科學(xué)家在小鼠和家兔腦中發(fā)現(xiàn)冬眠開關(guān)，電影中的人工冬眠還遠(yuǎn)嗎？

開米藍(lán) 2020-07-19

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科學(xué)家在小鼠和家兔腦中發(fā)現(xiàn)冬眠開關(guān)，對哺乳動物可能普遍適用。我們離實現(xiàn)人工冬眠又近了一步。

未來人工冬眠 | instagram

作者 | 張可可生物學(xué)博士

責(zé)編 | 高佩雯

在太空旅行中，如何打發(fā)漫長時間，以及減少能耗？首選應(yīng)該是人工冬眠。

在科幻電影中，我們經(jīng)常看到人類進(jìn)入冬眠的情節(jié)。為了穿越茫茫太空，航天員將漫長旅程變成甜美夢鄉(xiāng)。一些絕癥患者，為了等待治愈之法，用冬眠將人生推遲到幾十年后的未來。

但冬眠在人類身上實現(xiàn)的可能性有多大呢？目前是一個很難說清的問題。不過，層出不窮的新研究，為人工冬眠注入了現(xiàn)實色彩。

最近一項來自日本的研究，首次在大腦中找到了一個控制冬眠的開關(guān)。通過對特定的腦區(qū)施加藥物刺激，就能自如操縱實驗小鼠進(jìn)入或脫離類冬眠的低代謝狀態(tài)。

這是人類第一次在動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)和利用類似的調(diào)控機(jī)制。相關(guān)成果刊登在6月的《自然》雜志。

冬眠：凍結(jié)時間的魔法

冬眠在自然界中并不鮮見。每到冬季來臨，刺猬蜷縮進(jìn)溫暖的草窠，蝙蝠蟄伏進(jìn)幽暗的洞穴深處，蜂鳥也會陷入短暫的沉睡……蝸牛、昆蟲、青蛙、蛇等也沒辦法像夏天一樣生龍活虎，紛紛委身天地間，將自己“封印”在積雪和堅冰之下。

哺乳動物、鳥類等恒溫動物主動抑制身體代謝活動速率、降低體溫以度過食物稀少的冬天的行為，被稱為狹義冬眠。

而廣義的冬眠還包括魚類、兩棲類、爬行類、昆蟲等節(jié)肢動物以及陸生貝殼類動物因為缺乏有效的體溫調(diào)節(jié)機(jī)制，在冬天被動陷入的僵冷狀態(tài)。

對于作為恒溫動物的人類而言，更有研究價值的當(dāng)然是狹義冬眠。

有冬眠習(xí)性的恒溫動物（刺猬）和變溫動物（蛙）

恒溫動物在陷入冬眠時，代謝率和體溫都會大幅下降。例如，西伯利亞花栗鼠在冬眠時，能量的消耗量只有正常狀態(tài)下的13%，心率從每分鐘400次下降到10次，呼吸從每分鐘200次下降到1到5次，體溫更是從37度下降到區(qū)區(qū)5度。加利福尼亞金背黃鼠冬眠時，體溫則會從39度降到2度。

在冬眠狀態(tài)下，它們身體的感覺仍然存在，這和變溫動物很不同。如果對其施加強烈的觸摸或聲音刺激，就會從冬眠狀態(tài)下短暫清醒。

而即便是處于冬眠狀態(tài)，其體溫也始終保持恒定，就像體內(nèi)存在一個可在兩種溫度之間切換的開關(guān)一樣。

冬眠是特定物種的固有習(xí)性，一般我們很難讓原本沒有冬眠習(xí)性的物種做出冬眠行為。由于人類常見的實驗動物如小鼠、家兔等，都沒有冬眠的習(xí)性，我們對冬眠的機(jī)理實際上知之甚少。

但是，令人驚奇的是，在此次日本科學(xué)家的新研究中，研究人員竟然讓原本不具有冬眠習(xí)性的小鼠和家兔，進(jìn)入了類似冬眠的狀態(tài)！

腦區(qū)刺激，讓恒溫動物進(jìn)入冬眠狀態(tài)

和人腦一樣，小鼠的大腦也有很多分區(qū)，不同分區(qū)有不同的功能。研究發(fā)現(xiàn)，只要對其丘腦下部的某個小區(qū)域施加特殊刺激，小鼠就會進(jìn)入持續(xù)數(shù)天的低體溫、低代謝的休眠狀態(tài)，與冬眠行為十分相似。

刺激的方式也非常簡單，只是向小鼠靜脈中注射一種名為CNO的藥物。如此簡單的方法，就能達(dá)到這樣驚人的效果，不禁令人大呼神奇。

詳細(xì)的分析顯示，進(jìn)入休眠狀態(tài)的小鼠，體溫設(shè)定點（某種恒溫狀態(tài)下的體溫）大約為28度，比正常的37度低了足足9度。這個溫度可以認(rèn)為是小鼠在該狀態(tài)下刻意維持的體溫，就像西伯利亞花栗鼠冬眠時的體溫為5度。

休眠狀態(tài)小鼠（右）和正常小鼠（左）體溫對比 | ref3

研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外界溫度低于28度時，休眠小鼠會出現(xiàn)蜷縮身體，肌肉震顫等行為。與此同時，本來大大減緩的新陳代謝速度急劇增加，以盡可能讓體溫維持在20度以上。

這說明實驗小鼠即便是在休眠狀態(tài)下，也會通過一系列（或許是無意識的）行為讓體溫維持在適宜水平，不至于下降到威脅生命的程度。

由于冬眠動物們的溫度設(shè)定點都是在億萬年進(jìn)化過程中形成的固有特征，而較高的設(shè)定點意味新陳代謝率不會下降太大，因此，如何進(jìn)一步降低休眠動物的體溫設(shè)定點，是今后研究的重點之一。

研究人員還對休眠狀態(tài)解除后的小鼠進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)它們的運動能力和記憶能力并沒有受到可觀測的影響。身體解剖結(jié)果也顯示，它們的腦、心臟、肌肉等組織和臟器也沒有發(fā)生可見的改變。

更令人欣喜的是，同一只小鼠可以在休眠和正常狀態(tài)之間反復(fù)切換，說明這種休眠是可逆性的。這為實際應(yīng)用提供了更多可能。

除了小鼠，科研人員對家兔也做了相同的實驗。家兔體重相當(dāng)于小鼠的10倍，同樣沒有冬眠習(xí)性，但在實驗中也觀測到了類似的誘導(dǎo)冬眠現(xiàn)象。

接下來，研究人員還將把目光投向包括靈長目在內(nèi)的一些更加高等的物種，以幫助我們向最終目標(biāo)——人類冬眠邁進(jìn)。

該研究的負(fù)責(zé)人、筑波大學(xué)醫(yī)療系的櫻井武教授說，“我們猜測，不論是否存在冬眠習(xí)性，休眠誘導(dǎo)神經(jīng)都廣泛存在于哺乳動物腦中。當(dāng)遇到食物短缺或者藥物刺激一類緊急情況時，它們的休眠誘導(dǎo)神經(jīng)就可能被激活”。而這對于一些極端情況下的生存挑戰(zhàn)，顯然意義重大。