《Biological Reviews》：The myth of the metabolic baseline: sleep–wake cycles undermine a foundational assumption in organismal biology
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这篇综述颠覆性地指出，标准代谢率（SMR）并非恒定不变，而是随睡眠-觉醒状态动态变化的“代谢马赛克”。文章系统论证了不同维持功能（如离子调节、蛋白合成、免疫等）在觉醒、非快速眼动睡眠（NREM）和快速眼动睡眠（REM）期间被差异化激活，导致传统SMR测量因采样状态不同而产生系统性偏差。作者呼吁摒弃“静态代谢基线”的旧范式，倡导采用时间整合的维持代谢评估新框架，这对准确理解能量预算、性状遗传力及环境对代谢的影响至关重要。
一、引言
基础代谢率（BMR）和标准代谢率（SMR）是机体生物学的核心性状，通常被视为在标准化静息条件下维持生命所需的最小能量消耗的固定内在属性。然而，这一概念存在根本缺陷。构成SMR基础的许多核心维持过程在睡眠和觉醒期间是时间分区的，并非持续活跃。因此，SMR不应被视作单一的代谢状态，而应被定义为一种变化的代谢马赛克，其中维持功能在睡眠-觉醒状态（包括代谢和功能不同的阶段，如非快速眼动睡眠和快速眼动睡眠）之间分布不均。在觉醒期间测量的SMR主要代表离子调节、体温调节、感觉处理和底物循环等过程的成本。而在睡眠期间测量的SMR则主要包括在睡眠期间上调的过程，如蛋白质合成、细胞修复、免疫和突触可塑性。模型表明，仅在觉醒或睡眠期间测量的SMR值会持续高估或低估每日维持成本，这取决于在特定睡眠状态中度过的时间以及测量SMR的时间点。此外，如果在不适当的睡眠-觉醒状态进行代谢测量，可能会完全错过处理或环境对特定过程成本的效应。维持过程的时间分区表明，传统和当前的SMR测量方法可能会将真实的代谢变异与睡眠结构的个体和物种特异性差异混淆，这对能量预算估算、性状遗传力、环境对代谢率的影响以及代谢缩放关系具有重要意义。建议将机体维持成本重新定义为代谢需求的时间整合曲线，但也提出，如果睡眠-觉醒测量周期与感兴趣的行为、生理或生态背景相一致，则状态特异性的SMR测量是合适的。
二、为何不存在静态SMR：状态依赖性分区的理由
为了说明状态依赖性如何影响SMR估算，首先将SMR分解为其组成部分的维持过程，例如离子梯度维持、蛋白质合成和体温调节。随后，利用文献中的可用估计值，估算了每个主要维持过程在不同睡眠-觉醒状态下对整体SMR的比例贡献。对于许多过程，跨睡眠-觉醒状态的能量成本直接量化数据并不存在。在这些情况下，通过结合每个过程对总SMR相对贡献的可用数据，以及关于潜在生理系统、器官或细胞机制在不同睡眠-觉醒状态下如何被上调或下调的证据，得出知情估计。认识到这种方法必然涉及推断，其定量估计应谨慎解读。目标并非为所有物种和情况提供明确的定量估计，而是证明维持过程不太可能在所有睡眠-觉醒状态下同等活跃，并提供一个基于生物学的启发式方法，以理解忽视状态分区如何导致SMR测量中的系统性偏差。虽然具体的分区值缺乏精确性，但不同维持功能在睡眠和觉醒期间存在时间分区这一更广泛的生物学现实是确凿的，这种分区的代谢后果值得在代谢率研究中进行额外的定量研究和考量。
