夢見る脳のエネルギーパラドックスを発見 -脳内代謝エネルギー供給増/神経細胞ATP減少の逆説-

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2026-07-28 東北大学

東北大学の研究グループは、生きたマウスの自然睡眠中の脳を頭蓋骨越しに広域蛍光イメージングで観察し、レム睡眠時に脳内エネルギー供給と消費が逆方向に変化する「脳エネルギーのパラドックス」を発見した。解析では、脳血液量、アストロサイト内のピルビン酸、神経細胞内のATPを同時に測定した結果、レム睡眠への移行前から脳血液量が後方皮質から前方へ向けて増加し、レム睡眠中には血流とアストロサイト内ピルビン酸が増える一方で、神経細胞内ATPは低下することが判明した。また、ノンレム睡眠ではシータ帯活動が数秒後の脳血液量変化を予測し、神経活動と血管応答が密接に連動することも示された。これらの結果は、レム睡眠中には神経細胞のATP消費増大や代謝基質供給の変化などにより、脳内のエネルギー配分が動的に再編成される可能性を示している。本成果は、夢や記憶の固定化、脳の省エネルギー情報処理機構の理解に加え、睡眠障害や神経疾患の研究にも新たな知見を提供すると期待される。

夢見る脳のエネルギーパラドックスを発見 -脳内代謝エネルギー供給増/神経細胞ATP減少の逆説-
図1. 研究概要のイメージ

<関連情報>

レム睡眠におけるエネルギーのパラドックス:脳代謝における供給と消費のバランス Energy paradox in REM sleep: balancing supply and consumption in brain metabolism

Yusuke Takahashi,Yoko Ikoma & Ko Matsui
Communications Biology  Published:27 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s42003-026-10646-6

Abstract

The brain’s capacity for information processing depends on precisely regulated energy dynamics. Yet how metabolic supply adapts to shifting computational demands across brain states remains unclear. Using wide-field fluorescence imaging through the intact skull of live mice, we simultaneously monitored brain blood volume (BBV), astrocytic pyruvate, and neuronal ATP levels during natural sleep. We found that large-scale metabolic dynamics are coupled to neuronal activity but reorganize in a state-dependent manner. During non-rapid eye movement (NREM) sleep, theta-band electrocorticogram (ECoG) activity predicted subsequent blood volume changes, accompanied by rapid anterior-to-posterior vascular waves. In contrast, REM sleep was marked by a pronounced increase in BBV, originating in the posterior cortex and slowly propagating across the brain. This was accompanied by elevated astrocytic pyruvate; paradoxically, however, neuronal ATP levels declined sharply. These findings reveal a dynamic interplay among neurons, astrocytes, and the vasculature, suggesting that distinct energy-allocation strategies underlie the brain’s computational flexibility.

医療・健康
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