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－

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－

2026年7月28日 10:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇生命科学研究科　教授　松井広

【発表のポイント】

マウス脳を広域蛍光イメージング^（注１）で観察し、脳血液量、アストロサイト^（注２）のピルビン酸^（注３）、神経细胞の础罢笔^（注４）の変动を解析しました。
ノンレム睡眠^（注５）中には、脳波のシータ帯活动から数秒后の脳血液量変动を予测でき、神経活动と血管反応が连动していることが示されました。
レム睡眠^（注６）に移行する前から脳血液量が増加し始め、その変化は后方の大脳皮质から前方へと広がることが分かりました。
レム睡眠中には、脳血液量とアストロサイト细胞内のピルビン酸が増える一方で、神経细胞内の础罢笔は低下しました。梦を见るレム睡眠时には、脳内エネルギーの供给と消费の関係が动的に组み替わることを示す発见です。

【概要】

私たちは、眠っている间にも梦を见たり、记忆を整理したりしています。特にレム睡眠は、身体は休んでいるにもかかわらず脳は活発に働く、いわば「逆説的」な睡眠状态です。しかし、レム睡眠中に脳にどのように代谢エネルギーが供给され、消费されているのかは十分に分かっていませんでした。

东北大学大学院生命科学研究科の高桥佑辅大学院生、生驹叶子助教、松井広教授（大学院医学系研究科兼任）らの研究グループは、生きたマウスの自然睡眠中の大脳皮质を、头盖骨を开けずに広域蛍光イメージングで観察しました。その结果、梦を见るレム睡眠中には、エネルギー供给の増加を反映すると考えられる脳血液量の増加と、アストロサイト细胞内のピルビン酸増加が见られた一方で、神経细胞が直接利用するエネルギー分子である础罢笔の细胞内浓度はむしろ低下することが示されました。これは、単纯に「血流が増えれば神経细胞のエネルギーも増える」とは言えないことを示す、レム睡眠における脳エネルギーのパラドックス^（注７）です。

生体脳は、コンピュータに比べてはるかに省エネ^（注８）で情报処理を行っています。梦を见るレム睡眠时特有の脳内エネルギーの供给と消费のバランスを调べることで、睡眠や记忆の仕组みの理解にもつながることが期待されます。

本成果は2026年7月27日付でCommunications Biologyに掲載されました。

図1. 研究概要のイメージ：脳が高度な情報処理を行い、記憶や感情などの心の機能を生み出すためには、代謝エネルギーが必要です。このエネルギーのもととなる酸素やグルコースは、血液によって身体から脳へと運ばれます。本研究では、マウスの自然睡眠中の脳を頭蓋骨越しに観察し、夢と深く関わるレム睡眠への移行時に、脳の局所血液量が大きく増加することを示しました。脳内では、多くの神経細胞は血管に直接接しておらず、グリア細胞の一種であるアストロサイトが、血管と神経細胞の双方に接しています。そこで本研究では、アストロサイト細胞内のピルビン酸と、神経細胞内のATPを、それぞれ蛍光センサーで計測しました。その結果、レム睡眠中には、局所血液量とアストロサイト内ピルビン酸が増加する一方で、神経細胞内ATPはむしろ低下するという、一見逆説的な現象が見出されました。この神経細胞ATPの低下には、レム睡眠特有の情報処理によってATP消費が増大した可能性、アストロサイトから神経細胞への代謝基質の受け渡しが一時的に変化した可能性、あるいは神経細胞内でのATP産生効率が変化した可能性が考えられます。本研究は、脳内の情報処理が、神経細胞だけでなく、血管やアストロサイトを含む代謝ネットワークによって動的に支えられていることを示しています。

【用语解説】

注1. 広域蛍光イメージング
広域蛍光イメージングは、蛍光を発する物质やタンパク质を利用して、生きた脳の広い范囲の活动を観察する方法です。本研究では、头盖骨を开けずに、マウス大脳皮质全体の血管?代谢动态を観察しました。マウスの头盖骨は、头皮の下では比较的透明ですが、头盖骨を露出させて乾燥させると急速に不透明になることが知られています。そこで本研究では、头盖骨を紫外线硬化树脂でコーティングし、湿润で透明な状态を保つことで、头盖骨越しに脳表面の细胞や血管を観察しました。従来は、头盖骨を取り除いて小さな窓を作り、脳内を観察する方法が広く用いられてきました。しかし、このような侵袭を加えると、特に血管系やグリア细胞の活动が影响を受ける可能性があります。本研究では、开头していない头盖骨越しに、血管内を流れる蛍光物质や脳実质の细胞に発现させた蛍光タンパク质から生じる蛍光を観察しました。観察には蛍光マクロズーム実体顕微镜を用いました。実体顕微镜は、视野が広く、対物レンズから対象までの距离が比较的长い顕微镜であり、対象の表面を広く観察するのに适しています。本研究では、マウスの大脳皮质全体が観察できる程度の倍率で、励起光を脳に照射し、戻ってきた蛍光を高感度カメラで撮影しました。