此外，图中的比例分配主要来自对人类和其他哺乳动物的研究，因为这方面的研究最为丰富，并且在不同类群、个体和环境背景下可能存在显著变异。然而，状态依赖性分区的更广泛逻辑适用于所有类群。恒温动物和变温动物之间最大的定量差异涉及体温调节成本：恒温动物在觉醒期间将SMR的相当大部分用于体温调节，而在大多数变温动物中这些成本可忽略不计，可能导致变温动物表现出较小的绝对状态依赖性偏差。其他分类学变异来源也在预期之中，包括随脑大小和神经元密度缩放的大脑离子调节成本，因而在鸟类、哺乳动物、爬行动物和鱼类中对SMR的贡献不同。尽管如此，尽管状态依赖性偏差的幅度会因类群而异，但其方向和定性形式可能保持一致。因为目标是说明时间分区的概念性后果，而非提供物种特异性的数值预测，所以在此未单独模拟变温动物。但需要强调，只要维持过程在不同状态间存在差异，睡眠-觉醒结构仍会在变温动物中引入系统性误差，而界定这些差异是旨在完善动物维持成本估计的进一步研究的主要途径。
下文重点介绍几个关键维持过程的状态依赖性分区，这些过程例证了跨睡眠-觉醒状态的不同时间分配模式。
(1) 脑离子调节
维持神经元膜上的离子梯度是大脑中最耗能的功能之一。据估计，通过Na+/K+-ATP酶的离子泵送约占皮质总ATP消耗的一半，尤其是在清醒条件下。鉴于大脑皮层约占成年人类SMR的20%，这意味着仅皮层离子泵送就占全身SMR的约10%。然而，此估计排除了丘脑、基底节、小脑和脑干等区域，这些区域也维持高基线活动和对离子转运的需求。为了考虑这些额外的大脑结构，保守地将SMR的15%分配给总脑离子梯度维持。在觉醒期间，皮层放电频率增加，驱动Na+/K<+>-ATP酶活性达到最大。在NREM睡眠期间，神经元放电频率下降约40%，这理论上应使Na+/K+-ATP酶活性成比例降低。代谢证据支持这一点，显示在深度NREM睡眠期间脑葡萄糖和氧代谢减少25-44%，而REM睡眠期间放电频率部分反弹。基于此证据，将整体脑离子调节活动分配为：觉醒期间50%，NREM睡眠期间15%，REM睡眠期间35%。
(2) 外周离子调节
即使在静息状态下，骨骼肌也会消耗大量能量以维持离子平衡。例如，在静息的人体股四头肌中，Na+/K+-ATP酶和肌质网/内质网Ca2+-ATP酶（SERCA）共同约占肌肉氧气利用的25%。鉴于骨骼肌约占人体质量的40%，这意味着外周离子调节对全身SMR的贡献约为10-12%。尽管像骨骼肌和内脏这样的外周组织需要持续维持离子梯度，但其活动也受到姿势张力和其他依赖于睡眠-觉醒周期因素的调节，觉醒期的高张力肌肉激活需要增加Na+/K+-ATP酶和SERCA活性。相反，在NREM睡眠期间肌肉张力降低，在REM睡眠期间由于脑干对运动神经元的主动抑制而几乎完全消失。因此，将外周离子调节的能量需求分配为：觉醒占60%，NREM睡眠占35%，REM睡眠占5%。
(3) 蛋白质合成与细胞修复
全身蛋白质周转是维持代谢的主要组成部分，蛋白质合成和降解共同占标准代谢率的18-25%。觉醒与基础蛋白质周转相关，但睡眠——特别是NREM睡眠——是参与蛋白质合成和折叠的基因上调的主要时期。睡眠剥夺研究进一步支持这一点，表明 prolonged wake 抑制这些通路，而在恢复睡眠期间反弹。因此，将这些成本进行分区以反映睡眠期间较高的生物合成活动。
(4) 体温调节
