梦境活跃时，大脑的能量消耗可能超出其补充速度。

日本东北大学一项最新小鼠研究揭示了快速眼动（REM）睡眠期间一个令人惊讶的能量失衡现象：当大脑进入这个梦境丰富的阶段时，大脑皮层的血流量增加，星形胶质细胞积累了更多的代谢燃料，然而，神经元作为即时能量来源的分子——三磷酸腺苷（ATP）却意外下降。

这一发现挑战了“向大脑输送更多燃料应立即增加其可用能量”的简单假设。相反，研究表明，REM睡眠可能对神经回路提出了如此强烈或特殊的需求，以至于即使大脑正在准备额外的资源，能量消耗仍会暂时性地超过生产。

这项研究成果已发表在《通讯生物学》（Communications Biology）期刊上。

“你是否曾在做了一个生动的梦之后感到筋疲力尽？”东北大学的松井晃（Ko Matsui）教授问道，“睡眠看似平静，但大脑却高度活跃，尤其是在做梦时。我们对这种悖论感到好奇，并希望探究为什么做梦会让人感到疲惫的科学依据。”

快速眼动睡眠有时被称为“异相睡眠”（paradoxical sleep）。在此阶段，大脑活动可能类似于清醒状态，眼睑下眼球快速转动，生动的梦境很常见，但大多数骨骼肌却深度放松。REM睡眠还与记忆处理、情绪调节以及大脑不同区域之间的交流有关，尽管其确切功能仍在争论中。

为了观察自然睡眠期间的代谢变化，研究人员在小鼠的颅骨上涂覆了一层透明的紫外线固化树脂。这使得他们无需移除部分颅骨即可观察大部分大脑皮层，因为移除颅骨的手术可能会干扰血管和支持性脑细胞。

研究团队利用广视野荧光成像技术，追踪了大脑能量系统的三个关键部分：血容量作为传入燃料的指标；星形胶质细胞中的丙酮酸反映了葡萄糖的加工情况；而神经元内的ATP则揭示了有多少即时可用能量。

星形胶质细胞位于血管和神经元之间，使其成为重要的代谢中间体。它们从血液中吸收葡萄糖并将其转化为可用于产生ATP的物质。它们的位置也使其能够帮助匹配血流量和能量输送，以满足神经活动不断变化的需求。

在非快速眼动（non-REM）睡眠期间，研究人员检测到大脑活动与循环之间存在密切关系。θ波活动（theta frequency activity）的微小波动预示着大约四到五秒后皮层血流量的变化。这一结果表明，即使在深度睡眠期间，血管仍在调整其行为以匹配不断变化的神经和代谢需求。

然而，向REM睡眠的过渡方式则截然不同。血容量在大约50秒前就开始上升，比REM睡眠正式开始的时间更早。这种增加首先出现在大脑皮层的后部，然后向前移动，这表明大脑可能在传统测量识别出过渡之前，就已经开始为REM睡眠的能量需求做准备。

一旦REM睡眠开始，星形胶质细胞内的丙酮酸含量增加。这种模式表明有更多的代谢物质可用，或者星形胶质细胞正在分解更多的葡萄糖。然而，神经元内的ATP却朝着相反的方向变化，呈现下降趋势。

研究人员目前尚不清楚其具体原因。一种可能性是，当神经回路重组、记忆被处理以及海马体和皮层等区域之间的交流增加时，神经元会快速消耗ATP。另一种可能性是，在REM睡眠期间，从星形胶质细胞到神经元的代谢燃料转移方式发生了变化。神经元的线粒体（产生大部分细胞ATP的细胞器）也可能暂时改变其运作方式。

ATP水平下降不一定意味着神经元缺乏能量。ATP水平反映了生产和消耗之间的平衡。因此，浓度下降可能表明，在这种异常活跃的睡眠状态下，神经元消耗ATP的速度快于其补充速度。

这些结果还表明，仅仅通过血流量无法揭示神经元拥有多少可用能量。尽管有更多的血液到达大脑，星形胶质细胞积累了更多的丙酮酸，但这些变化都没有转化为更高的神经元ATP水平。能量的输送、加工、转移、生产和消耗似乎是独立调节的，而非同步进行。

这种灵活的系统可能有助于解释大脑如何在消耗相对较少能量的同时执行大量的计算。据估计，成人大脑的运行功率约为20瓦，与一个昏暗的灯泡相当，尽管它持续控制着感知、记忆、运动、情感和内部身体功能。

大脑可能不会均匀分配能量，而是根据其当前需求重新分配资源。在REM睡眠期间，它可能会优先处理涉及内部处理的特定网络，同时暂时改变燃料在血管、星形胶质细胞和神经元之间的流动方式。

“理解大脑如何平衡能量供应和消耗，可能有助于解释生物智能为何如此高效，”首席研究员高桥佑介（Yusuke Takahashi）解释道，“REM睡眠为我们提供了一个自然的例子，说明大脑如何重组其能量经济以支持复杂的内部处理。”

通过揭示REM睡眠期间隐藏的代谢转变，这些发现为研究睡眠如何支持记忆以及大脑如何保持卓越效率提供了新的途径。