注2.アストロサイト
脳のアストロサイトは、グリア细胞の一种であり、神経细胞と血管の间に位置して、脳内の代谢、イオン环境、神経伝达、血管反応を调节する细胞です。脳を构成する细胞のうち、神経细胞以外の细胞は総じてグリア细胞と呼ばれます。従来、グリア细胞は脳の隙间を埋める「ノリ」のような存在と考えられてきました。しかし近年、グリア细胞には、脳内のエネルギー代谢やイオン环境を制御する机能があることが示されてきました。さらに、神経细胞とは异なる仕组みで脳内情报処理に関わることも明らかになりつつあり、脳と心の机能におけるグリア细胞の役割に大きな注目が集まっています。グリア细胞は大きく、アストロサイト、ミクログリア、オリゴデンドロサイトに分类されます。アストロサイトは、神経细胞同士をつなぐシナプス结合部位の近くに存在するとともに、脳内を张り巡らされた血管を取り囲む构造を持っています。そのため、神経细胞の活动と血管からのエネルギー供给をつなぐ重要な位置にあります。

注3.ピルビン酸
ピルビン酸は、グルコースが分解される過程で作られる代謝物で、ATP 産生につながる重要な分子です。本研究では、アストロサイト内のピルビン酸を蛍光センサーで計測しました。アストロサイトは血管からグルコースと酸素を受け取ります。受け取ったグルコースは、解糖系によってピルビン酸に変換されます。したがって、血管からのグルコース供給量が増えると、アストロサイト内のピルビン酸も増加すると考えられます。ピルビン酸は、アストロサイト内でミトコンドリアに取り込まれ、最終的にエネルギー分子 ATP の産生に利用されます。一方、アストロサイト細胞質のピルビン酸は乳酸に変換されることもあります。乳酸は、モノカルボン酸トランスポーター（MCT）を介してアストロサイト外へ排出され、神経細胞に取り込まれる可能性があります。神経細胞に取り込まれた乳酸は、再びピルビン酸に変換され、ミトコンドリアに取り込まれて ATP 産生に使われると考えられています。この考え方は、アストロサイト?神経細胞間乳酸シャトル仮説と呼ばれます。したがって、アストロサイトのミトコンドリア機能や MCT 機能が変化すると、ピルビン酸の消費や乳酸の排出が変化し、アストロサイト内に乳酸やピルビン酸が蓄積する可能性があります。

注4.础罢笔
ATP は、生物の細胞内でエネルギー通貨として働く分子です。本研究では、レム睡眠という自然な脳状態で、神経細胞内 ATP が低下することを示しました。アデノシン三リン酸（ATP）は、生物の細胞内でエネルギー通貨として機能しています。ATP からリン酸がひとつ外れてアデノシン二リン酸（ADP）になる際に放出されるエネルギーが、さまざまな細胞機能に利用されます。細胞内で ATP を効率よく産生する重要な経路としては、ミトコンドリアにおける酸化的リン酸化が挙げられます。細胞外のグルコースを取り込んだ細胞は、解糖系によってこれをピルビン酸に変換します。ピルビン酸はミトコンドリアに取り込まれ、クエン酸回路を経て NADH や FADH2 などの還元型補酵素が生成され、電子伝達系を介して ATP が多量に作られます。このように、細胞内 ATP 濃度は、供給、すなわち生成と、消費のバランスによって維持されています。ATP は生体内のすべての細胞の機能と生存に必要不可欠なエネルギー分子であるため、これまで、生理的な状況下ではその濃度は比較的安定に保たれていると考えられてきました。本研究は、レム睡眠という自然な脳状態で神経細胞内 ATP が変動することを示した点に大きな特徴があります。