体温调节是恒温动物维持代谢的关键组成部分，在接近热中性温度下的静息条件下，通常约占SMR的10-15%。虽然这部分成本主要反映了主动的温度调节控制机制，但睡眠强烈地以状态依赖的方式调节这些体温调节活动。在觉醒期间，温度调节反射功能齐全，允许精确控制核心体温。NREM睡眠涉及体温调节设定点的下移，而非温度调节控制的丧失。尽管动物仍然可以激活温度效应器，如喘息或颤抖，但NREM睡眠的特点是核心和皮质温度降低，以及对热挑战的反应性降低。尽管基础代谢过程持续产热，但维持温度设定点的防御机制被下调。在REM睡眠期间，体温调节防御几乎完全脱离或抑制，可能是为了将资源重新分配给神经过程。基于此证据，将体温调节能量消耗的70%分配给觉醒，25%给NREM，5%给REM。
(5) 神经可塑性/记忆巩固
神经可塑性指的是通过加强、削弱或重塑来重构突触连接，涉及能量密集型活动，如蛋白质合成、受体调节和神经重组。基于NREM睡眠期间的体内ATP成像估计，睡眠期间约10%的皮质ATP用于可塑性相关过程。当扩展到大脑对总SMR的整体贡献（人类约20%），并扩展以考虑皮质下和胶质结构中额外的可塑性需求时，估计神经可塑性约占全身SMR的4%。可塑性并非均匀分布在行为状态之间；正如突触稳态假说所描述，突触强度在觉醒期间随着新信息编码而积累，但在NREM睡眠期间被选择性下调以恢复效率。这些与NREM相关的变化得到树突钙爆发的支持，这些爆发与睡眠纺锤波重合，标志着局部能量使用的增加。REM睡眠贡献了第二波可塑性，其特征是海马-皮质回放先前觉醒经验的活动模式，被认为是记忆巩固的基础。反映了NREM和REM combined but distinct的贡献，将可塑性相关能量使用的45%分配给NREM，35%给REM，20%给觉醒。
(6) 感觉处理
感觉处理是皮层的一种代谢活跃功能，尤其是在动物必须监控和响应外部刺激的觉醒期间。感觉皮层区域（如视觉、听觉和体感皮层）在觉醒期间占据了皮层体积和突触活动的很大份额。鉴于大脑皮层约占全身SMR的20%，并且在觉醒期间皮层信号的很大部分专用于感觉整合，估计感觉处理贡献SMR的3-5%是合理的。这不包括皮层下感觉中继（如丘脑）或与警觉性相关的感觉门控所使用的能量。为了保守地考虑这些成分并反映觉醒期间的持续感觉参与，将SMR的5%分配给感觉处理。感觉皮层活动在NREM睡眠期间显著下降，在REM睡眠期间基本脱离，尽管整体大脑活动很高。
(7) 免疫监视与调节
基线免疫功能的能量成本估计尚不可用，但理论和经验数据表明，构成性免疫过程（如白细胞维持、低水平细胞因子信号传导和一般免疫准备及监视）代表了静息代谢率的不可忽略部分。大多数实证工作集中于激活的免疫反应（可使代谢增加15-30%），而免疫能力的基础维持可能涉及淋巴器官和白细胞活动的持续低水平代谢投资，表明这些成本即使在健康个体中也存在。基于此，基线免疫代谢占SMR约7-8%的保守估计是生物学上合理的，尽管由于缺乏直接量化而存在高度不确定性。证据表明，基线免疫监视并非均匀分布在睡眠-觉醒周期中，而是表现出受昼夜节律和行为状态影响的功能分区。事实上，某些免疫成分（如细胞因子）的昼夜节律活动似乎具有调节睡眠的神经调节作用，除了其直接的免疫功能。对人类和动物的研究也表明，早期NREM睡眠与有利于免疫协调的激素反应相吻合，其特征是低皮质醇和高生长激素水平，NREM睡眠支持适应性免疫功能，如抗原呈递、白细胞活性和T细胞活性。睡眠中断可靠地改变免疫基因表达，进一步表明正常睡眠促进了重要的免疫过程。相比之下，REM睡眠被认为对基线免疫功能贡献甚微，因为它与皮质醇水平升高、生长激素水平降低和交感神经激活增加相吻合。总之，这些发现支持一个模型，其中NREM睡眠是基线免疫维持和协调的主要时期，而觉醒支持更外周的准备状态，REM睡眠贡献最小。然而，这些过程的确切能量成本仍然不确定，并且可能因物种、组织和免疫功能而异。
