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小鼠大脑中有个控制“冬眠”的“开关”

2020-08-18 09:46:06 整理发布   转载来源:科技日报  

科幻小说中常有一个经典的情景,即外太空旅行者在进行遥远的太空旅行时需要进入休眠状态。而接近现实的做法是,使用冰冷的生理盐水置换血液,以降低大部分正常的生命活动,同时保护细胞免受严重创伤...《小鼠大脑中有个控制“冬眠”的“开关”

科幻小说中常有一个经典的情景,即外太空旅行者在进行遥远的太空旅行时需要进入休眠状态。而接近现实的做法是,使用冰冷的生理盐水置换血液,以降低大部分正常的生命活动,同时保护细胞免受严重创伤。但使用生理盐水置换血液或者用其他外部措施来降低人体新陈代谢,都并非最佳选择,因为它们都有损害组织的风险。

诱导身体进入低耗能状态,才是更好的解决方案。对于一些动物来说,降低新陈代谢是一种常见的自然状态,例如熊、蝙蝠等动物冬眠时会多次经历长达几天的低代谢状态——蛰眠;小鼠在食物短缺时会进入日常蛰眠,每次维持数小时左右以减小自身能量消耗。目前,科学家还不了解小鼠的体温在蛰眠或其他低温情况下,是如何降到37摄氏度以下的。

近期,两项发表于《自然》杂志的独立研究均表明,当小鼠受到刺激时,其大脑中的一种特定神经元能诱导它们进入低体温状态。这些工作或可以帮助我们找到在人体中诱导这种低温状态的方法,并有效应用于医疗领域。更近一步,未来这些方法或能重现电影中生命暂停的场景。

其中一项研究是由日本筑波大学的神经科学家Takeshi Sakurai和同事主持的。这项研究要从一种多肽QRFP的反常表现说起。

研究团队发现,将一种多肽QRFP注射到动物体内时,能增加它们的活力,但是当研究人员激活小鼠脑中分泌这种肽的神经元时,却得到了一个惊人的结果。日本RIKEN生物系统动力学研究中心的研究员Genshiro Sunagawa说,小鼠会保持静止不动,体温变得非常低,它们的新陈代谢率(通过耗氧量衡量)、心率和呼吸均出现下降。

人体中的许多部位都能表达QRFP肽,其中下丘脑尤为普遍,而它正是大脑中负责调节体温的重要脑区。在此基础上,研究人员使用化学遗传学技术对这一脑区的神经元进行基因修饰,以便使用药物针对性地激活这些基因,并找到在下丘脑中引起这种作用的神经元。他们发现,激活表达QRFP多肽的神经元会使小鼠在数小时内,持续保持低温状态。此外,选择性激活下丘脑特定部位的神经元,还可以使动物进入两天以上的冬眠状态。

在此期间,小鼠的新陈代谢会保持在一个适当水平。在这段时间结束后,小鼠又能自然恢复到正常状态,并没受到任何伤害,就像冬眠后醒来一样。研究小组将这种特殊的神经元细胞称为“Q神经元”,并将这种由Q神经元诱导的低温低代谢状态称为“QIH状态”。

随后,研究人员利用通常不会蛰眠的大鼠进行实验,也观察到了相似的效果。尽管小鼠在自然状态下,并不会像在实验中这样一次冬眠几天。这很有可能是动物的新陈代谢降低延长了药物的药效(一般情况下,药效通常在4个小时左右消失)。但是,Sunagawa更认同另一种解释:“这或许就像按下了一个开关,随后一些系统就会维持这种状态一段时间。我们相信这种系统很可能也存在于其它哺乳动物中。”

第二项研究由哈佛医学院的神经生物学家Sinisa Hrvatin领导。研究人员通过剥夺老鼠的食物,诱导小鼠进入蛰眠状态。该研究团队使用化学遗传学工具修饰了动物进入蛰眠后被激活的神经元,为其加上了一个可以被药物激活的受体。随后,他们向小鼠注射药物重新激活了这些神经元。他们发现,即使在食物充足的情况下,激活神经元也会诱导小鼠进入代谢降低的蛰眠状态。

研究人员表示,被激活的神经元位于下丘脑的一个区域,而这也正是Sakurai等人发现的可以引发蛰眠的Q神经元所在的区域。当他们抑制了这些神经元的活性时,小鼠进入蛰眠的能力就会被破坏。

这项工作为了解大脑中控制身体基本状态的区域,提供了新的视角。德国马尔堡菲利普大学的生理学家Gerhard Heldmaier说:“我们知道下丘脑参与协调机体中的大多数自主过程,例如温度调节、循环、体重和能量平衡等。”他还表示:“从这些研究中,我们了解到下丘脑神经元不仅可以确保机体的稳定性,还可以改变生命进程的控制,使生命活动从‘快车道’进入‘慢车道’。”

下一步研究的关键是将研究扩大到更多的物种。在人类中是否可以成功诱发这些状态,还有待进一步检测,毕竟小型哺乳动物和大型哺乳动物的温度调节系统存在极大差异,因此尚不清楚相同区域的这些神经元是否会产生相同的作用。


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