TED日本語 - ジェフ・イリフ: よく眠る事が大切なもう一つの理由


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TED日本語 - ジェフ・イリフ: よく眠る事が大切なもう一つの理由

TED Talks

One more reason to get a good night’s sleep
Jeff Iliff


脳は私達の体が消費するエネルギーの1/4を、消費していますが、その質量は体量の約2%しかありません。このユニークな器官は、どうやって生命維持に必要な栄養素を得て ― 恐らくもっと重要な事ですが ― どうやって老廃物を取り除いているのでしょうか。新しい研究で分かった事は、それは睡眠と関係しているという事です。


Sleep. It's something we spend about a third of our lives doing, but do any of us really understand what it's all about?

Two thousand years ago, Galen,one of the most prominent medical researchers of the ancient world, proposed that while we're awake, our brain's motive force, its juice, would flow out to all the other parts of the body, animating them but leaving the brain all dried up, and he thought that when we sleep, all this moisture that filled the rest of the body would come rushing back, rehydrating the brain and refreshing the mind. Now, that sounds completely ridiculous to us now, but Galen was simply trying to explain something about sleep that we all deal with every day. See, we all know based on our own experience that when you sleep, it clears your mind, and when you don't sleep, it leaves your mind murky. But while we know a great deal more about sleep now than when Galen was around, we still haven't understood why it is that sleep, of all of our activities, has this incredible restorative function for the mind.

So today I want to tell you about some recent research that may shed new light on this question. We've found that sleep may actually be a kind of elegant design solution to some of the brain's most basic needs, a unique way that the brain meets the high demands and the narrow margins that set it apart from all the other organs of the body.

So almost all the biology that we observe can be thought of as a series of problems and their corresponding solutions, and the first problem that every organ must solve is a continuous supply of nutrients to fuel all those cells of the body. In the brain, that is especially critical; its intense electrical activity uses up a quarter of the body's entire energy supply, even though the brain accounts for only about two percent of the body's mass. So the circulatory system solves the nutrient delivery problem by sending blood vessels to supply nutrients and oxygen to every corner of our body.

You can actually see it in this video here. Here, we're imaging blood vessels in the brain of a living mouse. The blood vessels form a complex network that fills the entire brain volume. They start at the surface of the brain, and then they dive down into the tissue itself, and as they spread out, they supply nutrients and oxygen to each and every cell in the brain.

Now, just as every cell requires nutrients to fuel it, every cell also produces waste as a byproduct, and the clearance of that waste is the second basic problem that each organ has to solve. This diagram shows the body's lymphatic system, which has evolved to meet this need. It's a second parallel network of vessels that extends throughout the body. It takes up proteins and other waste from the spaces between the cells, it collects them, and then dumps them into the blood so they can be disposed of.

But if you look really closely at this diagram, you'll see something that doesn't make a lot of sense. So if we were to zoom into this guy's head,one of the things that you would see there is that there are no lymphatic vessels in the brain. But that doesn't make a lot of sense, does it? I mean, the brain is this intensely active organ that produces a correspondingly large amount of waste that must be efficiently cleared. And yet, it lacks lymphatic vessels, which means that the approach that the rest of the body takes to clearing away its waste won't work in the brain.

So how, then, does the brain solve its waste clearance problem? Well, that seemingly mundane question is where our group first jumped into this story, and what we found as we dove down into the brain, down among the neurons and the blood vessels, was that the brain's solution to the problem of waste clearance, it was really unexpected. It was ingenious, but it was also beautiful. Let me tell you about what we found.

