超声波诱导冬眠，这项技术能帮助宇航员前往遥远的火星吗？

理想情况下，未来前往陌生外星世界的宇航员将能够像熊一样冬眠。降低新陈代谢和体温的能力将在可能持续数年甚至数十年的深空飞行中派上用场。这不仅意味着机组人员会吃得更少，而且他们还能够在避免幽闭症的同时保存能量，并防止在零重力下肌肉和骨骼密度的损失。

宇航员不是熊。然而，研究人员正在努力想出我们可以模拟人类冬眠（也称为麻木）的方法，以帮助解决随着我们越来越接近殖民宇宙而无疑会变得更加重要的问题。

周四，华盛顿大学的一组科学家在《自然新陈代谢》杂志上发表了一项研究，他们成功地利用超声波诱导小鼠和大鼠进入类似冬眠的状态。该方法是非侵入性的，针对大脑区域以诱导啮齿动物进入麻木状态。

“超声波是唯一可用的能量形式，可以高精度且无电离辐射地非侵入性地聚焦于大脑内的任何位置，”圣路易斯华盛顿大学的医学超声研究员、该论文的合著者 Hong Chen 说。电子邮件中的每日野兽。“我们很好奇超声波是否可以无创地打开开关以诱发类似麻木的状态。”

Torpor 是一种状态，在这种状态下，哺乳动物会降低其新陈代谢和体温，并从根本上减慢其整个系统的速度，以尽可能多地保存能量。作者写道，状态由中枢神经系统控制。所以这个想法是针对控制神经系统的下丘脑，可能会诱发冬眠。应该注意的是，虽然老鼠在极度寒冷的时候会进入这种状态，但老鼠不会。

该团队开发了一种超声波发射器并将其安装在老鼠的头上。然后，他们在下丘脑上触发了 10 秒的超声波脉冲，这导致生物的体温、心率和耗氧量立即下降平均 6 华氏度。该团队还能够使他们的设备自动化，因此只要老鼠的体温升高，它就会用超声波冲击老鼠的大脑，让它们安全地保持麻木状态长达 24 小时。实验后两小时内，动物就能够完全康复。

图片来源：nature

用于诱导麻木样低体温和低代谢状态的超声设备

a，超声波（US）诱导的麻木样状态的图示。b，可穿戴超声探头的图示（上）。探针被插入粘在老鼠头上的底板上。使用可穿戴美国探头对小鼠头部进行的 MRI 显示，超声波是非侵入性地靶向 POA（插入）。底部显示了附有可穿戴美国探头的自由移动鼠标的照片。c，本研究中使用的美国刺激波形图。ISI，刺激间隔；PD，脉冲持续时间；PRF，脉冲重复频率。d, US 探头表面（顶部）和内部（底部）温度 (T) 升高的校准。当美国探头瞄准 POA 或皮质时，探头内部的温度是在压电材料和鼠标头之间测量的。选择皮质作为脱靶对照。美国超声处理由粉红色条表示。n  = 6 只小鼠（顶部）和n  = 4 只小鼠（底部）。实线和阴影表示平均值±sem

