用超音波讓動物進入冬眠狀態

有些哺乳動物和鳥類會在冬天的時候進入冬眠狀態來降低能量消耗，其期間牠們的體溫和新陳代謝率皆會下降，使其能夠在困苦的環境中存活，例如極端寒冷或缺乏食物等。二十世紀 1960 年代時，有人提議當科學家在進行太空飛行時，或當人在患有危及性命的重大疾病時，可以讓其進入冬眠狀態，但在當時並沒有一種安全的方式可以讓人進入冬眠狀態。

去年有篇刊在 Nature Communications 的研究顯示，用深層腦部刺激(deep brain stimulation, DBS)去刺激 WSNs (warm-sensitive neurones) 神經細胞，可以快速降低老鼠的核心體溫至 32-34°C，使牠們進入類似冬眠的狀態。在缺氧性中風的老鼠模型中，這個方法可以達到治療效果。不過，DBS 是侵入試治療。

最近，聖路易華盛頓大學(Washington University in St. Louis)的研究團隊則是用超音波去誘發冬眠狀態，這是第一個非侵入性且安全的方式。他們用超音波去刺激腦部的下視丘視前區(hypothalamus preoptic area, POA)，一個控制體溫和代謝的地方，使小鼠進入了冬眠的狀態。

超音波刺激可以系統性的抑制代謝和能量產生，在刺激了老鼠下視丘視前區的神經細胞後，老鼠的體溫會持續約一小時下降約 3C，維持在 33C 左右，心跳下降約 47%。除此之外，牠們的代謝模式也從使用碳水化合物和脂肪為能量，轉變成只使用脂肪為能量來源，這是冬眠的主要特徵，可以在室溫下就觀察到。隨著超音波的壓力和持續時間增加，體溫降低和新陳代謝減慢的程度也增加，這稱為超音波誘導的低溫和低代謝(ultrasound-induced hypothermia and hypometabolism, UIH)。



研究團隊在老鼠進入 UIH 狀態後，用 RNA-Seq 去定序 POA 神經細胞裡的基因表現，發現超音波會活化下視丘視前區神經元中的 TRPM2 離子通道對超音波很敏感，K/O TRPM2 基因的話會抑制 UIH，表示 TRMP2 在引發 UIH 中扮演著重要的角色。

這個研究發現，單次的超音波刺激就足以誘發長達一個小時的低溫和低代謝狀態，每次的超音波刺激都會增加神經元活動，與小鼠體溫的變化相吻合。當超音波關掉後，老鼠的體溫就會恢復正常。在不冬眠的大鼠身上，用超音波刺激下視丘視前區後也有觀察到皮膚溫度下降的情形，特別是在棕色脂肪組織區域，而核心體溫也下降約 1C，類似於自然的冬眠狀態。

沒想到誘發冬眠狀態那麼簡單嗎？不知道是否可以應用在人類身上。



Articles:

Induction of a torpor-like state with ultrasound - Washington University in St. Louis

ScienceDaily | Induction of a torpor-like state with ultrasound: Chen's team used ultrasound to safely, noninvasively induce a torpor-like state in mice, rats


Publications:

Y Yang, J Yuan, RL Field et al. Induction of a torpor-like hypothermic and hypometabolic state in rodents by ultrasound. Nat Metab (2023) DOI: 10.1038/s42255-023-00804-z