So the brain has this large pool of clean, clear fluid called cerebrospinal fluid. We call it the CSF. The CSF fills the space that surrounds the brain, and wastes from inside the brain make their way out to the CSF, which gets dumped, along with the waste, into the blood. So in that way, it sounds a lot like the lymphatic system, doesn't it? But what's interesting is that the fluid and the waste from inside the brain, they don't just percolate their way randomly out to these pools of CSF. Instead, there is a specialized network of plumbing that organizes and facilitates this process. You can see that in these videos. Here, we're again imaging into the brain of living mice. The frame on your left shows what's happening at the brain's surface, and the frame on your right shows what's happening down below the surface of the brain within the tissue itself. We've labeled the blood vessels in red, and the CSF that's surrounding the brain will be in green. Now, what was surprising to us was that the fluid on the outside of the brain, it didn't stay on the outside. Instead, the CSF was pumped back into and through the brain along the outsides of the blood vessels, and as it flushed down into the brain along the outsides of these vessels, it was actually helping to clear away, to clean the waste from the spaces between the brain's cells. If you think about it, using the outsides of these blood vessels like this is a really clever design solution, because the brain is enclosed in a rigid skull and it's packed full of cells, so there is no extra space inside it for a whole second set of vessels like the lymphatic system. Yet the blood vessels, they extend from the surface of the brain down to reach every single cell in the brain, which means that fluid that's traveling along the outsides of these vessels can gain easy access to the entire brain's volume, so it's actually this really clever way to repurpose one set of vessels, the blood vessels, to take over and replace the function of a second set of vessels, the lymphatic vessels, to make it so you don't need them. And what's amazing is that no other organ takes quite this approach to clearing away the waste from between its cells. This is a solution that is entirely unique to the brain.

But our most surprising finding was that all of this, everything I just told you about, with all this fluid rushing through the brain, it's only happening in the sleeping brain. Here, the video on the left shows how much of the CSF is moving through the brain of a living mouse while it's awake. It's almost nothing. Yet in the same animal, if we wait just a little while until it's gone to sleep, what we see is that the CSF is rushing through the brain, and we discovered that at the same time when the brain goes to sleep, the brain cells themselves seem to shrink, opening up spaces in between them, allowing fluid to rush through and allowing waste to be cleared out.

So it seems that Galen may actually have been sort of on the right track when he wrote about fluid rushing through the brain when sleep came on. Our own research, now it's 2,000 years later, suggests that what's happening is that when the brain is awake and is at its most busy, it puts off clearing away the waste from the spaces between its cells until later, and then, when it goes to sleep and doesn't have to be as busy, it shifts into a kind of cleaning mode to clear away the waste from the spaces between its cells, the waste that's accumulated throughout the day. So it's actually a little bit like how you or I, we put off our household chores during the work week when we don't have time to get to it, and then we play catch up on all the cleaning that we have to do when the weekend rolls around.

Now, I've just talked a lot about waste clearance, but I haven't been very specific about the kinds of waste that the brain needs to be clearing during sleep in order to stay healthy. The waste product that these recent studies focused most on is amyloid-beta, which is a protein that's made in the brain all the time. My brain's making amyloid-beta right now, and so is yours. But in patients with Alzheimer's disease, amyloid-beta builds up and aggregates in the spaces between the brain's cells, instead of being cleared away like it's supposed to be, and it's this buildup of amyloid-beta that's thought to be one of the key steps in the development of that terrible disease. So we measured how fast amyloid-beta is cleared from the brain when it's awake versus when it's asleep, and we found that indeed, the clearance of amyloid-beta is much more rapid from the sleeping brain.

So if sleep, then, is part of the brain's solution to the problem of waste clearance, then this may dramatically change how we think about the relationship between sleep, amyloid-beta, and Alzheimer's disease. A series of recent clinical studies suggest that among patients who haven't yet developed Alzheimer's disease, worsening sleep quality and sleep duration are associated with a greater amount of amyloid-beta building up in the brain, and while it's important to point out that these studies don't prove that lack of sleep or poor sleep cause Alzheimer's disease, they do suggest that the failure of the brain to keep its house clean by clearing away waste like amyloid-beta may contribute to the development of conditions like Alzheimer's.

So what this new research tells us, then, is that the one thing that all of you already knew about sleep, that even Galen understood about sleep, that it refreshes and clears the mind, may actually be a big part of what sleep is all about. See, you and I, we go to sleep every single night, but our brains, they never rest. While our body is still and our mind is off walking in dreams somewhere, the elegant machinery of the brain is quietly hard at work cleaning and maintaining this unimaginably complex machine. Like our housework, it's a dirty and a thankless job, but it's also important. In your house, if you stop cleaning your kitchen for a month, your home will become completely unlivable very quickly. But in the brain, the consequences of falling behind may be much greater than the embarrassment of dirty countertops, because when it comes to cleaning the brain, it is the very health and function of the mind and the body that's at stake, which is why understanding these very basic housekeeping functions of the brain today may be critical for preventing and treating diseases of the mind tomorrow.

