漫漫星际,何以解忧?一根针剂就摁下你脑中的冬眠开关

作者: 张可可 来源:​未来人工冬眠 | instagram发布时间:2020-07-17

我们离人类冬眠又近了一步。

科学家在小鼠和家兔脑中发现一个冬眠开关,只要对特定脑区施加刺激,就能让没有冬眠习性的动物进入冬眠。这对哺乳动物可能普遍适用。

在太空旅行中,如何打发漫长时间,以及减少能耗?首选应该是人工冬眠。

在科幻电影中,我们经常看到人类进入冬眠的情节。为了穿越茫茫太空,航天员将漫长旅程变成甜美梦乡。一些绝症患者,为了等待治愈之法,用冬眠将人生推迟到几十年后的未来。

但冬眠在人类身上实现的可能性有多大呢?目前是一个很难说清的问题。不过,层出不穷的新研究,为人工冬眠注入了现实色彩。

最近,一项来自日本的研究,首次在大脑中找到了一个控制冬眠的开关。通过对特定的脑区施加药物刺激,就能自如操纵实验小鼠进入或脱离类冬眠的低代谢状态。

这是人类第一次在动物体内发现和利用类似的调控机制。相关成果刊登在6月的《自然》杂志。

冬眠:冻结时间的魔法

冬眠在自然界中并不鲜见。每到冬季来临,刺猬蜷缩进温暖的草窠,蝙蝠蛰伏进幽暗的洞穴深处,蜂鸟也会陷入短暂的沉睡……蜗牛、昆虫、青蛙、蛇等也没办法像夏天一样生龙活虎,纷纷委身天地间,将自己“封印”在积雪和坚冰之下。

哺乳动物、鸟类等恒温动物主动抑制身体代谢活动速率、降低体温以度过食物稀少的冬天的行为,称为狭义冬眠。

而广义的冬眠还包括鱼类、两栖类、爬行类、昆虫等节肢动物以及陆生贝壳类动物因为缺乏有效的体温调节机制,在冬天被动陷入的僵冷状态。

对于作为恒温动物的人类而言,更有研究价值的当然是狭义冬眠。

  

有冬眠习性的恒温动物(上)和变温动物(下)| 图虫创意,500PX

恒温动物在陷入冬眠时,代谢率和体温都会大幅下降。例如,西伯利亚花栗鼠在冬眠时,能量的消耗量只有正常状态下的13%,心率从每分钟400次下降到10次,呼吸从每分钟200次下降到1到5次,体温更是从37度下降到区区5度。加利福尼亚金背黄鼠冬眠时,体温则会从39度降到2度。

而即使是处于冬眠状态,其体温也始终保持恒定,就像体内存在一个可在两种温度之间切换的开关一样。

在冬眠状态下,它们身体的感觉仍然存在,这和变温动物很不同。如果对其施加强烈的触摸或声音刺激,就会从冬眠状态下短暂清醒。

冬眠是特定物种的固有习性,一般我们很难让原本没有冬眠习性的物种做出冬眠行为。由于人类常见的实验动物如小鼠、家兔等,都没有冬眠的习性,我们对冬眠的机理实际上知之甚少。

但是,令人惊奇的是,在此次日本科学家的新研究中,研究人员竟然让原本不具有冬眠习性的小鼠和家兔,进入了类似冬眠的状态!

脑区刺激,让恒温动物进入冬眠状态

和人脑一样,小鼠的大脑也有很多分区,不同分区有不同的功能。研究发现,只要对其丘脑下部的某个小区域施加特殊刺激,小鼠就会进入持续数天的低体温、低代谢的休眠状态,与冬眠行为十分相似。

刺激的方式也非常简单,只是向小鼠静脉中注射一种名为CNO的药物。如此简单的方法,就能达到这样惊人的效果,不禁令人大呼神奇。

详细的分析显示,进入休眠状态的小鼠,体温设定点(某种恒温状态下的体温)大约为28度,比正常的37度低了足足9度。这个温度可以认为是小鼠在该状态下刻意维持的体温,就像西伯利亚花栗鼠冬眠时的体温为5度。

