睡眠为研究这一问题提供了一种有用的途径。尽管身体在休息，但大脑仍然保持活跃，尤其是在快速眼动（REM）睡眠期间，这与做梦和记忆处理密切相关。REM睡眠通常被描述为“异相睡眠”，因为身体基本保持静止，而大脑活动却类似于清醒状态。
东北大学的研究人员现在已经发现了REM睡眠的另一个悖论。在这个阶段，做梦大脑的表观能量供应增加，但神经元直接使用的能量分子水平实际上却下降了。
这些发现发表在Communications Biology上。
东北大学的松井孝教授（Ko Matsui）问道：“你是否曾在做了一个生动的梦后感到精疲力尽？”“睡眠可能看起来很平静，但大脑却高度活跃——尤其是在做梦的时候。我们对这个悖论很感兴趣，并想探究为什么做梦会让人感到疲惫背后的科学基础。”
实时观察睡眠中的大脑
为了研究睡眠期间大脑能量的变化，研究人员使用了一种紫外线固化树脂来保持小鼠头骨的透明，从而能够在自然睡眠期间观察大脑。
利用宽场荧光成像，他们追踪了脑血容量的变化，以此作为输入“燃料”供应的标志。他们还测量了神经元ATP（为神经元提供能量的分子），以及星形胶质细胞丙酮酸，这是一种将血液中的葡萄糖与大脑能量代谢联系起来的关键化合物。
非REM睡眠以delta波段频率的强烈神经元活动而闻名，但也会出现较小的theta波段波动。研究人员发现，这些theta波段的变化可以预测几秒钟后脑血容量的变化。这一模式表明，睡眠中的大脑会根据神经元活动和代谢需求的变化来调整其血管。
大脑提前为REM睡眠做准备
当大脑从非REM睡眠进入REM睡眠时，出现了不同的模式。
在经典定义的REM睡眠开始前约50秒，脑血容量开始增加。这种变化始于后部皮层，然后向前移动，表明这是一个大规模的过程，可能在代谢上为大脑进入REM睡眠做准备。
一旦REM睡眠开始，星形胶质细胞丙酮酸也随之升高。这种增加与代谢燃料的更大可用性或星形胶质细胞中糖酵解活动的增加相一致。
但与此同时，神经元ATP下降了。
为什么做梦时神经元能量会下降？
对于ATP的这种减少有几种可能的解释。
在REM睡眠期间，神经元可能会消耗大量ATP，以支持与记忆相关的突触重组、海马体与皮层之间的通信，或跨大脑回路的广泛转换。
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发生了变化。在这个阶段，线粒体对ATP的产生也可能发生转变。
无论机制如何，这些发现表明，做梦的大脑即使在燃料供应增加的情况下，也可能在异常高的能量需求下运作。
关于大脑能量经济的更广泛启示
这些结果可能还揭示了关于生物计算更根本的东西。
与传统计算机不同，动物的大脑必须在严格的代谢限制内运作。神经系统可能不会在整个大脑中均匀地供应能量，而是根据行为状态、记忆需求和其他内部需求重新分配资源。
首席研究员高桥佑介（Yusuke Takahashi）解释说：“了解大脑如何平衡能量供应和消耗，可能有助于解释是什么让生物智能如此高效。”“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。”
睡眠在记忆巩固和维持第二天心理表现等功能中起着至关重要的作用。通过揭示REM睡眠期间能量供应和能量使用如何转变，这项研究为“为什么睡眠不仅对身体而且对大脑都如此重要”这一谜题又拼上了一块。