Thank you.


睡眠 我々は人生の約1/3を 睡眠に費やしていますが 本当に睡眠とは何か 分かっている人はいるのでしょうか

2千年前 古代 最も高名な 医学研究者の1人ガレノスは 我々が起きている時は 脳の原動力である液が 身体の方々に行き渡り 体の各部を活気づけ 脳を干上がらせてしまい 眠っている間に 体中のこの液が 脳に流れ込み 脳を潤し 新たな活力を与える という説を 提示しました 今 これは全く馬鹿げた話の様ですが ガレノスは ただ 睡眠に関して 何らかの説明を 与えようとしていただけです 誰しも経験から分かっている事ですが 眠ると頭がすっきりし 眠らないと 頭がぼんやりした感じがしますね 今や睡眠に関して分かっている事は ガレノスの時代よりずっと多いのですが まだ良く分っていない事は あらゆる活動の中で 睡眠だけが 驚くべき脳の回復機能を 持っている理由です

それで ある研究に関して お話ししたいと思います この疑問に新たな光を当てる事と なるかもしれません 研究で分かったことは 睡眠は脳の ある最も基本的で 脳特有な 需要が高く融通が利かない という 他の器官にないニーズを巧みに 満たしているのかもしれないという事です

我々が観察する殆どの生物学は 問題とその対処策の一連だと 思ってもいいでしょう 全ての器官が解決すべき最初の問題は 体中の細胞に栄養を 供給し続ける事です 特に脳では それは生死に関わります 脳が電気活動に使うエネルギーは 体の全エネルギーの1/4を使いますが 質量は体重の2%しかありません 循環系は 血管を通して 栄養や酸素を体の隅々に送り 栄養配給の問題を解決します

それをこのビデオで見れます これは生きたマウスの 脳内血管を映し出しています 血管は複雑なネットワークを作り 脳全体を埋めています 脳の表面から始まり 組織そのものに入り込み そこで広がり栄養や 酸素を脳の個々の細胞に 供給します

個々の細胞が活動に 栄養が必要なように 全ての細胞はまた 副産物として老廃物を産出し その老廃物の排出が どの器官も持つ 2番目の基本的問題なのです これは人体のリンパ組織を示す図です 老廃物排除のために 進化した組織です 血管に次ぐ管の並列ネットワークが 体中に広がっています タンパク質や他の老廃物を 細胞間から集め 血液の中に入れ 排出する事が出来ますが

この図をよく見て頂くと 何か全く 納得いかないものが見えるでしょう この人体図の頭内を拡大すると 分かる事の1つは リンパ管が脳にはない という事です これは全くおかしな話ですね 脳の活動は非常に活発です と同時に大量に産出する老廃物を 効率的に排出しなければなりません なのにリンパ管がないのです という事は 老廃物排除の仕方は 脳内では体とは異なるという事です

では どうやって脳は この問題を解決するのでしょう? 一見何でもないこの疑問に 我々のグループが 最初 飛び込んだ時 脳内を覗いてみて分かった事は ニューロンと血管の間には 想像もしてなかった様な 老廃物排除の 解決法があったのです それがよく出来ていて その上 美しいのです 我々が発見した事をお話しします

脳はこの大きなプールがあり そこには無色透明の 脳脊髄液(CSF)という 液があります CSFは脳の回りを埋め 脳内からの老廃物は CSFに吸収され 他の排泄物と共に 血液中に排出されます その排泄方法は全く リンパ系そっくりですね でも面白い事に その液や老廃物は 脳内から来ていて むやみにCSFに 染み出す訳ではなく 特別な循環システムがあるのです それが組織化して このプロセスを行っています このビデオでそれが見れます 生きたネズミの 脳内を映し出したものです 左のフレームに見えるのが 脳の表面で起きている事です 右のフレームで見えるのが 脳表面下の組織内で 起きていることです 血管が赤くしてあり 脳を囲むCSFは 緑です 驚かされた事は 脳の外側にあるCSFは そこには 留まらないという事です 留まらずCSFは 血管の外壁沿いに脳中を流れ 血管の外壁から 脳内に流れ込みます これは脳細胞間から出る 老廃物を排出する 手助けの一過程です よく考えてみると この様な血管の外壁を 利用するということは 実に良く出来た解決法だ と思います なぜなら脳はしっかりと 頭蓋で囲まれ ぎっしりと細胞がつまり 中には余分な空間はなく 血管に加えて 更にリンパ管組織の余裕がないのです しかし血管は 脳表面から 脳内の全ての細胞まで広がっていて 血管外壁沿いに流れる液は 脳全体に容易にアクセスできるのです これは実に巧みに出来ていて 脳内にある血管を機能変換させ リンパ管の様な機能にし それがリンパ系代わりの 役割を果たしているので 脳機能にはリンパ系は必要ないのです 驚く事は 他のどの器官も この様な方法では 老廃物は排除されていなく これは完全に脳特有の処理法だ ということです

