日本東北大學研究生院生命科學研究科的高橋佑輔（研究生）、生駒葉子助教及松井廣教授的研究團隊，通過觀察活體小鼠自然睡眠狀態下的大腦皮層，揭示了快速眼動睡眠期間腦血容量和星狀神經膠細胞內的丙酮酸增加，神經元內ATP水平下降的現象。以往普遍認為血流增加則神經元能量也會增加，但本次研究發現快速眼動睡眠期間發生了與此相反的現象。該成果有望助力解開睡眠期間記憶形成的內在機制。相關研究成果已發表在期刊《Communications Biology》的7月27日刊上。
圖1 快速眼動睡眠期間（REM）的能量悖論（圖片提供：東北大學）
在小鼠快速眼動睡眠期間，腦血容量和星狀神經膠細胞內的丙酮酸水平同時升高；與之相對，神經元內的ATP水平則下降。這些發現表明，在快速眼動睡眠期間，腦血管、星狀神經膠細胞和神經元在血流及能量代謝方面呈現出各自不同的變化。
人們通常認為睡眠是一種休息狀態，但大腦會根據不同睡眠階段進行資訊處理，尤其是快速眼動睡眠期間，被認為與做夢和記憶整理有關。
在此之前，該研究團隊已有報告指出，快速眼動睡眠期間星狀神經膠細胞（一種膠質細胞）和血容量會發生大規模變化。
因此，本次研究對快速眼動睡眠期間腦內代謝能量是如何供給和消耗進行了調查。
研究人員對小鼠顱骨進行了透明化處理，通過顱骨用實體顯微鏡（廣域螢光成像法）觀測大腦皮層。同步記錄腦皮層電位與肌電圖，實現了在自然狀態下從非快速眼動睡眠到快速眼動睡眠的過程解析。
非快速眼動睡眠期間沒有大的波動，但進入快速眼動睡眠後血容量增加，而神經元活動則呈相反趨勢並受到抑制，與血容量呈鏡像關係，變化趨勢剛好相反。
接下來，研究人員調查了神經元的電活動與血容量波動之間的關係。
快速眼動睡眠期間θ波（Theta波）增強。另一方面，非快速眼動睡眠期間雖然θ波成分較少但也仍存在，並確認存在強弱波動，研究針對該波動進行了分析。
結果發現，θ波與4-5秒後的血容量波動有良好的對應關係。由此推測，大腦具備根據神經元活躍程度調節所需能量供給量的穩態維持機制。
接下來，研究人員調查了腦內血容量波動在何時、哪個腦區發生，結果發現非快速眼動睡眠期間血容量出現細微波動，而過渡到快速眼動睡眠後血容量大幅增加。從腦皮層電位和肌電圖判定快速眼動睡眠開始前約50秒起，腦血容量即開始增加，這一變化從後方的大腦皮層開始，約經15秒向前方擴展。由此表明從非快速眼動睡眠向快速眼動睡眠的過渡是分階段發生的。
研究人員進一步調查了由血液供給的能量來源在星狀神經膠細胞和神經元之間是如何被利用的。由血液供給的葡萄糖首先在星狀神經膠細胞內代謝生成丙酮酸，再轉化為乳酸，隨後進入粒線體產生ATP。
通常，給予血管擴張藥物時血容量增加，星狀神經膠細胞內的丙酮酸和ATP也會增加。然而在快速眼動睡眠期間，雖然血容量增加，但神經元的ATP卻下降。這一現象說明快速眼動睡眠狀態下腦部能量供給與消耗的平衡關係發生了改變。
由於快速眼動睡眠承擔記憶的形成等高級資訊處理工作，因此推測能量消耗有可能超過了ATP產生的速度。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Communications Biology 9, 979.
論文：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
