日本东北大学研究生院生命科学研究科的高桥佑辅（研究生）、生驹叶子助教及松井广教授的研究团队，通过观察活体小鼠自然睡眠状态下的大脑皮层，揭示了快速眼动睡眠期间脑血容量和星形胶质细胞内的丙酮酸增加，神经元内ATP水平下降的现象。以往普遍认为血流增加则神经元能量也会增加，但本次研究发现快速眼动睡眠期间发生了与此相反的现象。该成果有望助力解开睡眠期间记忆形成的内在机制。相关研究成果已发表在期刊《Communications Biology》的7月27日刊上。
图1 快速眼动睡眠期间（REM）的能量悖论（供图：东北大学）
在小鼠快速眼动睡眠期间，脑血容量和星形胶质细胞内的丙酮酸水平同时升高；与之相对，神经元内的ATP水平则下降。这些发现表明，在快速眼动睡眠期间，脑血管、星形胶质细胞和神经元在血流及能量代谢方面呈现出各自不同的变化。
人们通常认为睡眠是一种休息状态，但大脑会根据不同睡眠阶段进行信息处理，尤其是快速眼动睡眠期间，被认为与做梦和记忆整理有关。
在此之前，该研究团队已有报告指出，快速眼动睡眠期间星形胶质细胞（一种胶质细胞）和血容量会发生大规模变化。
因此，本次研究对快速眼动睡眠期间脑内代谢能量是如何供给和消耗进行了调查。
研究人员对小鼠颅骨进行了透明化处理，通过颅骨用实体显微镜（广域荧光成像法）观测大脑皮层。同步记录脑皮层电位与肌电图，实现了在自然状态下从非快速眼动睡眠到快速眼动睡眠的过程解析。
非快速眼动睡眠期间没有大的波动，但进入快速眼动睡眠后血容量增加，而神经元活动则呈相反趋势并受到抑制，与血容量呈镜像关系，变化趋势刚好相反。
接下来，研究人员调查了神经元的电活动与血容量波动之间的关系。
快速眼动睡眠期间θ波（Theta波）增强。另一方面，非快速眼动睡眠期间虽然θ波成分较少但也仍存在，并确认存在强弱波动，研究针对该波动进行了分析。
结果发现，θ波与4-5秒后的血容量波动有良好的对应关系。由此推测，大脑具备根据神经元活跃程度调节所需能量供给量的稳态维持机制。
接下来，研究人员调查了脑内血容量波动在何时、哪个脑区发生，结果发现非快速眼动睡眠期间血容量出现细微波动，而过渡到快速眼动睡眠后血容量大幅增加。从脑皮层电位和肌电图判定快速眼动睡眠开始前约50秒起，脑血容量即开始增加，这一变化从后方的大脑皮层开始，约经15秒向前方扩展。由此表明从非快速眼动睡眠向快速眼动睡眠的过渡是分阶段发生的。
研究人员进一步调查了由血液供给的能量来源在星形胶质细胞和神经元之间是如何被利用的。由血液供给的葡萄糖首先在星形胶质细胞内代谢生成丙酮酸，再转化为乳酸，随后进入线粒体产生ATP。
通常，给予血管扩张药物时血容量增加，星形胶质细胞内的丙酮酸和ATP也会增加。然而在快速眼动睡眠期间，虽然血容量增加，但神经元的ATP却下降。这一现象说明快速眼动睡眠状态下脑部能量供给与消耗的平衡关系发生了改变。
由于快速眼动睡眠承担记忆的形成等高级信息处理工作，因此推测能量消耗有可能超过了ATP产生的速度。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Communications Biology 9, 979.
论文：Energy paradox in REM sleep: balancing supply and consumption in brain metabolism
著者：Takahashi Y, Ikoma Y, Matsui K (2026)
DOI：doi.org/10.1038/s42003-026-10646-6
