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生命的暫停鍵?同日兩篇《自然》:科學(xué)家首次在小鼠大腦中找到“冬眠開關(guān)”


▎藥明康德內(nèi)容團隊編輯  


童話故事中,睡美人沉睡100年,時間停滯,容顏不老;科幻電影中,宇航員在漫長的星際旅行時,靜靜躺在休眠艙里,穿越浩瀚太空。

盡管這些是人們幻想中的情形,根據(jù)科學(xué)家們最新的一組發(fā)現(xiàn),按下“生命暫停鍵”的想法離現(xiàn)實或許沒有那么遙遠。

近日,頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表了兩篇研究論文,來自美國哈佛醫(yī)學(xué)院和日本筑波大學(xué)的兩支研究團隊,“背靠背”在小鼠的大腦中找到一群特殊的神經(jīng)細胞,對體溫控制起著關(guān)鍵作用。人為激活這些神經(jīng)細胞,可以觸發(fā)小鼠進入類似冬眠的狀態(tài),讓體溫和能量消耗都大大降低。并且,動物從這種狀態(tài)恢復(fù)后,沒有出現(xiàn)組織器官和行為異常。研究人員希望,基于這一發(fā)現(xiàn),可以在人類身上實現(xiàn)“人工冬眠”。

《自然》刊發(fā)的評論認為,這兩項研究刷新了我們對體溫調(diào)節(jié)的認識

大自然中,蛙、蛇、熊等動物可以在嚴酷的冬天、食物短缺的季節(jié)或是其他極端條件下,通過冬眠行為(季節(jié)性休眠)生存下來。與日常的睡眠不同,冬眠涉及全身生理變化,心跳減慢、呼吸變?nèi)酰难趿扛?,體溫還會顯著下降。

為什么有的動物會冬眠、有的動物不冬眠?這個問題不僅讓五六歲小孩子好奇,也激發(fā)了很多科學(xué)家為之探索。


研究人員指出,冬眠研究困難的一個原因是,常用的實驗動物小鼠、大鼠并不冬眠。不過,哈佛醫(yī)學(xué)院Michael Greenberg教授帶領(lǐng)的研究團隊注意到,小鼠在食物匱乏、周圍又冷時,會進入一種短暫的麻木萎靡(torpor)狀態(tài)。在環(huán)境溫度低至22℃時,24小時餓肚子的小鼠核心體溫會降低,代謝率和身體活動也顯著下降,相比之下,吃飽的小鼠能夠保持正常體溫。

研究小組利用神經(jīng)元活性的生物標記物,在小鼠的腦中尋找那些在進入麻木狀態(tài)時會被激活的神經(jīng)元。

▲尋找并確認在麻木狀態(tài)時會被激活的神經(jīng)元(圖片來源:參考資料[4])

在此過程中,他們把搜尋范圍集中在了下丘腦,也就是負責(zé)體溫調(diào)節(jié)、饑餓、干渴、激素分泌等功能的腦區(qū)研究人員在下丘腦的數(shù)百個不同區(qū)域,一一確認哪些區(qū)域的神經(jīng)元在被激活后會引起小鼠麻木。

艱苦搜尋之下,他們最終在下丘腦的一個特定區(qū)域(內(nèi)外側(cè)視前區(qū)),確定了一組神經(jīng)元。僅僅刺激這組神經(jīng)元,就能讓小鼠體溫迅速降低,活動大大減少;而抑制這些神經(jīng)元的活性時,還可以避免饑餓小鼠進入麻木狀態(tài)。研究人員繼而通過單細胞RNA測序等方法,鑒定出這組神經(jīng)元表達哪些標志性蛋白,比如神經(jīng)遞質(zhì)等。


另一篇研究論文中,日本筑波大學(xué)的科學(xué)家們采用不同的方法、在下丘腦的類似區(qū)域,找到了同樣的“神經(jīng)開關(guān)”他們將這群神經(jīng)細胞命名為Q神經(jīng)元(Quiescence)。

通過基因改造,研究人員們得以用化學(xué)物質(zhì)或光照特異性地激活小鼠腦中的Q神經(jīng)元。他們驚訝地發(fā)現(xiàn),小鼠的核心體溫下降了近10度,并且可以連續(xù)48小時呈現(xiàn)動物冬眠特有的狀態(tài):不吃不動,心率降低,耗氧量減少等。“當(dāng)周圍環(huán)境大幅度下降時,它們的機體功能保持正常,體溫變得更低,維持在22℃左右?!毖芯控撠?zé)人櫻井武教授說。

▲短暫激活Q神經(jīng)元后,小鼠的核心體溫從37℃降低到24℃(圖片來源:參考資料[1])

“更令我們意外的是,在既不冬眠也沒有日常麻木萎靡(torpor)的大鼠身上,激活Q神經(jīng)元也會觸發(fā)與小鼠類似的冬眠狀態(tài)?!钡谝蛔髡吒邩驈卣f,“盡管我們還不知道確切的答案,但人類也有可能具備Q神經(jīng)元,可以觸發(fā)類似的狀態(tài)。“

下一步,人類也能“一鍵休眠”嗎?“現(xiàn)在說我們是否可以在人身上誘發(fā)同樣的狀態(tài)還為時尚早,但這是一個值得探索的目標?!盙reenberg教授說道。

▲我們的征途是星辰大海(圖片來源:Pixabay)

談到“人工冬眠”的未來應(yīng)用,兩支科研團隊都展開了諸多設(shè)想,例如可以在臨床手術(shù)中代替麻醉;發(fā)生中風(fēng)或外傷后,放慢代謝過程,避免大腦進一步受損;用來延長壽命;甚至把幻想變成現(xiàn)實,為人類的火星之旅、太空探索提供幫助。

 “當(dāng)我們設(shè)想人類也可以出現(xiàn)類似冬眠的狀態(tài)時,想象力變得越來越瘋狂。”研究作者之一、哈佛醫(yī)學(xué)院的Sinisa Hrvatin博士說。

參考資料:
[1] Takahashi, T. M. et al. (2020) A discrete neuronal circuit induces a hibernation-like state in rodents. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2163-6 (2020).
[2] Hvratin, S. et al. (2020) Neurons that regulate mouse torpor. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2387-5 (2020). 
[3] Clifford B. Saper & Natalia L. S. Machado (2020) Flipping the switch on the body’s thermoregulatory system. Nature. Doi: 10.1038/d41586-020-01600-5
[4] State of Stasis. Retrieved June 14, 2020, from https://hms.harvard.edu/news/state-stasis
[5] Hibernation in mice: Are humans next? Retrieved June 14, 2020, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-06/uot-him061220.php

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