注5．ノンレム睡眠
ノンレム睡眠は、レム睡眠以外の睡眠状態です。本研究では、ノンレム睡眠中のシータ帯活動の揺らぎが、数秒後の脳血液量変化と強く関係することを示しました。ノンレム睡眠は、深い睡眠段階を含む睡眠状態です。脳波ではデルタ波（1?4 Hz）などの低周波成分が目立つことが特徴とされています。ただし、ノンレム睡眠中にも、シータ波（6?9 Hz）を含め、他の周波数成分は存在します。本研究では、ノンレム睡眠中にシータ帯活動の強さが時間的に変動することに着目しました。その結果、シータ帯活動の揺らぎが、約4?5秒後の脳血液量変化と強く関係することが示されました。これは、ノンレム睡眠中にも、神経活動と血管反応が密接に結びついていることを示唆しています。

注6．レム睡眠
レム睡眠とは、急速眼球運動（REM; Rapid Eye Movement）を伴う睡眠状態です。夢や記憶の整理と関連すると考えられ、脳波と筋電図を組み合わせることで判定できます。目を閉じて眠っている間でも、まぶたの奥で眼球が急速に動く時期があります。この急速眼球運動を REM と呼びます。レム睡眠中にヒトを起こすと、夢を見ていたと報告することが多いため、レム睡眠中に過去の経験を記憶するものと忘れるものとに選り分け、その過程で夢を見るという仮説が生まれました。このような機能をレム睡眠が実際にどの程度担っているかについては議論がありますが、他の睡眠状態とは異なる特有の情報処理がレム睡眠中に行われていることは強く示唆されています。レム睡眠中には、脳波の周波数成分のうちシータ波（6?9 Hz）が強まり、デルタ波（1?4 Hz）が低下します。また、身体を支える筋肉は強く弛緩するため、筋電図はほぼ平坦になります。したがって、脳波と筋電図を合わせて記録することで、レム睡眠が生じている時間帯を特定できます。

注7．脳エネルギーのパラドックス
本研究では、レム睡眠時に脳血液量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 が低下する現象を「脳エネルギーのパラドックス」と呼びます。パラドックスとは、日本语で「逆説」などと訳され、一見すると常識に反していたり、矛盾していたりするように思える事象や命題でありながら、よく考えると一定の論理的根拠や真実を含んでいる状況を指します。本研究では、レム睡眠時に脳血液量が増加し、脳内へのエネルギー供給が高まっていると考えられる状況でありながら、神経細胞内のエネルギー分子 ATP が減少する現象を脳エネルギーのパラドックスと呼びます。この現象は、レム睡眠時に神経細胞による ATP 消費が大きく増加している可能性、神経細胞への代謝基質の供給が一時的に滞る可能性、あるいは神経細胞内での ATP 産生様式が変化している可能性を示唆します。いずれにせよ、レム睡眠は、神経細胞内での代謝エネルギー動態が大きく組み替わる脳状態であると考えられます。

注8．省エネ
ヒトの脳は、成人でおよそ 20 ワット程度のエネルギーで働いていると推定されています。これは、現代の計算機と比較しても驚くほど高効率な情報処理です。このエネルギー量は、薄い白熱球を灯す程度に相当します。一方、標準的なパソコンや大規模なスーパーコンピュータは、脳とは異なる原理で計算を行い、用途によってははるかに大きな電力を必要とします。それと比較すると、生物の脳は驚異的な省エネルギー性能を実現していると言えます。脳がこのような高効率な情報処理を実現する秘密の一端は、脳内での代謝エネルギー分子の動態を調べることで明らかになると期待されます。本研究は、レム睡眠中に、血管からの供給、アストロサイトの代謝、神経細胞の ATP 状態が単純に同じ方向へ変化するのではなく、脳状態に応じて異なる振る舞いを示すことを明らかにしました。このような動的なエネルギー配分は、生物の脳に特有の省エネルギー型情報処理を理解する手がかりになると考えられます。

【论文情报】

タイトル：Energy paradox in REM sleep: balancing supply and consumption in brain metabolism
著者：Yusuke Takahashi, Yoko Ikoma, Ko Matsui*
筆頭著者：東北大学大学院生命科学研究科超回路脳機能分野　大学院生　高橋佑輔
*責任著者：東北大学大学院生命科学研究科超回路脳機能分野　教授　松井広
掲載誌：Communications Biology
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