超声波冬眠法，离我们越来越近了

出品：科普中国

作者：地星引力（科普创作者）

监制：中国科普博览

编者按：为解码生命科学最新奥秘，科普中国前沿科技项目推出“生命新知”系列文章，从独特的视角，解读生命现象，揭示生物奥秘。让我们深入生命世界，探索无限可能。

对于某些物种来说，当外部情况变得恶劣时，它们会进入一种“冬眠”状态，降低体温并减缓新陈代谢，就像把身体放在“待机”模式一样。虽然人类不会自发进入这种状态，但我们身边很多动物有这样的功能，比如松鼠和熊等。

冬眠睡鼠

（图片来源：veer图库）

一直以来，科学家都致力于让人类也具备进入类似的冬眠状态的功能，因为这可能会在一些特殊情境中发挥作用，比如重症监护室（ICU）中对病人的治疗，以及长途太空旅行。

成功冬眠的小鼠

一项研究发现，通过使用治疗性的超声波瞄准小鼠大脑的深层区域，科学家们让小鼠成功进入了类似冬眠的状态。这一技术不需要做复杂的手术，因为手术很有可能对大脑造成伤害。

不过，小鼠天生就具备进入这种冬眠状态的能力，因此，研究人员还在天生不具备冬眠能力的大鼠身上测试了这项技术。研究成果于2023年在《自然-代谢》杂志上发表，这为通过超声波调控大脑其他生理活动的研究提供了潜在可能。

冬眠的新实验

（图片来源：参考文献1）

为了非侵入性地诱发类似冬眠的状态，研究人员在小鼠身上放置了一个类似头盔的探针，用超声波波束刺激大脑的深层结构。研究团队选择了与医学用途（例如产前筛查）使用频率不同的超声波频率，目标区域是下丘脑的前视区，该区域包含先前研究表明在冬眠中发挥作用的神经元。

通过刺激这些神经元，它们会向褐色脂肪组织发送信号，这是位于上背部的高代谢脂肪组织，当温度过低时负责升高体温。来自前视区的超声波刺激信号抑制了小鼠褐色脂肪的活动，从而防止它升高体温。

为了确认降温，研究人员使用红外摄像机跟踪褐色脂肪区域的皮肤冷却情况以及动物尾巴的散热情况。同时，他们还测量到小鼠氧气利用的减少，从而再次确认了小鼠新陈代谢的减缓。

除了降温的脂肪和新陈代谢迟缓，小鼠还表现出了类似冬眠状态的其他迹象，如运动减少和心率下降。

实验中的小鼠体温降低了

（图片来源：参考文献1）

不过，小鼠可以在受到惊吓或压力时自发进入冬眠状态。为了确保温度下降是由超声波引发的，而不是来源于压力或恐惧，研究人员将其注意力转向了不具备这种自然反应的大鼠。

结果显示，超声波信号同样在大鼠中诱发了更低的体温，这表明超声波波束作用于前视区是导致类似冬眠状态的原因。

不过科学家表示，大鼠实验只是一个概念验证的过程，这项研究要取得实际应用还有很长的路要走。

研究人员实现了刺激过程的自动化，以保持动物处于类似冬眠的状态。当体温上升时，超声波刺激会重新启动，将体温降低，就像调节器一样。在实验中，小鼠在这种状态下保持了24小时，关闭超声刺激后，正常体温和新陈代谢迅速恢复，并且没有对小鼠产生明显的负面影响。

深入研究这种刺激作用下细胞的反应发现，超声波波束影响了离子（如钙离子）流入前视神经元的过程，触发了到褐色脂肪的信号，防止它升高体温。当研究人员去除负责控制这种流动的蛋白质时，超声波对降低体温的效果减小。

超声波通过激活POA中的神经元引起体温过低和代谢减退

（图片来源：参考文献1）

这些结果表明，这种蛋白质就像一个“纳米开关”——这是该研究中最重要的发现，因为其他大脑区域中可能也存在对超声波波束敏感的类似蛋白质。

在之前的类似研究中，要达到这种效果，需要科学家将一种蛋白质的基因注入目标区域，以帮助激活受刺激的细胞（利用光线或药物刺激），实验过程复杂且危险。而这项新方法是非侵入性的，不仅安全，而且还足够灵活，可以随时根据需要调整超声波刺激，具有非常大的应用潜力。

但是通过使用超声波波束来改变大脑的行为可能涉及伦理问题——尤其当未来的实验涉及人类时，这需要更多的研究和更慎重的考虑。

人类实现冬眠还需要多久？

如果能够在人类身上实现非侵入性诱导冬眠，那么这将会产生广泛的应用。

其中一个潜在应用，就是为中风或心脏病患者争取更多时间，让他们在前往医院的过程中保持安全。因为这两种紧急情况会导致受影响组织缺氧，由于冬眠需要更少的氧气，因此可以延缓或预防损伤。此外，在重症监护室中，诱导冬眠也可能会减少患者护理所需的众多药物和监测措施。

这项技术另一个可能的重要应用，就是让人们可以在太空旅行中轻松度过漫长的时光。

研究人员表示，该研究的下一个目标应该是在较大的非人类动物——可能是猪身上进行测试，它们没有毛发，体温与人类相似，因此最接近人类。之后，这一技术会循序渐进地应用到猴子身上，最后才是人类，因此未来还有漫长的路要走。

参考文献

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).