休眠状态小鼠(右)和正常小鼠(左)体温对比 | ref3

研究还发现,当外界温度低于28度时,休眠小鼠会出现蜷缩身体,肌肉震颤等行为。与此同时,本来大大减缓的新陈代谢速度急剧增加,以尽可能让体温维持在20度以上。

这说明实验小鼠即便是在休眠状态下,也会通过一系列(或许是无意识的)行为让体温维持在适宜水平,不至于下降到威胁生命的程度。

由于冬眠动物们的温度设定点都是在亿万年进化过程中形成的固有特征,而较高的设定点意味新陈代谢率不会下降太大,因此,如何进一步降低休眠动物的体温设定点,是今后研究的重点之一。

研究人员还对休眠状态解除后的小鼠进行了测试,发现它们的运动能力和记忆能力并没有受到可观测的影响。身体解剖结果也显示,它们的脑、心脏、肌肉等组织和脏器也没有发生可见的改变。

更令人欣喜的是,同一只小鼠可以在休眠和正常状态之间反复切换,说明这种休眠是可逆性的。这为实际应用提供了更多可能。

除了小鼠,科研人员对家兔也做了相同的实验。家兔体重相当于小鼠的10倍,同样没有冬眠习性,但在实验中也观测到了类似的诱导冬眠现象。

接下来,研究人员还将把目光投向包括灵长目在内的一些更加高等的物种,以帮助我们向最终目标——人类冬眠迈进。

该研究的负责人、筑波大学医疗系的樱井武教授说,“我们猜测,不论是否存在冬眠习性,休眠诱导神经都广泛存在于哺乳动物脑中。当遇到食物短缺或者药物刺激一类紧急情况时,它们的休眠诱导神经就可能被激活”。而这对于一些极端情况下的生存挑战,显然意义重大。

“冬眠开关”在哺乳动物中可能普遍存在 | unsplash

未来不止是星辰大海

实验动物们表现出的可控低代谢,以及对极低体温的耐性,表明在不损害生命活力的前提下,人为削减生物的氧气和能量消耗将成为可能。

因为能耗大幅降低,肌体的老化速度也可能随之大大下降,生物寿命也有望得以延长。这与未来太空旅行中人类的基本诉求完全一致。

而即便不提星际旅行,光是眼前丰富的应用场景,也足以让人振奋。

例如,在医疗领域,重症病人的身体往往经不起过分消耗,很多时候还没等到病灶去除,就先因为器官衰竭而失去生命。如果能人为降低其新陈代谢速率,病情的进展和身体的透支都将慢下来,就能为疾病治疗创造有利条件。

还有危重伤病员的搬运问题。设想在未来,病人或伤员在远离医院的地方出现紧急情况,我们就可以在转运途中将其身体调控至低代谢状态,以便其在受到正规治疗之前,保存好仅有的生命活力。

而冬眠现象还有一个吸引人的地方在于,冬眠动物在自我唤醒时,身体依旧可以保持原有的活力,肌肉也不会萎缩。这将有可能帮我们找到一些方法,让久病卧床的人维持正常身体机能。

但话说回来,尽管有了这样令人惊喜的突破,我们距离真正意义上的人工冬眠,还十分遥远。

比如,这次的诱导休眠实验,对于动物体温的降低仍然有限,实验小鼠的新陈代谢率还远未下降到真正啮齿类动物的冬眠水平。而该研究涉及的神经群是否真的是调控冬眠的关键,也有待更严密的论证。

但该研究无疑给我们打开了一扇窗,关于人工冬眠的种种前景,未来将不断突破我们的想象。

人工冬眠将带给我们无限想象 | Freepik.com

参考文献:

1. A discreteneuronal circuit induces a hibernation-like state in rodents

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2163-6

2. Flipping theswitch on the thermoregulatory system

https://www.nature.com/articles/d41586-020-01600-5

3. 「究極の省エネ」、人工冬眠 筑波大がスイッチ発見

https://www.asahi.com/articles/photo/AS20200611004878.html

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