Ein internationales Forscherteam der Tohoku-Universität in Sendai hat mithilfe hochauflösender Fluoreszenzbildgebung ein überraschendes Phänomen im schlafenden Gehirn dokumentiert, das die bisherige Vorstellung von Energieversorgung und neuronaler Aktivität während des REM-Schlafs grundlegend infrage stellt: Während dieser traumreichen Schlafphase strömt zwar deutlich mehr Blut und damit auch mehr Nährstoffe ins Gehirn, gleichzeitig aber sinkt der tatsächliche Energiegehalt in den Nervenzellen spürbar ab, ein Befund, den die Wissenschaftler als „Energieparadoxon“ bezeichnen.
Ein unerwarteter Widerspruch im schlafenden Gehirn
Die im Fachjournal Communications Biology veröffentlichte Studie zeigt, dass das Gehirn seine Energieressourcen in NREM- und REM-Schlafphasen auf grundlegend unterschiedliche Weise verwaltet. Mit Hilfe von Lebendbeobachtungen an Mäusen konnte das Team um Ko Matsui, Professor für Super-Netzwerk-Hirnphysiologie an der Graduate School of Life Sciences, nachweisen, dass die klassische Annahme „mehr Durchblutung bedeutet mehr Energie für Nervenzellen“ im REM-Schlaf nicht zutrifft.
Diese Entdeckung ist bedeutsam, weil sie nahelegt, dass das schlafende Gehirn seine Stoffwechselressourcen aktiv umverteilt, möglicherweise um komplexe Gedächtnisprozesse oder biologische Schutzmechanismen zu priorisieren, statt lediglich konstante Energiereserven aufrechtzuerhalten.
Wie das Gehirn normalerweise Energie verteilt
Damit Nervenzellen elektrische Signale weiterleiten können, müssen sie das Gleichgewicht geladener Ionen über ihre Zellmembran hinweg wiederherstellen. Dieser Prozess benötigt enorme Mengen an Energie, um spezialisierte Ionenpumpen anzutreiben. Die Hauptenergiequelle dafür ist Glukose, die über den Blutkreislauf ins Gehirn gelangt.
Im Hirngewebe wird Glukose entweder direkt von Neuronen aufgenommen oder von sternförmigen Stützzellen, den sogenannten Astrozyten, verarbeitet. Astrozyten wandeln Glukose in Pyruvat um, eine Zwischenstufe zur Produktion von Adenosintriphosphat (ATP), dem zentralen chemischen Treibstoff jeder Zelle. Im Wachzustand entspricht die Zufuhr dieser Energiebausteine üblicherweise dem tatsächlichen Aktivitätsniveau des Gehirns.
Im Schlaf bleibt das Gehirn hochaktiv, es sortiert Erinnerungen und regeneriert biologische Systeme. Dabei unterscheidet die Schlafforschung zwischen dem NREM-Schlaf, gekennzeichnet durch langsame, tiefe Hirnwellen, und dem REM-Schlaf, einer Phase mit schnellen Hirnwellen und intensivem Traumerleben. Genau diese Unterschiede in der Energieverteilung wollte das Forscherteam sichtbar machen.
Methodik: Bildgebung an lebenden Mäusen ohne Operation
Für die Untersuchung beobachteten die Wissenschaftler 15 lebende männliche Mäuse, die genetisch so verändert waren, dass sie fluoreszierende Sensoren exprimierten. Diese ermöglichten es, ATP-Werte in Neuronen und Pyruvat-Werte in Astrozyten optisch zu messen. Um invasive Eingriffe zu vermeiden, die den natürlichen Blutfluss oder den Hirndruck hätten verändern können, trugen die Tiere lediglich eine transparente, UV-gehärtete Kunstharzschicht auf dem intakten Schädel.
Unter Weitfeld-Fluoreszenzmikroskopen wurden Blutvolumen, Pyruvat- und ATP-Konzentrationen mehrere Stunden lang gleichzeitig erfasst, während die Tiere auf natürliche Weise zwischen Wach-, NREM- und REM-Phasen wechselten. Elektroden an Schädel und Nackenmuskulatur erlaubten anhand von Hirnwellen und Muskeltonus eine präzise Zuordnung des jeweiligen Schlafstadiums.
