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大脑是人体最耗能的器官之一，但它在能量有限时仍能通过调整资源分配来维持信息处理。睡眠为研究这一过程提供了理想模型：身体休息时，大脑依然活跃，尤其在快速眼动（REM）睡眠阶段，脑活动甚至接近清醒状态，因此REM睡眠也被称为“异相睡眠”。然而，日本东北大学的一项新研究揭示了一个看似矛盾的现象：在REM睡眠期间，大脑的能量供应增加，但神经元直接使用的能量分子ATP水平却下降了。这项发现发表于《Communications Biology》，可能解释了为何经历生动梦境后常感到疲惫。

实时观测睡眠中的大脑能量动态

为了探究睡眠中的能量变化，研究人员使用紫外光固化树脂使小鼠颅骨透明，从而在自然睡眠状态下直接观测大脑。他们采用宽场荧光成像技术，追踪脑血容量变化作为能量供应的指标，同时测量神经元ATP和星形胶质细胞丙酮酸——后者是连接血液葡萄糖与脑能量代谢的关键化合物。在非REM睡眠中，δ频段神经元活动强烈，但θ频段波动较小。研究发现，θ频段变化可以预测几秒后的脑血容量变化，表明睡眠中的大脑会根据神经元活动和代谢需求调整血管反应。

大脑提前为REM睡眠做代谢准备

当大脑从非REM睡眠向REM睡眠过渡时，出现了不同的模式。在经典定义的REM睡眠开始前约50秒，脑血容量就开始增加，且变化从后皮层向前推进，提示大脑可能提前进行大规模代谢准备。一旦REM睡眠开始，星形胶质细胞丙酮酸也上升，这与代谢燃料可用性增加或星形胶质细胞糖酵解活动增强一致。然而，与此同时，神经元ATP却下降了。

能量需求与供应的失衡

对于ATP下降，研究人员提出了几种可能解释。首先，神经元在REM睡眠期间可能大量消耗ATP以支持记忆相关的突触重组、海马与皮层间的通讯或脑区间的广泛转换。其次，星形胶质细胞向神经元转移代谢资源的过程可能在REM睡眠期间发生变化。此外，线粒体产生ATP的过程也可能在此阶段发生转变。无论机制如何，结果表明，做梦的大脑可能在燃料供应增加的同时，仍处于异常高的能量需求状态。

“理解大脑如何平衡能量供应与消耗，可能有助于解释生物智能为何如此高效，”主要研究者Yusuke Takahashi解释道。“REM睡眠为我们提供了一个自然范例，展示大脑如何重组其能量经济以支持复杂的内部处理。”该研究不仅揭示了REM睡眠中能量供应与使用的动态变化，还为睡眠对记忆巩固和维持次日精神表现的重要性增添了新证据。与计算机不同，动物大脑必须在严格的代谢限制下运行，神经系统可能根据行为状态、记忆需求和其他内部需要重新分配资源，而非均匀供能。这项发现进一步强调了睡眠对大脑健康的关键作用。