超聲波冬眠法，離我們?cè)絹?lái)越近了

出品：科普中國(guó)

作者：地星引力（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為解碼生命科學(xué)最新奧秘，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“生命新知”系列文章，從獨(dú)特的視角，解讀生命現(xiàn)象，揭示生物奧秘。讓我們深入生命世界，探索無(wú)限可能。

對(duì)于某些物種來(lái)說(shuō)，當(dāng)外部情況變得惡劣時(shí)，它們會(huì)進(jìn)入一種“冬眠”狀態(tài)，降低體溫并減緩新陳代謝，就像把身體放在“待機(jī)”模式一樣。雖然人類不會(huì)自發(fā)進(jìn)入這種狀態(tài)，但我們身邊很多動(dòng)物有這樣的功能，比如松鼠和熊等。

冬眠睡鼠

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

一直以來(lái)，科學(xué)家都致力于讓人類也具備進(jìn)入類似的冬眠狀態(tài)的功能，因?yàn)檫@可能會(huì)在一些特殊情境中發(fā)揮作用，比如重癥監(jiān)護(hù)室（ICU）中對(duì)病人的治療，以及長(zhǎng)途太空旅行。

成功冬眠的小鼠

一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用治療性的超聲波瞄準(zhǔn)小鼠大腦的深層區(qū)域，科學(xué)家們讓小鼠成功進(jìn)入了類似冬眠的狀態(tài)。這一技術(shù)不需要做復(fù)雜的手術(shù)，因?yàn)槭中g(shù)很有可能對(duì)大腦造成傷害。

不過(guò)，小鼠天生就具備進(jìn)入這種冬眠狀態(tài)的能力，因此，研究人員還在天生不具備冬眠能力的大鼠身上測(cè)試了這項(xiàng)技術(shù)。研究成果于2023年在《自然-代謝》雜志上發(fā)表，這為通過(guò)超聲波調(diào)控大腦其他生理活動(dòng)的研究提供了潛在可能。

冬眠的新實(shí)驗(yàn)

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

為了非侵入性地誘發(fā)類似冬眠的狀態(tài)，研究人員在小鼠身上放置了一個(gè)類似頭盔的探針，用超聲波波束刺激大腦的深層結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)選擇了與醫(yī)學(xué)用途（例如產(chǎn)前篩查）使用頻率不同的超聲波頻率，目標(biāo)區(qū)域是下丘腦的前視區(qū)，該區(qū)域包含先前研究表明在冬眠中發(fā)揮作用的神經(jīng)元。

通過(guò)刺激這些神經(jīng)元，它們會(huì)向褐色脂肪組織發(fā)送信號(hào)，這是位于上背部的高代謝脂肪組織，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)負(fù)責(zé)升高體溫。來(lái)自前視區(qū)的超聲波刺激信號(hào)抑制了小鼠褐色脂肪的活動(dòng)，從而防止它升高體溫。

為了確認(rèn)降溫，研究人員使用紅外攝像機(jī)跟蹤褐色脂肪區(qū)域的皮膚冷卻情況以及動(dòng)物尾巴的散熱情況。同時(shí)，他們還測(cè)量到小鼠氧氣利用的減少，從而再次確認(rèn)了小鼠新陳代謝的減緩。

除了降溫的脂肪和新陳代謝遲緩，小鼠還表現(xiàn)出了類似冬眠狀態(tài)的其他跡象，如運(yùn)動(dòng)減少和心率下降。

實(shí)驗(yàn)中的小鼠體溫降低了

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

不過(guò)，小鼠可以在受到驚嚇或壓力時(shí)自發(fā)進(jìn)入冬眠狀態(tài)。為了確保溫度下降是由超聲波引發(fā)的，而不是來(lái)源于壓力或恐懼，研究人員將其注意力轉(zhuǎn)向了不具備這種自然反應(yīng)的大鼠。