(8) 类淋巴代谢物清除
类淋巴清除是脑脊液和组织间液的对流交换，促进大脑中的代谢废物清除，并在睡眠期间上调。虽然这一过程的能量成本尚未直接量化，但它可能产生与胶质细胞活动、脑脊液运动和血管-神经耦合相关的显著ATP消耗。基于此原理，暂时估计类淋巴功能贡献约SMR的5%，反映了类淋巴活动高峰期胶质和血管过程的可能贡献，但由于缺乏直接测量，此估计应谨慎解读。类淋巴功能具有强烈的状态依赖性。在NREM睡眠期间，清除率比觉醒时增加两倍，然后在REM睡眠期间减少。基于此证据，将类淋巴代谢活动的60%分配给NREM睡眠，30%给觉醒，10%给REM睡眠。
(9) 含氮废物处理
据估计，含氮废物管理约占哺乳动物SMR的2%。含氮废物处理的时间表达表现出与蛋白质周转周期和肾功能节律相关的显著昼夜分区，尽管代谢成本变化的证据大多是间接的，并通过肾脏活动变化推断。例如，肾小球滤过率表现出强烈的昼夜节律性，最大值在白天，最小值在夜间。实验证据表明，肾脏激素控制在睡眠和觉醒状态之间存在根本差异。在睡眠期间，醛固酮脉冲主要与血浆肾素活性（PRA）振荡相关，而在觉醒期间，醛固酮脉冲主要与皮质醇脉冲相关。此外，PRA显示出与REM-NREM周期强烈相关的振荡，NREM睡眠与PRA增加相关，REM睡眠与PRA减少相关。这些状态依赖的肾脏调节差异表明，含氮废物处理的代谢成本因状态而异。基于这些考虑以及已记录的肝肾功能昼夜变化，暂时将含氮废物处理成本的45%分配给觉醒，35%给NREM睡眠，20%给REM睡眠，尽管由于缺乏跨不同类群的状态依赖性废物代谢直接量化，这些估计存在不确定性。
(10) 底物循环
底物循环指的是涉及相反代谢途径的耗能生化循环（如糖酵解和糖异生、脂肪分解和脂肪生成、甘油三酯和脂肪酸周转），允许燃料使用和代谢调节的快速转变。Rolfe & Brown (1997) 估计底物循环贡献约SMR的7.5%，基于对肝脏、肌肉和脂肪组织中无效循环的建模。更近期的研究（如Zhang等人，2021）表明，底物转换——通过呼吸商的波动指示——在整个睡眠-觉醒周期中持续，特别是在进出REM睡眠的过渡期间，支持了这样的观点：尽管底物循环在代谢率、交感张力和燃料需求最高的觉醒期最为显著，但它也受到睡眠的调节。NREM睡眠，尽管其整体节能特征，与脂肪分解增加、生长激素释放和游离脂肪酸可用性增加相关，这些都支持持续的肝脏和脂肪底物循环。在REM睡眠期间，交感神经活动爆发和脑葡萄糖摄取增加进一步维持代谢灵活性。基于此，将底物循环能量使用的60%分配给觉醒，NREM和REM各占20%，反映了持续的背景循环和状态特异性调节。
(11) 糖异生
糖异生和糖原代谢是能量稳态的重要组成部分，特别是在禁食或长时间不进食期间，如夜间睡眠。虽然它们的能量成本常被忽视，但Rolfe & Brown (1997) 估计糖异生可能占哺乳动物SMR的3-6%。这包括肝葡萄糖产生和脑糖原周转，已知后者随行为状态波动。根据糖原生成假说，由于高神经调节活动，脑糖原在觉醒期间耗竭，并在NREM睡眠期间补充，这一过程得到糖原合酶活性增加和交感张力降低的支持。相比之下，糖原分解和糖异生需求在觉醒期间增加，特别是在长时间觉醒或能量应激期间，此时外周组织和大脑的葡萄糖需求增加。REM睡眠对净糖原周转的贡献似乎很小，尽管神经元活动爆发可能提高局部葡萄糖氧化。基于这些模式，估计糖异生和糖原代谢对SMR的贡献为4%，并将成本分配为：NREM睡眠占60%，觉醒占35%，REM睡眠占5%，反映了跨睡眠-觉醒周期的碳水化合物循环的合成代谢和分解代谢阶段。
