在快速眼动睡眠期间，大脑会出现一种不同寻常的现象组合：血流量增加，一种重要的代谢成分水平也随之上升——与此同时，作为大脑主要能量来源的ATP水平在神经细胞中却呈下降趋势。 东北大学的研究人员对睡眠中小鼠的这一关系进行了实时研究。结果表明，甚至在快速眼动睡眠开始之前，大脑就已经开始为这一独特的睡眠阶段做准备了。

大脑必须在有限的能量预算下运作

睡眠绝不意味着大脑停止工作。恰恰相反：在某些睡眠阶段，神经系统的活动会发生根本性的变化。快速眼动睡眠（REM）尤为引人注目；其特征是眼球快速转动，且常伴随着特别生动的梦境。

因此，这一睡眠阶段也被称为“悖论睡眠”。身体大多处于肌肉僵直的状态，而大脑活动在许多方面却更类似于清醒状态。这给研究人员提出了一个有趣的问题：当活动在短短几分钟内发生如此剧烈的变化时，大脑是如何为神经元提供能量的？ 《Communications Biology》上的一项新研究对此提供了一些令人惊讶的见解。研究人员在小鼠身上观察到，在大脑进入快速眼动睡眠之前，其能量供应就已经发生了变化。与此同时，神经元的实际能量消耗似乎遵循着不同的模式。

无论是人类还是动物的大脑，都属于人体中耗能最高的器官之一。数十亿个神经元必须不断产生电信号、传递信息，并维持彼此之间的连接。这些过程都需要能量。 ATP（腺苷三磷酸）是一种重要的能量载体。神经元需要ATP来完成多项功能，例如在产生电信号后恢复离子平衡，以及维持细胞间的通信。

与此同时，大脑可调用的能量是有限的。 因此，能量供应必须与当前的活动紧密匹配。正是这种适应性特别引起了研究人员的兴趣：大脑是否会根据其当前状态调整能量供应？不同睡眠阶段之间的过渡为研究这一问题提供了一个特别合适的模型。在睡眠期间，大脑活动、血流和代谢会发生特征性的变化。

窥探睡眠中的大脑

为了直接追踪这些变化，研究人员开发了一种能够观察睡眠中小鼠大脑的方法。为此，他们用一种透明的、可紫外线固化的材料涂覆了小鼠的颅骨。这使得科学家能够通过成像技术，追踪自然睡眠期间大脑中的活动和血流情况。

通过宽场荧光成像技术，他们重点考察了大脑血容量的变化。这有助于了解神经组织在不同活动状态下的供血情况如何变化。此外，研究人员还检测了两种代谢标志物：一种是神经细胞中的ATP，另一种是星形胶质细胞中的丙酮酸。

星形胶质细胞是神经系统中的非神经元细胞，其功能包括为神经细胞提供营养和提供支持等。而丙酮酸则是重要代谢途径的核心物质，其生成过程包括葡萄糖的分解。因此，其浓度可以反映大脑能量代谢的变化情况。 通过结合这些测量数据，研究人员不仅能够观察大脑活动，还能同时追踪其能量代谢的各个方面。

甚至在进入快速眼动睡眠（REM）之前，血流就已经发生变化

尤其值得关注的是从非快速眼动睡眠向快速眼动睡眠的过渡。在非快速眼动睡眠期间，会出现典型的慢波脑电活动。研究人员特别关注了θ频段的波动。这些变化与随后脑血容量的变化相关。然而，更引人注目的是快速眼动睡眠开始前立即发生的情况。

在经典定义的快速眼动睡眠阶段开始前约50秒，大脑血容量便开始上升。这一变化最初始于大脑皮层后部，随后逐渐向前蔓延。这表明，向快速眼动睡眠的过渡并非仅仅始于一个突然的切换。相反，大脑似乎会提前为这一状态做好准备。 血流的增加可能有助于将活跃神经组织的供血量调整至满足即将到来的需求。

丙酮酸增多，但ATP减少

随着快速眼动睡眠的开始，一种特别不寻常的模式随之显现。星形胶质细胞中的丙酮酸浓度上升。这可能表明，在此阶段可利用的代谢底物更多，或者这些细胞的糖酵解活性增强。然而与此同时，研究人员观察到神经细胞中的ATP水平有所下降。

乍看之下，这似乎自相矛盾。如果流经大脑的血液增多，同时一种重要的代谢基质也在增加，人们可能会预期会有更多立即可用的能量。然而，在研究的小鼠身上，情况恰恰并非如此。