NREM-Schlaf: Enge Kopplung von Hirnaktivität und Durchblutung
Während des NREM-Schlafs beobachteten die Forscher eine sehr präzise Koordination zwischen elektrischer Hirnaktivität und Energiezufuhr. Sogenannte Theta-Wellen sagten Veränderungen im Blutvolumen etwa vier bis fünf Sekunden im Voraus zuverlässig vorher. Das Blutvolumen selbst schwankte in schnellen Wellen, die sich innerhalb von etwa einer Sekunde vom vorderen zum hinteren Hirnbereich ausbreiteten.
Eine rasterförmige Analyse der Kortexaufnahmen zeigte zudem, dass sich die Durchblutung im NREM-Schlaf in mehrere klar abgrenzbare funktionale Cluster gliederte. Dies deutet auf ein organisiertes System hin, das lokal antizipiert, welche Hirnregionen gerade wie viel Energie benötigen.
REM-Schlaf: Mehr Blutfluss, weniger neuronale Energie
Beim Übergang in den REM-Schlaf veränderte sich das Bild drastisch. Bereits rund 50 Sekunden vor dem eigentlichen Beginn der REM-Phase begann das Blutvolumen im Gehirn großflächig anzusteigen, ausgehend von den hinteren Hirnregionen und sich über etwa 15 Sekunden nach vorne ausbreitend. Die zuvor beobachteten schnellen, lokal begrenzten Schwankungen verschwanden dabei fast vollständig; stattdessen erfasste eine große, synchronisierte Blutwelle weite Teile des Kortex.
Mit vollständigem Einsetzen des REM-Schlafs blieb das Blutvolumen erhöht, und auch der Pyruvatspiegel in den Astrozyten stieg entsprechend an. Normalerweise würde man erwarten, dass eine solche Zunahme an Durchblutung und Nährstoffen zu höherer zellulärer Energie führt. Stattdessen fiel der ATP-Spiegel in den Neuronen deutlich ab.
„Das Energiesystem des Gehirns ist wesentlich dynamischer, als man bislang dachte“, erklärte Ko Matsui gegenüber PsyPost. Die Entkopplung von Nährstoffversorgung und tatsächlicher Energieproduktion deute auf ein komplexes Unterstützungssystem aus Blutgefäßen, Gliazellen und Stoffwechselprozessen hin, das aktiver an der Hirnfunktion beteiligt sein könnte, als bisher angenommen.
Der Kontrollversuch mit einem Gefäßerweiterer
Um auszuschließen, dass der Energieabfall lediglich ein technisches Artefakt der Messmethode war, führten die Forscher an drei Mäusen insgesamt neun zusätzliche Testdurchläufe durch. Dabei verabreichten sie das Medikament Natriumnitroprussid, einen chemischen Gefäßerweiterer, der künstlich zu einer Zunahme des Blutvolumens führt.
In diesem kontrollierten Szenario stiegen sowohl der astrozytäre Pyruvatspiegel als auch die neuronale ATP-Konzentration wie erwartet an, ganz im Gegensatz zum natürlichen REM-Schlaf. Dieser Unterschied unterstreicht, dass das im REM-Schlaf beobachtete Energieparadoxon tatsächlich ein biologisch spezifisches Phänomen ist und keine reine Folge der erhöhten Durchblutung.
Bemerkenswert war laut den Forschern zudem die räumliche Komplexität der Gefäßaktivität selbst: Die Blutvolumenänderungen bildeten sich als räumliche Wellen aus, wechselten die Richtung und reorganisierten sich je nach Schlafstadium grundlegend neu.
Grenzen der Studie
Die Studie basiert ausschließlich auf einem Tiermodell, weshalb sich der Stoffwechsel im Mäusegehirn möglicherweise vom menschlichen Gehirn unterscheidet. Zudem liefern die eingesetzten Fluoreszenzsignale nur relative Näherungswerte für Blutvolumen und chemische Konzentrationen, keine absoluten Messwerte. Lokale Sauerstoffwerte oder weitere Stoffwechselprodukte wie Laktat wurden in dieser Untersuchung nicht direkt erfasst, was ein noch vollständigeres Bild liefern könnte.
