睡眠为研究大脑如何运作提供了一个独特而有价值的窗口。尽管身体处于休息状态，但大脑依然保持高度活跃，特别是在与做梦和记忆处理密切相关的快速眼动（REM）睡眠期间。由于身体大多处于静止状态，而脑电活动却与清醒时相似，REM睡眠通常被称为“悖论睡眠”。

近日，日本东北大学的研究人员识别出了关于REM睡眠的另一个全新悖论。研究发现，在此期间，做梦大脑的表面能量供应虽然有所增加，但神经元实际直接使用的能量分子水平却出现了下降。相关研究成果已发表在《Communications Biology》期刊上。

日本东北大学的Ko Matsui教授提出疑问：“你是否曾在经历生动的梦境后感到精疲力竭？睡眠看起来可能很平静，但大脑却高度活跃——尤其是做梦时。我们对这一悖论深感着迷，并希望深入探究做梦为何会消耗精力的科学基础。”

实时观察睡眠中的大脑

为了探究睡眠期间大脑能量的变化，研究人员使用紫外固化树脂使小鼠的头骨保持透明，从而能够在自然睡眠状态下直接观察大脑活动。

借助宽场荧光成像技术，他们追踪了脑血容量的变化，以此作为传入“燃料”供应的标志。同时，他们还测量了为神经元提供动力的能量分子——神经元ATP（三磷酸腺苷），以及将血液中的葡萄糖与大脑能量代谢连接起来的关键化合物——星形胶质细胞丙酮酸。

非REM睡眠以强烈的δ波频段神经活动著称，但其中也会发生较小的θ波频段波动。研究人员发现，这些θ波频段的变化可以预测几秒钟后脑血容量的转变。这一模式表明，睡眠中的大脑会响应神经活动和代谢需求的变化来调节其血管。

大脑为REM睡眠做出的超前准备

当大脑从非REM睡眠过渡到REM睡眠时，则会出现截然不同的模式。

在大脑进入传统定义的REM睡眠前大约50秒，脑血容量便开始增加。这种变化从后皮层开始并向前推移，表明这是一个大规模的生理过程，可能在代谢上为REM睡眠做好了准备。

一旦REM睡眠开始，星形胶质细胞的丙酮酸水平也随之上升。这一增长与代谢燃料可用性的提高或星形胶质细胞糖酵解活性的增强相一致。

然而与此同时，神经元中的ATP水平却出现了下降。

为什么做梦时神经元能量会下降？

对于ATP水平的这种下降，目前有几种可能的解释。

在REM睡眠期间，神经元可能会消耗大量的ATP来支持与记忆相关的突触重组、海马体与皮层之间的信息交流，或是跨脑回路的广泛转换。

另一种可能性是，在REM睡眠期间，代谢资源从星形胶质细胞向神经元的转移方式发生了改变。此外，线粒体在此阶段的ATP生成也可能发生转变。

无论具体机制如何，这些发现均表明，做梦的大脑即使在其燃料供应增加的情况下，也可能在异常高的能量需求下运转。

关于大脑能量经济学的更深层启示

这些研究结果还可能揭示了生物计算的一些更基本规律。

与传统计算机不同，动物大脑必须在严格的代谢限制内运作。神经系统并非均匀地向整个大脑供应能量，而是根据行为状态、记忆需求和其他内在需求重新分配资源。

首席研究员 Yusuke Takahashi 解释说：“理解大脑如何平衡能量供应与消耗，或许能解释为什么生物智能会如此高效。REM睡眠为我们提供了一个天然的范例，展示了大脑如何重组其能量经济以支持复杂的内部加工。”

睡眠在记忆巩固和维持次日精神表现等功能中发挥着关键作用。通过揭示REM睡眠期间能量供应和能量消耗的动态转换，该研究为解答“为什么睡眠对身体和大脑都如此重要”这一谜题增添了新的一块拼图。