRI分析：基于T1加权图像计算标准化额叶灰质体积，分析与睡眠CSF流动的相关性。
研究结果
年长成年人NREM睡眠期间低频CSF流动和血流动力学振荡减少
在持续清醒和NREM睡眠期（最短60秒）的分析显示，年长组在NREM睡眠期间的低频CSF功率显著低于年轻组，尤其在0.01–0.1 Hz频段。年长者在清醒和睡眠期间的低频CSF功率均较低，且睡眠相关的增加幅度显著小于年轻者（年轻平均变化3.82 dB，年长平均变化1.15 dB，P=0.002）。实际上，年长组从清醒到睡眠的CSF流动增加不显著。同样，年长组的睡眠依赖性低频BOLD功率增加也显著小于年轻组（年轻平均变化3.67 dB，年长平均变化2.15 dB，P=0.038）。
年长成人血液动力学与CSF振荡之间的耦合显著减弱
睡眠相关的低频BOLD功率增加与CSF流动增加在两个年龄组中均呈显著强相关。然而，年长组BOLD信号负导数与CSF信号的最大交叉相关性显著低于年轻组（差值0.25，P<0.001），表明血液动力学与CSF的直接耦合在年长者中受损。
年长成人睡眠期间额叶EEG慢波功率降低且EEG-CSF耦合受损
两个年龄组从清醒到NREM睡眠额叶EEG慢波功率均显著增加，但年长组在NREM睡眠期间的额叶慢波功率显著低于年轻组。在两个年龄组中，较低的EEG慢波功率与较少的CSF流动相关。EEG慢波包络与CSF流动的时间耦合在两个组均显著（EEG领先），但年长组的耦合强度显著弱于年轻组（最大相关系数差值0.14，P<0.001）。
衰老导致的低频CSF功率减少由额叶EEG慢波功率独立介导并通过其对全局灰质BOLD低频功率的影响介导
序列中介模型显示，年龄通过神经血管通路（EEG慢波→低频BOLD振荡→CSF流动）对CSF流动产生显著的间接效应。在控制低频BOLD功率后，EEG慢波功率仍显著介导年龄相关的CSF流动变化（神经通路）。相反，在控制EEG慢波后，血流动力学未显著介导年龄依赖性CSF流动丧失。即使在考虑所有中介变量后，年龄对CSF流动的直接效应仍然显著，提示其他年龄相关机制也存在贡献。
日间清醒实验：受控刺激驱动的神经和血管反应显示年长成人的CVR和神经血管耦合驱动的CSF流动均减少
视觉刺激实验中，尽管两组的诱发EEG反应无显著差异，但年长组初级视觉皮层（V1）的BOLD反应和诱发的CSF流动均显著低于年轻组。年长组中，日间感觉诱发的CSF流动与夜间NREM睡眠期间的低频CSF功率显著相关。屏气任务中，年长组的灰质CVR显著低于年轻组，屏气后的BOLD和CSF反应也均显著减小。年长组中，灰质CVR与夜间NREM睡眠CSF功率显著相关。
睡眠期间CSF流动与年长成人的额叶灰质体积显著相关
年长组的标准化额叶灰质体积显著低于年轻组。在年长组内，标准化额叶灰质体积与NREM睡眠期间的低频CSF功率显著正相关，而在年轻组中无此关联。其他脑叶的灰质体积与NREM CSF功率无显著关联。
讨论与结论
本研究表明，衰老显著减少了人类NREM睡眠期间的血流动力学和CSF振荡。CSF流动由脑血管搏动驱动，而神经活动是这些脑血管动力学的强力调节器。研究结果证明，神经和血管机制均参与了衰老中CSF流动的丧失。年长成人在NREM睡眠期间表现出EEG慢波功率降低，以及神经、血流动力学和CSF振荡之间的耦合受损。日间通过神经活动和脑血管操纵因果驱动CSF流动的任务表明，神经血管耦合受损和血管反应性降低均导致年长者CSF流动减少。此外，年长者睡眠期间观察到的CSF流动减少与额叶灰质萎缩相关。这些结果表明，睡眠依赖性CSF流动在衰老大脑中减少，并确定了可能导致这一损伤的神经和血流动力学机制。研究人员发现了与年龄相关CSF流动下降相关的两种不同机制：神经驱动因素的减少和脑血管损伤。即使在考虑神经和血管中介通路后，年龄对CSF流动仍有显著直接影响，提示其他机制也可能参与其中。这些结果强调了在理解和可能缓解衰老过程中睡眠期间脑液流动的年龄相关变化时，需要考虑神经和血管因素及其相互作用。
