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你是否曾在经历了一场栩栩如生的梦境后，醒来却感到异常疲惫？日本东北大学松井广教授（Ko Matsui）用这句话引出了他对睡眠能量学的深层追问。“睡眠看似平静，但大脑却高度活跃，尤其是在做梦时。我们被这一悖论深深吸引，想从科学上探究为何做梦会让人感到疲倦。”这一探究最终指向了一个未被揭示的代谢谜题：在快速眼动（REM）睡眠中，大脑的能量供应虽然大幅增加，但神经元内部的即时能量货币——三磷酸腺苷（ATP）浓度却不升反降。

REM睡眠：大脑的“高耗能”悖论

REM睡眠通常被称为“反常睡眠”，因为此阶段脑电图呈现高频低幅的清醒样活动，眼球在紧闭的眼睑后快速扫动，而绝大多数骨骼肌却陷入深度松弛。它被广泛认为与记忆巩固、情绪调节以及远距离脑区间的通讯有关，但其精确功能仍存争议。传统观点认为，局部脑血流量（rCBF）与神经活动紧密偶联，血流量的增加意味着氧气和葡萄糖供给的上升，理应带来神经元可用能量的提升。然而，日本东北大学团队在《通讯·生物学》上发表的活体成像研究彻底挑战了这一线性逻辑。他们发现，REM睡眠期间血量的增加和星形胶质细胞中丙酮酸的蓄积，竟与神经元ATP水平的下降相伴而行。

为在自然睡眠状态下实时追踪代谢动态，研究人员在小鼠颅骨上涂抹了一层可紫外固化的透明树脂，从而无需打开颅骨即可通过广域荧光成像观察皮层表面的血管阴影、星形胶质细胞中的丙酮酸感受器信号以及表达在神经元中的ATP荧光传感器。这种微创方法避免了对脑血管和胶质细胞的干扰，使我们得以窥见未经扰动的新陈代谢真实图景。

能量供应为何先行一步？

数据揭示了一个极具预见性的能量筹备机制。在非REM（NREM）睡眠期，皮层血容量的微小波动与θ频段的神经活动保持着紧密的因果关系：神经活动的起伏能够在约4~5秒后预测血容量的变化，显示出慢波睡眠中血流对代谢需求的精准匹配。然而，当大脑开始向REM睡眠过渡时，血容量在皮层电图定义的REM正式开始前约50秒就已开始上升，并且这种上升起始于后部皮层，随后向前方传播，整个过程约需15秒。这提示大脑可能存在着一个主动的“准备窗”，在即将进入高耗能的梦境状态之前，预先调动循环系统资源。进入REM睡眠后，星形胶质细胞中的丙酮酸水平也随之增加，表明作为神经元重要能量底物的糖酵解中间产物变得更为丰富。

神经元ATP下降之谜：消耗还是传输受限？

真正令人惊讶的发现出现在直接检测神经元的ATP浓度时。在血量和丙酮酸双双上升的REM睡眠中，神经元的ATP水平反而出现下降。这意味着什么？ATP水平是生产与消耗两个过程的净结果。下降可归结为两种可能：一是消耗激增，二是生产受阻或中间传输出现障碍。研究人员倾向于第一种解释。REM睡眠中，海马与皮层之间的长程通信显著增强，记忆痕迹的再现与重组、突触可塑性的维持等过程均需要大量ATP驱动离子泵和囊泡循环。星形胶质细胞虽然吸收了更多葡萄糖并转化为丙酮酸，但将其通过乳酸穿梭传递给神经元的路径可能发生动态改变，或者神经元自身的线粒体暂时调整了氧化磷酸化的通量，使得ATP产出的瞬间滞后于使用高峰。

“理解大脑如何平衡能量供给与消耗，或许有助于解释为何生物智能如此高效，”该研究的第一作者高桥优介（Yusuke Takahashi）指出，“REM睡眠为我们提供了一个天然的范例，展示大脑如何重组其能量经济，以支撑复杂的内部加工。”这一现象也说明，单纯测量血流量或脱氧血红蛋白水平的神经影像学方法并不能准确反映神经元的实际能量状态，因为能量流经血管、胶质细胞到神经元的每一步都受到独立且精密的调控。人类成年大脑的功耗仅约20瓦，相当于一只昏暗的灯泡，却能同时维持知觉、记忆、运动和内脏调控，正是得益于这种依照需求灵活调配资源的代谢架构。

这项研究首次在完整的活体内描绘了REM睡眠中能量流的多层次解耦，揭示了一种微妙的代谢张力——大脑在梦境中或许正以高速运转，以至于能量消耗暂时超越了补给的节奏。这或许正是我们在经历一夜纷繁梦境后，有时依然感到身心未完全复苏的深层原因。该发现不仅为睡眠的记忆功能和大脑高效能的谜团提供了新线索，也为未来研究睡眠障碍、神经退行性疾病中的能量代谢异常开辟了新方向。