結(jié)果顯示，超聲波信號(hào)同樣在大鼠中誘發(fā)了更低的體溫，這表明超聲波波束作用于前視區(qū)是導(dǎo)致類似冬眠狀態(tài)的原因。

不過(guò)科學(xué)家表示，大鼠實(shí)驗(yàn)只是一個(gè)概念驗(yàn)證的過(guò)程，這項(xiàng)研究要取得實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

研究人員實(shí)現(xiàn)了刺激過(guò)程的自動(dòng)化，以保持動(dòng)物處于類似冬眠的狀態(tài)。當(dāng)體溫上升時(shí)，超聲波刺激會(huì)重新啟動(dòng)，將體溫降低，就像調(diào)節(jié)器一樣。在實(shí)驗(yàn)中，小鼠在這種狀態(tài)下保持了24小時(shí)，關(guān)閉超聲刺激后，正常體溫和新陳代謝迅速恢復(fù)，并且沒(méi)有對(duì)小鼠產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。

深入研究這種刺激作用下細(xì)胞的反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，超聲波波束影響了離子（如鈣離子）流入前視神經(jīng)元的過(guò)程，觸發(fā)了到褐色脂肪的信號(hào)，防止它升高體溫。當(dāng)研究人員去除負(fù)責(zé)控制這種流動(dòng)的蛋白質(zhì)時(shí)，超聲波對(duì)降低體溫的效果減小。

超聲波通過(guò)激活POA中的神經(jīng)元引起體溫過(guò)低和代謝減退

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

這些結(jié)果表明，這種蛋白質(zhì)就像一個(gè)“納米開(kāi)關(guān)”——這是該研究中最重要的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槠渌竽X區(qū)域中可能也存在對(duì)超聲波波束敏感的類似蛋白質(zhì)。

在之前的類似研究中，要達(dá)到這種效果，需要科學(xué)家將一種蛋白質(zhì)的基因注入目標(biāo)區(qū)域，以幫助激活受刺激的細(xì)胞（利用光線或藥物刺激），實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜且危險(xiǎn)。而這項(xiàng)新方法是非侵入性的，不僅安全，而且還足夠靈活，可以隨時(shí)根據(jù)需要調(diào)整超聲波刺激，具有非常大的應(yīng)用潛力。

但是通過(guò)使用超聲波波束來(lái)改變大腦的行為可能涉及倫理問(wèn)題——尤其當(dāng)未來(lái)的實(shí)驗(yàn)涉及人類時(shí)，這需要更多的研究和更慎重的考慮。

人類實(shí)現(xiàn)冬眠還需要多久？

如果能夠在人類身上實(shí)現(xiàn)非侵入性誘導(dǎo)冬眠，那么這將會(huì)產(chǎn)生廣泛的應(yīng)用。

其中一個(gè)潛在應(yīng)用，就是為中風(fēng)或心臟病患者爭(zhēng)取更多時(shí)間，讓他們?cè)谇巴t(yī)院的過(guò)程中保持安全。因?yàn)檫@兩種緊急情況會(huì)導(dǎo)致受影響組織缺氧，由于冬眠需要更少的氧氣，因此可以延緩或預(yù)防損傷。此外，在重癥監(jiān)護(hù)室中，誘導(dǎo)冬眠也可能會(huì)減少患者護(hù)理所需的眾多藥物和監(jiān)測(cè)措施。

這項(xiàng)技術(shù)另一個(gè)可能的重要應(yīng)用，就是讓人們可以在太空旅行中輕松度過(guò)漫長(zhǎng)的時(shí)光。

研究人員表示，該研究的下一個(gè)目標(biāo)應(yīng)該是在較大的非人類動(dòng)物——可能是豬身上進(jìn)行測(cè)試，它們沒(méi)有毛發(fā)，體溫與人類相似，因此最接近人類。之后，這一技術(shù)會(huì)循序漸進(jìn)地應(yīng)用到猴子身上，最后才是人類，因此未來(lái)還有漫長(zhǎng)的路要走。

參考文獻(xiàn)

1.Yang, Y., Yuan, J., Field, R.L. et al. Induction of a torpor-like hypothermic and hypometabolic state in rodents by ultrasound. Nat Metab 5, 789–803 (2023).