作者:刁雯蕙 孙露佳 来源: 医学科学报 发布时间:2023-1-20
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人类可以冬眠吗?体温调控有望实现

 

■本报记者 刁雯蕙 通讯员 孙露佳

在科幻电影中,人们设想能在冬眠中飞往外太空,或得到生命的延续。那么,人类可以冬眠吗?我们距离人工冬眠还有多远?

近日,中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院王虹和戴辑团队,在非人灵长类身上实现了基于中枢神经调控的稳定体温调节,揭示了下丘脑视前区(POA)在灵长类动物体温调节中的作用,绘制了体温降低过程中全脑特异激活的神经网络,以及灵长类对抗失温的体温保护机制,为潜在的临床转化和航天应用提供了理论和实验支撑。

该成果在线发表于《创新》。审稿人在评价中指出,该研究对于理解非人灵长类和人类的体温调节产生深远影响。期刊编辑认为,这项研究为实现人类休眠跨出重要一步,为临床转化和航天应用打下基础。

探索休眠机制 实现猕猴体温调控

冬眠是一些物种为适应极端生存环境,趋同演化出的一种周期性生理现象。冬眠与日间休眠的动物,通过抑制机体的代谢率,达到全身水平的低体温、低能量消耗,同时这个过程伴随着基因表达、解剖结构、生理参数的剧烈变化。在冬眠过程中,虽然动物停止进食、饮水等维系生存的必要行为,但是从休眠中苏醒后,动物能够继续生存,其肌肉也不会发生萎缩。有研究表明,休眠的动物对衰老和辐射有一定的抵抗作用。

在动物界,能自然休眠的动物并不多,其中只有一种灵长类动物,即狐猴,包括人类在内的灵长类动物都不能自然休眠。科学家希望破解自然休眠动物的奥秘,建立诱发休眠的技术,并在人体中实现休眠,但至今没有实现。

随着神经科学研究的进步,POA逐渐成为该领域的研究热点。此前的研究表明,在转基因小鼠脑内,特异性激活POA脑区神经元,可以促使小鼠在1至2个小时内体温降至28℃,并且维持十余个小时低温状态。同时,该调控还促进小鼠增加散热、降低心率和活动量。这个现象与小鼠的自然休眠有类似之处。如果特异激活相同脑区,是否可以在非人灵长类动物中实现定时降低体温甚至休眠呢?

对此,王虹和戴辑团队利用化学遗传学工具,以非人灵长类动物为模型,展开神经调控体温研究,同时采用无线体温遥测、自主活动定量监测、生理生化测定及功能核磁共振成像等技术,研究动物体温调控的系统机制。团队发现,利用化学遗传技术精准提高猕猴POA脑区的一类在进化上保守的兴奋性神经元的活性,可以促进动物降低体温。

“我们发现,非人灵长类动物对体温的变化非常敏感,这与小鼠存在显著差异。当体温降低约0.5℃时,非人灵长类动物已经通过加速心率、肌肉战栗、收缩外周血管等调节形式进行自主神经机制产热,以抵抗体温降低。同时,非人灵长类动物还会大幅增加运动量,通过运动产热,抵御体温降低。”论文共同通讯作者王虹分析说。由此可见,非人灵长类动物有着更强的御寒能力,其体温调节机制较小鼠更加精密复杂。

为进一步了解POA调控体温的脑网络机制,研究团队通过功能核磁共振成像的方法评估了POA激活前后全脑水平的神经网络变化,发现化学遗传学刺激方法不仅激活了POA局部网络,也特异性激活了与温度、心率及内感相关的多个核团(如岛叶皮层IC等)。通过功能连接分析等定量化方法,研究团队绘制了体温降低过程中全脑特异激活的神经网络。

历时5年 向人工冬眠迈进

21世纪以来,美国宇航局和欧洲航天局陆续提出诱导人类“休眠”的设想,以期实现深空探索计划。这里的“休眠”是通过各种技术手段降低人的核心体温,使代谢变得“迟钝”,不仅可以减少物资消耗,还能减少对航天员的精神健康威胁。“休眠”的主要目的是降低体温和代谢,例如冬眠动物的代谢率可降低80%~98%,目前还不能在人身上诱导实现。

团队历时5年,通过反复实验,解决了如何在非人灵长类动物身上使用化学遗传技术、如何监测清醒动物生理生化指标等关键技术问题。他们利用化学遗传学手段,通过操控下丘脑兴奋性神经元,稳定降低了灵长类动物的体温,进一步为人工冬眠漫长的探索道路带来重要借鉴意义。

此外,该研究还明确了灵长类动物体温调节中枢的功能,探索了与体温调节相关的全脑功能网络连接,为潜在的临床转化和航天应用提供理论和实验支撑。

“通过降低体温来降低神经元对能量的需求,被证实在中风等脑疾病的小鼠模型中具有神经保护作用。但小鼠作为自然休眠的物种,对低温耐受能力很高,如何将基于小鼠的研究成果,推广到体形为其数千倍的人身上,还有着漫长的距离。”论文共同通讯作者戴辑说道。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100358

《医学科学报》 (2023-01-20 第6版 国内)
 
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