Matsui warnt zudem ausdrücklich vor vorschnellen Schlussfolgerungen: Die Ergebnisse würden weder bedeuten, dass REM-Schlaf grundsätzlich ein „energiearmer“ Zustand sei, noch dass Veränderungen der Blutgefäße den Übergang in den REM-Schlaf auslösten. Der ATP-Spiegel spiegele stets ein Gleichgewicht zwischen Produktion und Verbrauch wider, ein Rückgang könne also ebenso gut durch erhöhten Energieverbrauch, veränderten Stofftransfer zwischen Astrozyten und Neuronen oder durch Anpassungen der mitochondrialen ATP-Produktion bedingt sein.
Was diese Erkenntnisse für die Hirnforschung bedeuten
Die Ergebnisse rücken ein Forschungsfeld in den Fokus, das lange im Schatten der klassischen Neuronenforschung stand: das Zusammenspiel von Blutgefäßen, Gliazellen und Stoffwechselnetzwerken. Signale, die in der Neurowissenschaft bislang meist nur als unterstützende Begleiterscheinungen neuronaler Aktivität galten, zeigten in dieser Studie eine eigenständige, komplexe räumliche und zeitliche Dynamik, die sich nicht allein aus der elektrischen Aktivität der Nervenzellen ableiten ließ.
Diese Beobachtung deutet auf eine zusätzliche Ebene der Informationsverarbeitung im Gehirn hin, die durch das Zusammenspiel von neuronalen, glialen, vaskulären und metabolischen Netzwerken entsteht. Für die künftige Erforschung von Gedächtniskonsolidierung, Traumaktivität und Erholungsprozessen im Schlaf könnte dies eine bedeutende Neuausrichtung bedeuten.
Offene Fragen für künftige Forschung
Das Team um Matsui plant, in kommenden Studien genauer zu untersuchen, warum der neuronale ATP-Spiegel im REM-Schlaf sinkt, unter anderem durch die Analyse möglicher Veränderungen im Stofftransfer zwischen Astrozyten und Neuronen sowie in der mitochondrialen Funktion. Langfristig soll geklärt werden, wie das metabolische Netzwerk des Gehirns mit dessen neuronalem Informationsverarbeitungssystem interagiert, und ob vaskuläre, gliale und metabolische Zustände neuronale Schaltkreise aktiv beeinflussen können, statt lediglich auf sie zu reagieren.
Ob sich diese Befunde direkt auf den menschlichen Schlaf übertragen lassen, bleibt vorerst offen und erfordert weiterführende Untersuchungen.
Häufig gestellte Fragen (FAQs)
Was genau ist das „Energieparadoxon“ im REM-Schlaf? Damit ist gemeint, dass während des REM-Schlafs zwar mehr Blut und mehr energieliefernde Nährstoffe wie Pyruvat ins Gehirn gelangen, der tatsächliche ATP-Spiegel in den Neuronen aber trotzdem sinkt, statt wie erwartet zu steigen.
Wurde die Studie an Menschen oder an Tieren durchgeführt? Die Untersuchung wurde an 15 lebenden männlichen Mäusen durchgeführt. Die Forscher betonen selbst, dass weitere Studien nötig sind, um zu prüfen, wie gut sich die Ergebnisse auf den menschlichen Stoffwechsel übertragen lassen.
Bedeutet ein sinkender ATP-Spiegel, dass das Gehirn im REM-Schlaf Energie verliert? Nicht zwangsläufig. Der ATP-Spiegel spiegelt das Verhältnis zwischen Energieproduktion und -verbrauch wider. Ein Rückgang kann ebenso auf gesteigerten Energieverbrauch oder veränderten Stofftransfer zwischen Zellen zurückgehen wie auf eine reduzierte Produktion.
Dieser Beitrag beschäftigt sich mit einem medizinischen Thema, einem Gesundheitsthema oder einem oder mehreren Krankheitsbildern. Dieser Artikel dient nicht der Selbst-Diagnose und ersetzt auch keine Diagnose durch einen Arzt oder Facharzt. Bitte lesen und beachten Sie hier auch den Hinweis zu Gesundheitsthemen!
Quellen
Dolan, E. W. (2026, August 16). Scientists uncover an energy paradox in the brain during REM sleep. PsyPost. https://www.psypost.org/scientists-uncover-an-energy-paradox-in-the-brain-during-rem-sleep/
Takahashi, Y., Ikoma, Y., & Matsui, K. (2026). Energy paradox in REM sleep: Balancing supply and consumption in brain metabolism. Communications Biology. https://doi.org/10.1038/s42003-026-10646-6
