與大多數其他器官相比，大腦消耗的能量非同尋常。即便如此，它仍能透過調整可用資源的使用方式，在能量有限的情況下繼續處理資訊。科學家們仍在試圖理解大腦在經歷不同內部狀態時，如何管理其能量預算。
睡眠提供了一個研究這個問題的有用途徑。雖然身體在休息，但大腦仍然活躍，尤其是在快速動眼期（REM）睡眠期間，這與做夢和記憶處理密切相關。REM睡眠常被描述為「矛盾睡眠」，因為身體大部分時間處於靜止狀態，但大腦活動卻類似於清醒狀態。
東北大學的研究人員現在發現了另一個REM睡眠的悖論。在這個階段，進入夢境大腦的顯著能量供應增加，但神經元直接使用的能量分子水平實際上卻下降了。
研究結果發表於《傳播生物學》（Communications Biology）。
東北大學的松井浩教授說：「你是否曾在生動的夢境後感到筋疲力盡？睡眠看起來很平靜，但大腦非常活躍——尤其是在做夢時。我們對這個悖論感到好奇，並想探究做夢為何會讓人疲憊的科學基礎。」
即時觀察睡眠中的大腦
為了研究睡眠期間大腦能量的變化，研究人員使用了一種紫外線固化樹脂，使小鼠的頭骨保持透明，從而能夠在小鼠自然睡眠時觀察牠們的大腦。
他們利用寬場螢光成像技術，追蹤腦血容量的變化，作為「燃料」供應的指標。他們還測量了神經元ATP（為神經元供能的能量分子）以及星形膠質細胞丙酮酸（連接血液葡萄糖與大腦能量代謝的關鍵化合物）。
非快速動眼期（NREM）睡眠以強烈 δ 波段頻率的神經元活動而聞名，但也會發生較小的 θ 波段波動。研究人員發現，這些 θ 波段的變化可以在幾秒鐘後預測腦血容量的變化。這種模式表明，睡眠中的大腦會根據不斷變化的神經元活動和代謝需求來調整其血管。
大腦提前為REM睡眠做準備
當大腦從NREM睡眠進入REM睡眠時，出現了不同的模式。
在經典定義的REM睡眠開始前約50秒，腦血容量開始增加。這種變化始於後皮質，然後向前移動，表明一個可能從代謝上為REM睡眠做準備的大規模過程。
一旦REM睡眠開始，星形膠質細胞丙酮酸也隨之升高。這種增加與代謝燃料的可用性增加或星形膠質細胞糖解活動增強是一致的。
但同時，神經元ATP卻下降了。
為什麼夢境期間神經元能量會下降？
ATP下降有幾種可能的解釋。
神經元可能在REM睡眠期間消耗大量ATP，以支持與記憶相關的突觸重組、海馬迴與皮質之間的通訊，或跨腦迴路的廣泛轉換。
另一種可能性是，REM睡眠期間星形膠質細胞向神經元轉移代謝資源的方式發生了變化。ATP的粒線體產生也可能在此階段發生轉變。
無論機制為何，研究結果表明，夢境中的大腦可能在燃料供應增加的同時，面臨異常高的能量需求。
關於大腦能量經濟學的更廣泛啟示
這些結果也可能揭示生物計算方面更根本的知識。
與傳統電腦不同，動物大腦必須在嚴格的代謝限制下運作。神經系統可能不會將能量平均分配給大腦，而是根據行為狀態、記憶需求和其他內部需求重新分配資源。
首席研究員高橋佑介（Yusuke Takahashi）解釋說：「了解大腦如何平衡能量供應和消耗，可能有助於解釋生物智慧為何如此高效。REM睡眠為我們提供了一個自然範例，說明大腦如何重組其能量經濟學來支持複雜的內部處理。」
睡眠在記憶鞏固和維持次日精神表現等功能中起著關鍵作用。透過揭示REM睡眠期間能量供應和使用的變化，這項研究為睡眠不僅對身體，也對大腦如此重要的謎團增添了另一塊拼圖。
