用超声波诱导类似扭转的状态

一些哺乳动物和鸟类有一种聪明的方法，通过进入Torpor来保存能量和热量，在此期间它们的体温和代谢率下降，使它们能够在潜在的致命环境条件下生存，例如极端寒冷或缺乏食物。

虽然在1960年代对飞向太空的科学家或患有危及生命的健康状况的患者提出了类似的条件，但安全地诱导这种状态仍然难以捉摸。

圣路易斯华盛顿大学副教授Hong Chen和一个多学科团队通过使用超声波刺激大脑中的下丘脑视前区域，诱导小鼠出现类似Torpor的状态，这有助于调节体温和新陈代谢。

除了自然进入鱼雷的老鼠之外，陈和她的团队在老鼠身上诱导了鱼雷，而老鼠没有。他们的研究结果发表在Nature Metabolism上，显示了第一种通过靶向中枢神经系统来诱导类似扭转状态的非侵入性和安全方法。

Chen，麦凯维工程学院生物医学工程副教授和医学院放射肿瘤学，和她的团队，包括博士后研究助理Yaoheng(Mack)Yang，创造了一种可穿戴超声换能器来刺激下丘脑视前区域的神经元。

当受到刺激时，小鼠表现出约3摄氏度的体温下降约一小时。此外，小鼠的新陈代谢从同时使用碳水化合物和脂肪作为能量转变为仅使用脂肪，这是Torpor的一个关键特征，并且在室温下，它们的心率下降了约47%。

研究小组还发现，随着超声波的声压和持续时间的增加，较低的体温和较慢的新陈代谢的深度也随之增加，称为超声诱导的体温过低和代谢减退(UIH)。

“我们开发了一种自动闭环反馈控制器，通过控制超声输出来实现长时间和稳定的超声诱导的体温过低和代谢减退，”陈说。

“闭环反馈控制器将所需的体温设置为低于34°C，此前曾报道这对小鼠的天然鱼雷至关重要。这种反馈控制的UIH将小鼠体温保持在32.95°C约24小时，并在超声波关闭后恢复到正常温度。

为了了解超声波诱导的体温过低和代谢减退是如何被激活的，研究小组研究了下丘脑视前区神经元对超声波的反应活动动力学。他们观察到神经元活动响应每个超声波脉冲的持续增加，这与小鼠体温的变化一致。

“这些发现表明，UIH是由下丘脑视前区神经元的超声激活引起的，”杨说。“我们发现下丘脑视前区域的经颅刺激足以诱导UIH，揭示了该区域在协调小鼠环状状态中的关键作用。

Chen和她的团队还想找到允许这些神经元用超声波激活的分子。通过基因测序，他们发现超声波激活了下丘脑视前区神经元中的TRPM2离子通道。在各种实验中，他们表明TRPM2是一种超声敏感的离子通道，并有助于诱导UIH。

在不会自然进入肮脏或冬眠的大鼠中，研究小组将超声波传递到下丘脑视前区域，发现皮肤温度降低，特别是在棕色脂肪组织区域，以及核心体温下降约1摄氏度，类似于自然扭转。

这个多学科团队由医学院病理学和免疫学助理教授乔纳森·布雷斯托夫(Jonathan R. Brestoff)医学博士组成;医学院精神病学、麻醉学和神经科学副教授Alexxai V. Kravitz和麦凯维工程学院生物医学工程教授崔建民都在圣路易斯华盛顿大学。