(12) 残余背景过程
标准代谢率的一部分反映了对生存至关重要但不受行为状态强烈影响的基础细胞功能。Rolfe & Brown (1997) 估计这些背景过程约占SMR的5-8%，具体取决于物种和组织类型。该成分被认为在睡眠-觉醒状态间保持相对恒定，因为它反映了维持基本膜电位、静息线粒体功能和低水平酶活性不可减少的能量成本。因此，将SMR的代表值6%分配给背景维持功能，并在觉醒、NREM睡眠和REM睡眠中均匀应用。
(13) 整体分析
这些趋势表明，SMR不存在单一或固定的值，机体维持成本最好被理解为跨睡眠-觉醒状态差异表达的转移过程的整合结果。尽管觉醒通常涉及能量密集型功能的上调，如感觉处理、离子梯度维持和体温调节，但睡眠在代谢上并非均匀。不同的睡眠状态——如浅度NREM、深度NREM或REM睡眠——表现出不同的神经、躯体和体温调节活动模式，并且可能在特定维持过程的成本方面存在差异。实际上，这些状态内部几乎肯定存在额外的变异（例如NREM深度或REM相位活动的变异），但启发式模型将每个状态视为单一类别，以说明状态依赖性分区的更广泛原则。因此，在一种状态下进行的任何SMR测量可能只捕获总维持成本的一部分。关键是，这种偏差的程度和方向取决于机体的睡眠结构，而睡眠结构在个体、背景和物种之间有所不同。
分析的一个重要警告是，表1所依据的基线SMR值和过程贡献来自于可能受到此处讨论的相同睡眠-觉醒偏差影响的研究，这些研究是在未受控或未指定的睡眠-觉醒条件下测量的。因此，它们可能已经反映了状态依赖的抽样伪影，而非真实的生理成本。这造成了一个有点循环的问题，因为正在使用可能有偏差的数据来量化代谢率测量中偏差的大小。然而，这种局限性凸显了改进测量方法和提出概念转变的关键动机。不仅需要新方法来改进未来的研究，而且需要验证（或纠正）可能受到未识别的睡眠-觉醒伪影影响的现有代谢率数据。
同样值得注意的是，当不同类群或处理间的SMR差异跨越数量级时（例如小鼠-大象比较），睡眠状态相关的偏差可能对物种或处理间的广泛定性比较影响很小，因为分布无论如何不会重叠。然而，即使小于组间对比，未考虑的睡眠-觉醒状态变异仍将增加残余方差，并可能偏差效应大小、缩放指数或遗传力的估计，特别是在比较具有重叠代谢范围的个体、处理、种群或密切相关的物种时。
三、忽视状态依赖性维持成本的后果
维持过程在睡眠和觉醒之间的不平等分区造成了两大类问题：（i）睡眠结构将影响整体动物SMR估计并歪曲维持成本；（ii）仅在一个状态下测量SMR只考虑了部分维持过程，因此观察到的某个因素或处理对SMR影响的幅度将取决于受影响的维持过程以及测量SMR时所处的状态。例如，如果一个觉醒主导的过程（如底物循环）因处理而上调，仅睡眠期的SMR测量将无法准确反映这种维持成本的变化。
(1) 估计状态受限采样导致的SMR误差
为了检验第一类误差，开发了一个模型，探讨在不同睡眠-觉醒时间表和REM睡眠比例下，状态特异性SMR测量如何与真实的24小时维持成本偏离。该模拟说明了当SMR仅在睡眠或仅在觉醒期间估算时产生的误差，使用了图2和表1中所示的分区估计。当SMR仅在睡眠期间测量时，估计值会随着一天中正常觉醒时间比例的增加而越来越低估真实的整合24小时维持成本。另一方面，如果SMR仅在觉醒期间测量，则随着未测量的睡眠时间增加，估计值会越来越
