人類距離“冬眠”還有多久？不遠(yuǎn)了！

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)自發(fā)進(jìn)入冬眠狀態(tài)，通過(guò)降低體溫減緩新陳代謝，就像把身體狀態(tài)調(diào)至“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)，但我們身邊有很多動(dòng)物具備這種功能，比如松鼠和熊。

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一直以來(lái)，科學(xué)家致力于研究讓人類也具備進(jìn)入類似冬眠狀態(tài)的能力，這種功能可能會(huì)在一些特定場(chǎng)景中發(fā)揮作用，比如重癥監(jiān)護(hù)室中對(duì)病人的治療過(guò)程，以及長(zhǎng)途太空旅行場(chǎng)景等。

利用超聲波“冬眠”的小鼠

科學(xué)家們使用治療性超聲波瞄準(zhǔn)小鼠大腦深層區(qū)域，讓小鼠成功進(jìn)入類似冬眠的狀態(tài)。不過(guò)，小鼠天生就具備冬眠能力，因此，研究人員在不能自發(fā)冬眠的大鼠身上測(cè)試了這項(xiàng)技術(shù)。該項(xiàng)研究成果于2023年在《自然-代謝》（Nature Metabolism）雜志上發(fā)表，這為通過(guò)超聲波調(diào)控大腦生理活動(dòng)的研究提供了潛在的可能和參考。

冬眠新實(shí)驗(yàn)。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) [1]

研究人員在小鼠身上放置了類似頭盔的探針，試圖通過(guò)超聲波刺激大腦深層結(jié)構(gòu)，非侵入性地誘發(fā)類似冬眠的狀態(tài)。團(tuán)隊(duì)選用了與醫(yī)學(xué)用途（例如產(chǎn)前篩查）頻率不同的超聲波，瞄準(zhǔn)下丘腦前視區(qū)（該區(qū)域包含先前研究中表明的，在冬眠中發(fā)揮作用的神經(jīng)元）。

這些神經(jīng)元受超聲波刺激后，會(huì)向褐色脂肪組織（位于上背部的高代謝脂肪組織）發(fā)送信號(hào)，溫度過(guò)低就會(huì)升高體溫，而來(lái)自前視區(qū)的超聲波刺激信號(hào)則抑制了褐色脂肪組織的活動(dòng)，防止體溫升高。

為了確認(rèn)降溫效果，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)物尾巴散熱情況。同時(shí)，他們還測(cè)量到小鼠減少了氧氣利用量，這再次表明，小鼠減緩了新陳代謝速度。除了脂肪降溫和新陳代謝遲緩，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)量減少和心率下降。

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)，小鼠在受到驚嚇或感到壓力時(shí)也會(huì)自發(fā)進(jìn)入冬眠狀態(tài)。為了證明小鼠溫度下降不是由于壓力或恐懼因素導(dǎo)致，研究人員將注意力轉(zhuǎn)向了不具備這種自然反應(yīng)的大鼠。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波信號(hào)在大鼠體內(nèi)誘發(fā)了更低的體溫，這證實(shí)了超聲波作用于前視區(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)只是概念驗(yàn)證的一個(gè)過(guò)程，距離實(shí)際應(yīng)用還很遠(yuǎn)。

研究人員通過(guò)超聲波刺激使小鼠處于24小時(shí)“冬眠”狀態(tài)。當(dāng)體溫上升時(shí)，超聲波刺激會(huì)重新啟動(dòng)，像調(diào)節(jié)器一樣降低小鼠體溫；在關(guān)閉超聲波刺激后，小鼠迅速恢復(fù)正常體溫和新陳代謝狀態(tài)，而這整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有對(duì)小鼠產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。

對(duì)于這種現(xiàn)象，科學(xué)家在深入研究細(xì)胞反應(yīng)后發(fā)現(xiàn)，超聲波影響著離子（如鈣離子）流入前視神經(jīng)元的過(guò)程，觸發(fā)了到達(dá)褐色脂肪的信號(hào)，阻止了動(dòng)物體溫升高。果然，研究人員去除控制這種離子（如鈣離子）流動(dòng)的蛋白質(zhì)后，超聲波對(duì)降低體溫的效果就相應(yīng)減弱了。

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]

上述結(jié)果表明，這種蛋白質(zhì)就像一個(gè)“納米開(kāi)關(guān)”，這是該項(xiàng)研究最重要的發(fā)現(xiàn)。由此我們不難聯(lián)想，或許其他大腦區(qū)域中也存在對(duì)超聲波敏感的類似蛋白質(zhì)。

對(duì)比之前的研究，要達(dá)到這種“冬眠”效果，研究人員需要將一種蛋白質(zhì)的基因注入目標(biāo)區(qū)域，以激活（光線或藥物刺激）目標(biāo)細(xì)胞，實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜且安全性低。而這種非侵入性的新方法不僅操作靈活，安全性也高，還可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整超聲波刺激力度，具有非常大的應(yīng)用潛力。

不過(guò)，利用超聲波改變大腦活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)可能會(huì)涉及倫理問(wèn)題，尤其當(dāng)未來(lái)涉及到人類應(yīng)用時(shí)，就需要投入更多研究并慎重處理了。

人類實(shí)現(xiàn)“冬眠”還需要多久？

話說(shuō)回來(lái)，如果在人類身上實(shí)現(xiàn)“非侵入性誘導(dǎo)冬眠”，應(yīng)用空間會(huì)很廣泛。

例如，可以應(yīng)用在中風(fēng)或心臟病患者前往醫(yī)院搶救的過(guò)程中，由于這兩種緊急情況會(huì)導(dǎo)致受影響組織缺氧，而“冬眠”狀態(tài)對(duì)氧氣需求量低，可以延緩或預(yù)防身體損傷，這會(huì)確保他們?cè)谶M(jìn)入重癥監(jiān)護(hù)室之前生命安全不受影響。而且，在重癥監(jiān)護(hù)室中，誘導(dǎo)“冬眠”會(huì)相應(yīng)減少護(hù)理患者所需的藥物劑量和監(jiān)測(cè)措施。
還有一個(gè)可能存在的潛在應(yīng)用，即未來(lái)場(chǎng)景中的星際旅途，“冬眠”狀態(tài)可以幫助人類輕松度過(guò)太空中的漫長(zhǎng)時(shí)光。

科學(xué)家表示，下一個(gè)研究目標(biāo)應(yīng)該會(huì)選擇在較大的非人類動(dòng)物身上測(cè)試，有可能是豬，因?yàn)樗鼈儧](méi)有毛發(fā)，體溫與人類相似，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最接近人類。之后，這項(xiàng)技術(shù)才會(huì)逐漸應(yīng)用到猴子、人類身上。

我們對(duì)實(shí)現(xiàn)“冬眠”的探索，道路漫漫亦燦燦。

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).

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出品丨科普中國(guó)

作者丨地星引力 科普創(chuàng)作者

監(jiān)制丨中國(guó)科普博覽

責(zé)編丨董娜娜

審校丨徐來(lái) 林林