出品：科普中國

作者：地星引力（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國科普博覽

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

對于某些物種來說，當外部情況變得惡劣時，它們會進入一種“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”模式一樣。雖然人類不會自發(fā)進入這種狀態(tài)，但我們身邊很多動物有這樣的功能，比如松鼠和熊等。

冬眠睡鼠

（圖片來源：veer圖庫）

一直以來，科學家都致力于讓人類也具備進入類似的冬眠狀態(tài)的功能，因為這可能會在一些特殊情境中發(fā)揮作用，比如重癥監(jiān)護室（ICU）中對病人的治療，以及長途太空旅行。

成功冬眠的小鼠

一項研究發(fā)現(xiàn)，通過使用治療性的超聲波瞄準小鼠大腦的深層區(qū)域，科學家們讓小鼠成功進入了類似冬眠的狀態(tài)。這一技術不需要做復雜的手術，因為手術很有可能對大腦造成傷害。

不過，小鼠天生就具備進入這種冬眠狀態(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試了這項技術。研究成果于2023年在《自然-代謝》雜志上發(fā)表，這為通過超聲波調(diào)控大腦其他生理活動的研究提供了潛在可能。

冬眠的新實驗

（圖片來源：參考文獻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類似頭盔的探針，用超聲波波束刺激大腦的深層結構。研究團隊選擇了與醫(yī)學用途（例如產(chǎn)前篩查）使用頻率不同的超聲波頻率，目標區(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。

通過刺激這些神經(jīng)元，它們會向褐色脂肪組織發(fā)送信號，這是位于上背部的高代謝脂肪組織，當溫度過低時負責升高體溫。來自前視區(qū)的超聲波刺激信號抑制了小鼠褐色脂肪的活動，從而防止它升高體溫。

為了確認降溫，研究人員使用紅外攝像機跟蹤褐色脂肪區(qū)域的皮膚冷卻情況以及動物尾巴的散熱情況。同時，他們還測量到小鼠氧氣利用的減少，從而再次確認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，如運動減少和心率下降。

實驗中的小鼠體溫降低了

（圖片來源：參考文獻1）

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

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

不過科學家表示，大鼠實驗只是一個概念驗證的過程，這項研究要取得實際應用還有很長的路要走。

研究人員實現(xiàn)了刺激過程的自動化，以保持動物處于類似冬眠的狀態(tài)。當體溫上升時，超聲波刺激會重新啟動，將體溫降低，就像調(diào)節(jié)器一樣。在實驗中，小鼠在這種狀態(tài)下保持了24小時，關閉超聲刺激后，正常體溫和新陳代謝迅速恢復，并且沒有對小鼠產(chǎn)生明顯的負面影響。

深入研究這種刺激作用下細胞的反應發(fā)現(xiàn)，超聲波波束影響了離子（如鈣離子）流入前視神經(jīng)元的過程，觸發(fā)了到褐色脂肪的信號，防止它升高體溫。當研究人員去除負責控制這種流動的蛋白質時，超聲波對降低體溫的效果減小。

超聲波通過激活POA中的神經(jīng)元引起體溫過低和代謝減退

（圖片來源：參考文獻1）

這些結果表明，這種蛋白質就像一個“納米開關”——這是該研究中最重要的發(fā)現(xiàn)，因為其他大腦區(qū)域中可能也存在對超聲波波束敏感的類似蛋白質。

在之前的類似研究中，要達到這種效果，需要科學家將一種蛋白質的基因注入目標區(qū)域，以幫助激活受刺激的細胞（利用光線或藥物刺激），實驗過程復雜且危險。而這項新方法是非侵入性的，不僅安全，而且還足夠靈活，可以隨時根據(jù)需要調(diào)整超聲波刺激，具有非常大的應用潛力。

但是通過使用超聲波波束來改變大腦的行為可能涉及倫理問題——尤其當未來的實驗涉及人類時，這需要更多的研究和更慎重的考慮。

人類實現(xiàn)冬眠還需要多久？

如果能夠在人類身上實現(xiàn)非侵入性誘導冬眠，那么這將會產(chǎn)生廣泛的應用。

其中一個潛在應用，就是為中風或心臟病患者爭取更多時間，讓他們在前往醫(yī)院的過程中保持安全。因為這兩種緊急情況會導致受影響組織缺氧，由于冬眠需要更少的氧氣，因此可以延緩或預防損傷。此外，在重癥監(jiān)護室中，誘導冬眠也可能會減少患者護理所需的眾多藥物和監(jiān)測措施。

這項技術另一個可能的重要應用，就是讓人們可以在太空旅行中輕松度過漫長的時光。

研究人員表示，該研究的下一個目標應該是在較大的非人類動物——可能是豬身上進行測試，它們沒有毛發(fā)，體溫與人類相似，因此最接近人類。之后，這一技術會循序漸進地應用到猴子身上，最后才是人類，因此未來還有漫長的路要走。

參考文獻

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).