据推测，大脑具有体内平衡机制，以防止所有细胞活动所需的细胞能量耗竭。例如，血流量增加，氧气和葡萄糖被积极地输送到神经放电活动发生的大脑区域。
此外，在动物的睡眠-觉醒状态中，脑血流量和细胞葡萄糖摄取随大脑细胞活动的变化而波动。在这些大脑能量稳态机制下，假设大脑中的细胞能量状态可以在所有生理条件下保持恒定，包括动物的睡眠-觉醒状态。然而，这还没有得到实验证明。
为了研究活体动物大脑中的细胞能量状态是否总是恒定或变化，研究人员使用活体小鼠大脑中的荧光传感器测量了细胞内主要细胞能量代谢物腺苷5'-三磷酸(ATP)的神经元浓度。使用光纤和宽视场显微镜，他们显示了皮质神经元中胞质ATP水平在皮层范围内的变化，这取决于动物的睡眠-觉醒状态:ATP水平在清醒状态时高，在非快速眼动睡眠期间下降，在快速眼动睡眠期间急剧下降。
另一方面，与清醒状态相比，作为能量供应的代谢参数，脑血流量在非快速眼动睡眠期间略有增加，在快速眼动睡眠期间大幅增加。在全身麻醉和局部脑电刺激下，小鼠神经元ATP水平降低，同时血流动力学增强。
由于在清醒状态下，当细胞能量需求增加时，整个皮层的神经元ATP水平增加，因此大脑的能量调节机制可以在全皮层范围内增加神经元ATP水平，以响应动物从睡眠到清醒的转变。同时，快速眼动睡眠期间神经元ATP水平大幅下降，尽管同时大脑血流动力学能量供应增加，这表明神经元存在负能量平衡，这可能是由于快速眼动睡眠特异性促进了能量消耗活动，如产热。
快速眼动睡眠期间皮层神经元ATP水平的显著降低有望作为快速眼动睡眠的一种新的生物标志物。最终，脑能代谢可能并不总是满足神经元的能量需求，从而导致神经元细胞内ATP水平的生理波动。
