与大多数其他器官相比，大脑消耗的能量非常惊人。即便如此，当能量有限时，它仍然可以通过调整可用资源的使用来继续处理信息。科学家们仍在努力理解大脑如何在不同的内部状态下管理这一能量预算。睡眠提供了一种研究该问题的有用途径。尽管身体在休息，大脑仍然在活动，尤其是在与做梦和记忆处理密切相关的快速眼动（REM）睡眠阶段。REM睡眠常被描述为“悖论睡眠”，因为身体基本上是静止的，而大脑活动则类似于清醒状态。东北大学的研究人员现在识别出了另一个REM睡眠悖论。在这个阶段，梦境中大脑的明显能量供应增加，但神经元直接使用的能量分子水平却下降了。研究结果发表在《通讯生物学》上。东北大学的松井教授说：“有没有觉得在生动的梦后感到疲惫？” “睡眠看起来可能很宁静，但大脑的活动非常活跃——特别是在做梦时。我们对这个悖论感兴趣，想要探究梦境为何会如此消耗能量的科学基础。” 观察睡眠大脑的实时变化 为了研究睡眠期间大脑能量发生了什么变化，研究人员使用UV可固化树脂保持小鼠的头骨透明，从而观察它们在自然睡眠状态下的大脑。使用宽场荧光成像技术，他们跟踪了脑血容量的变化，以此作为进入“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）和星形胶质细胞丙酮酸（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）。非REM睡眠以delta波频率的强神经活动而闻名，但也会出现较小的theta波波动。研究人员发现，这些theta波变化可以预测几秒钟后大脑血容量的变化。这一模式表明，正在睡眠的大脑会根据神经活动和代谢需求的变化调整其血管。 大脑提前为REM睡眠做准备 当大脑从非REM睡眠转入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，大脑血容量开始增加。这一变化始于后部皮层，随后向前移动，指向一个可能在代谢上为REM睡眠准备的大规模过程。一旦REM睡眠开始，星形胶质细胞丙酮酸也随之上升。这一下降幅度显示出代谢燃料的可用性增加或星形胶质细胞中的糖解活性增强。但与此同时，神经元ATP却下降了。 为什么神经元的能量在梦中会下降？ 对此ATP减少，有几种可能的解释。神经元在REM睡眠期间可能消耗大量的ATP，以支持与记忆相关的突触重组、海马体与皮层之间的交流，或跨大脑电路的广泛转换。另一种可能性是，在REM睡眠期间，代谢资源从星形胶质细胞转移到神经元的方式发生了变化。在这个阶段，线粒体的ATP生产也可能发生转变。无论机制是什么，研究结果表明，正在做梦的大脑可能在燃料供应增加时仍在承受异常高的能量需求。 关于大脑能量经济的更广泛教训 这些结果可能还揭示了生物计算的更基本内容。与传统计算机不同，动物大脑必须在严格的代谢限制内工作。神经系统可能不会均匀地向整个大脑提供能量，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。“理解大脑如何平衡能量供应与消耗，可能有助于解释生物智能为何如此高效，” 首席研究员高桥祐介解释道。“REM睡眠为我们提供了一个自然的例子，展示了大脑如何重新组织其能量经济，以支持复杂的内部处理。” 睡眠在记忆巩固和维持第二天的精神表现等功能中发挥关键作用。通过揭示REM睡眠期间能量供应和能量使用的变化，研究为了解睡眠为什么对身体和大脑如此重要，提供了另外一块拼图。