POA 的超声刺激会导致体温过低和代谢减退

a，在 POA 处接受美国刺激的小鼠的红外热图像（顶部）和照片（底部）。US 换能器探头用虚线圆圈标记。b、BAT 温度 (T BAT )、尾部温度 (T tail ) 和 POA US 刺激小鼠的身体活动（US + , n  = 12 只小鼠）与两个对照组相比：没有超声处理的小鼠（US – , n  = 12 只小鼠）和在皮层进行美国刺激的小鼠作为脱靶对照（脱靶，n  = 6 只小鼠）。美国超声处理由粉红色条表示。c , 核心体温 (T core ), 代谢率 (VO 2) 和美国的RQ (VCO 2 /VO 2 ) + ( n  = 13 只小鼠用于 T核心，n  = 17 只小鼠用于 VO 2和 RQ)，美国– ( n  = 14 只小鼠用于 T核心，n  = 18 只小鼠用于VO 2和 RQ）和脱靶组（n  = 4 只小鼠用于 T核心、VO 2和 RQ）（上图，从左到右）。最大 ΔT核心（最低 T核心- US 之前的 平均 T核心），最大 ΔVO 2（最低 VO 2  - 平均 VO 2US 之前）和最大 ΔRQ（最低 RQ - US 之前的平均 RQ）（底部，从左到右）。雄性和雌性小鼠分别表示为蓝色和粉红色的点。d，US 刺激之前（顶部）和之后（底部）小鼠的代表性 ECG 轨迹。e，US +（n  = 9 只小鼠）、US –（n  = 5 只小鼠）和脱靶（n  = 5 只小鼠，靶向海马体）组（左）US 刺激前后的心率。在脱靶和美国之间没有发现显着差异-在整个录制时间内分组。比较美国刺激前的心率和美国刺激后 10 分钟内美国刺激在 POA 时达到的最低心率（右）。bpm，每分钟节拍数。实线和阴影表示平均值±sem 误差条表示sem 每个点代表一只小鼠。使用单向方差分析计算P值，然后在c和e（左）中进行 Dunnett 事后检验，分别将美国+和脱靶组与美国-组进行比较，并进行双尾配对t检验在e（右）。

该研究的作者还能够在大鼠（另一种不冬眠的生物）中重复实验长达 12 小时，并发现了类似的结果。然而，老鼠的体温平均下降了 2 到 4 华氏度，而不是 6 华氏度，部分原因是它们不会自然冬眠。然而，它确实表明他们可以通过正确的技术进入麻木状态。

精确控制超声波引起的低温的深度和持续时间。

a，在不同声压（左）和刺激持续时间（右）下用超声刺激测量的 T BAT。曲线中的实线和阴影表示平均值 ± sem b ，最大 ΔT BAT（最低 T BAT - US 之前的平均 T BAT）与声压（左）或刺激持续时间（右）之间的相关性。n  = 0.4-MPa、1.2-MPa、2-s、4-s 和 6-s 组的 4 只小鼠；n  = 7 对于 0-MPa 和 0-s 组；n  = 3 对于 0.8-MPa 和 8-s 组，n  = 6 对于 1.6 MPa 和 10-s 组）。误差线表示 sem c, 用于实现长时间 UIH 的闭环反馈控制系统示意图（使用 BioRender.com 创建）。d ，在一只小鼠中用闭环反馈控制的 UIH 测量的代表性 T核心。美国的每一项刺激措施都由一个粉红色的圆点表示。e ， 通过闭环反馈控制系统实现的平均 T核心（左）和 T核心< 34 °C 时的持续时间（右）的量化。f ，与对照小鼠（  US −，n = 4 只小鼠）。对于箱形图，中心线和箱形边界表示使用双尾非配对t检验计算的平均值±sem P值。

“这种状态可以在不会自然进入麻木状态的老鼠身上诱发，这一发现表明，类似的效果可能会在人类身上诱发，”陈说。

当然，还需要进一步的研究来确定它是否对人类有效。陈补充说，该团队希望最终将该技术用于人体试验。他们或许能够证明，对大脑进行超声波爆破是让我们像熊一样休息的好方法。

该技术的影响是巨大的。它不仅可以帮助我们解决长时间穿越遥远宇宙的棘手问题，还可以通过减缓新陈代谢来帮助我们应对中风或心脏病等危及生命的紧急情况。

如果可行，这项技术有可能减少长期载人航天飞行中的能源消耗，并延长紧急情况下救生医疗的时间。世界上可能没有足够的褪黑激素来让我们为前往半人马座阿尔法星的长途旅行做好准备。

本文参考引用：

Yang, Y., Yuan, J., Field, R.L. 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