最も驚く発見は お話しした全ては 脳を流れるこの液で 脳が眠っている時にだけ 起きているという事です 左のビデオを見て下さい どれ程 CSFが 目覚めているマウスの脳内で 動いているかが分かります 殆ど動いていません この同じ動物が 眠ってしまうまで待つと CSFが 脳内を駆け巡るのが見えます 同時に分かった事は 脳が眠ると 脳細胞が縮み 脳細胞間の隙間が広がり CSFが流れ易くなり 老廃物を排出させます

それでガレノスの説は 全く的外れでは なかった様です 彼の言うように脳内を 液が駆け巡るのは 眠っている間なのですから それから2千年後の今 我々の研究では 脳が起きている 最も活発な時は 細胞間からの老廃物排除を 後回しにし 睡眠中には 脳の働きは静まり 浄化体制に入り 脳細胞間のスペースから その日に蓄積された 老廃物を排除します 我々がする事と ちょっと似てますね 週日 仕事で忙しく 家事を後回しにします 時間がないので 今までの掃除をまとめて全部 週末が来たらやる というようなものです

老廃物排除について 随分話してきましたが あまり具体的ではなかった事は どんな老廃物を 睡眠中に排除して 健康でいられるのか ということです 最近の研究で一番の焦点 ― 老廃物アミロイドベーターは 常に脳で作られているタンパク質です 今 私の脳も作っています あなたの脳もそうですが アルツハイマー病患者の脳では アミロイドベーターが 脳細胞間に蓄積します 排除されるべきなのですが アミロイドベーターの蓄積は 恐ろしい病気の鍵となる1段階だ と思われています それでアミロイドベーター除去速度を 目覚めている時と 眠っている時の脳と比べて測り 分かった事は アミロイドベーターの排除は 睡眠中の脳からの方がずっと速い という事です

では睡眠が 脳の老廃物排除の 問題解決の1つだとしたなら これは今までの 睡眠とアミロイドベーターと アルツハイマー病との関係についての 考えを大きく変えるかもしれません 最近の一連の臨床試験は アルツハイマー病を 発症していない患者の 睡眠の質と時間の劣化と 大量のアミロイドベーター蓄積量が 関係している事を示しています しかし指摘すべき事があります これらの研究では 睡眠の量と質の劣化が アルツハイマー病の要因だとは 検証されていません 確かな事は 脳の浄化作業 ― アミロイドベーターの様な老廃物排除が うまく行かないと アルツハイマー病の様な症状が 起き出すようだ ということです

この新しい研究で分かった事は あなた方が睡眠に関して 既に知っている事の1つ ― ガレノスでさえ理解していた 「睡眠は脳を回復し浄化する」 これが睡眠に関する全て といっていい程 重要な部分だろう という事です 私もあなた達も眠りますね 毎晩 でも脳は休んではいません 体は動かなくても どこか夢の中を歩いている我々の脳 ― 優雅なマシンは 静かに働いています 浄化作業をし この想像を絶する 複雑なマシンを維持しています 家事の様に 汚い感謝されない仕事ですが 重要です あなたの家で台所を片付けなかったら それも一ヶ月間 全く住めない状態に 瞬く間になりますね でも脳内で清掃を 怠ったその結果は 恥ずかしい汚い台所カウンター どころではありません なぜなら脳の浄化作業は 脳と体の健康と機能を 大きく左右するからです だからこそ 脳の一番基礎的な浄化機能を 理解する事が これからの脳疾患を 予防し治療するには 不可欠な事かもしれないのです



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