相反，研究结果表明，在快速眼动睡眠期间，能量供应与能量消耗并非简单地呈平行关系。大脑可以在增加能量供应的同时，神经元内的ATP水平却呈现下降趋势。

神经细胞在做梦时是否消耗特别多的能量？

一种可能的解释是，神经细胞在快速眼动睡眠期间消耗了特别大量的ATP。快速眼动睡眠伴随着神经元活动中的复杂变化，同时据信在记忆和信息处理中起着重要作用。因此，在此阶段，神经网络中可能正在发生特别耗能的进程。

例如，突触变化所需的能量可能有所增加。突触是神经元之间的连接点，在学习和信息存储中起着核心作用。 不同脑区之间的通信在快速眼动睡眠期间也可能发挥作用。特别是，海马体与大脑皮层之间的相互作用正被作为记忆处理和巩固的研究重点。

然而，这些新发现并不能证明观察到的ATP水平下降是由这些具体过程引起的。研究人员列举了若干可能的机制，这些机制需要在未来的研究中进行更深入的考察。除了消耗增加外，脑内物质运输方式的改变也是一种可能。星形胶质细胞与神经细胞在能量代谢方面密切协作。星形胶质细胞可提供代谢副产物，供神经元重复利用。如果这种协作在快速眼动睡眠期间发生变化，或许就能解释为何星形胶质细胞中丙酮酸含量的增加并未立即导致神经元中ATP水平升高。

线粒体也可能参与其中。这些细胞器负责产生细胞内大部分的ATP。其活性的变化同样可能影响神经元实际可利用的ATP数量。根据目前的实验结果，尚无法确定上述哪种解释是正确的。

大脑似乎在进入快速眼动睡眠前就已经开始做准备

从生物节律学的角度来看，这些观测结果出现的时间点尤为耐人寻味。血容量增加始于进入快速眼动睡眠前约50秒。这表明，这些变化并非仅仅是对已经开始的快速眼动睡眠状态的反应。

相反，大脑可能正在积极为即将到来的状态变化做准备。因此，睡眠阶段之间的过渡不仅可能是神经活动变化的结果，也可能是大脑能量供应主动发生变化的协调过程。

这与生物节律的一个基本原理相一致：生物体并非仅对已经发生的变化作出反应。许多生理过程在时间上是协调一致的，能够为即将到来的状态做好准备。

这些发现为何对睡眠研究具有重要意义

睡眠远不止是一个休息时期。在夜间，不同的睡眠状态交替出现，每种状态都具有特征性的神经活动、代谢和血流模式。其中，快速眼动（REM）睡眠占据着特殊的位置。尽管肌肉大多处于静止状态，但大脑却表现出复杂的活动模式。 新的观察结果为这一图景增添了新的维度：在过渡到这一睡眠阶段的过程中，大脑的能量代谢也会发生变化。显然，“能量供应增加”并不自动意味着单个神经元可用的ATP更多。 供应、代谢和实际能量消耗可能并不同步。正是这些差异，有助于我们更好地理解大脑如何在不断变化的条件下维持其功能。

这些结果来自小鼠实验。因此，它们最初仅展示了在小鼠大脑中观察到的代谢和循环过程在不同睡眠状态下的变化。所观察到的过程在人类身上是否以相同方式发生，仍有待研究。 此外，仅凭测量数据尚无法立即明确，所观察到的ATP水平下降在做梦或记忆处理过程中具体起什么作用。这些变化在不同的睡眠条件下、不同年龄段或其它生理状态下是否一致，目前也不清楚。

因此，进一步的研究有望阐明不同细胞类型在快速眼动睡眠期间如何相互协作，以及神经元活动、血流和代谢之间的时间协调机制如何运作。 这项研究因此提供了进一步证据，表明大脑在睡眠期间以极其动态的方式调节其能量平衡。特别是，进入快速眼动睡眠的过程似乎伴随着血流的预备性变化以及随后的代谢重组。

这一看似矛盾的现象——能量供应迹象增多，而神经细胞中的ATP却同时减少——可能表明，大脑在快速眼动睡眠期间特别依赖于其资源的灵活分配。 这也清楚地说明了为什么睡眠绝非大脑功能的一种被动暂停。当我们入睡时，大脑会改变其运行状态，重组其活动，并调整其能量供应。快速眼动睡眠尤其生动地展示了这种夜间调节机制实际上是多么复杂。