一些哺乳動(dòng)物和鳥類有一種聰明的方法，通過進(jìn)入Torpor來保存能量和熱量，在此期間它們的體溫和代謝率下降，使它們能夠在潛在的致命環(huán)境條件下生存，例如極端寒冷或缺乏食物。

雖然在1960年代對(duì)飛向太空的科學(xué)家或患有危及生命的健康狀況的患者提出了類似的條件，但安全地誘導(dǎo)這種狀態(tài)仍然難以捉摸。

圣路易斯華盛頓大學(xué)副教授Hong Chen和一個(gè)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)通過使用超聲波刺激大腦中的下丘腦視前區(qū)域，誘導(dǎo)小鼠出現(xiàn)類似Torpor的狀態(tài)，這有助于調(diào)節(jié)體溫和新陳代謝。

除了自然進(jìn)入魚雷的老鼠之外，陳和她的團(tuán)隊(duì)在老鼠身上誘導(dǎo)了魚雷，而老鼠沒有。他們的研究結(jié)果發(fā)表在Nature Metabolism上，顯示了第一種通過靶向中樞神經(jīng)系統(tǒng)來誘導(dǎo)類似扭轉(zhuǎn)狀態(tài)的非侵入性和安全方法。

Chen，麥凱維工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程副教授和醫(yī)學(xué)院放射腫瘤學(xué)，和她的團(tuán)隊(duì)，包括博士后研究助理Yaoheng(Mack)Yang，創(chuàng)造了一種可穿戴超聲換能器來刺激下丘腦視前區(qū)域的神經(jīng)元。

當(dāng)受到刺激時(shí)，小鼠表現(xiàn)出約3攝氏度的體溫下降約一小時(shí)。此外，小鼠的新陳代謝從同時(shí)使用碳水化合物和脂肪作為能量轉(zhuǎn)變?yōu)閮H使用脂肪，這是Torpor的一個(gè)關(guān)鍵特征，并且在室溫下，它們的心率下降了約47%。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，隨著超聲波的聲壓和持續(xù)時(shí)間的增加，較低的體溫和較慢的新陳代謝的深度也隨之增加，稱為超聲誘導(dǎo)的體溫過低和代謝減退(UIH)。

“我們開發(fā)了一種自動(dòng)閉環(huán)反饋控制器，通過控制超聲輸出來實(shí)現(xiàn)長時(shí)間和穩(wěn)定的超聲誘導(dǎo)的體溫過低和代謝減退，”陳說。

“閉環(huán)反饋控制器將所需的體溫設(shè)置為低于34°C，此前曾報(bào)道這對(duì)小鼠的天然魚雷至關(guān)重要。這種反饋控制的UIH將小鼠體溫保持在32.95°C約24小時(shí)，并在超聲波關(guān)閉后恢復(fù)到正常溫度。

為了了解超聲波誘導(dǎo)的體溫過低和代謝減退是如何被激活的，研究小組研究了下丘腦視前區(qū)神經(jīng)元對(duì)超聲波的反應(yīng)活動(dòng)動(dòng)力學(xué)。他們觀察到神經(jīng)元活動(dòng)響應(yīng)每個(gè)超聲波脈沖的持續(xù)增加，這與小鼠體溫的變化一致。

“這些發(fā)現(xiàn)表明，UIH是由下丘腦視前區(qū)神經(jīng)元的超聲激活引起的，”楊說。“我們發(fā)現(xiàn)下丘腦視前區(qū)域的經(jīng)顱刺激足以誘導(dǎo)UIH，揭示了該區(qū)域在協(xié)調(diào)小鼠環(huán)狀狀態(tài)中的關(guān)鍵作用。

Chen和她的團(tuán)隊(duì)還想找到允許這些神經(jīng)元用超聲波激活的分子。通過基因測序，他們發(fā)現(xiàn)超聲波激活了下丘腦視前區(qū)神經(jīng)元中的TRPM2離子通道。在各種實(shí)驗(yàn)中，他們表明TRPM2是一種超聲敏感的離子通道，并有助于誘導(dǎo)UIH。

在不會(huì)自然進(jìn)入骯臟或冬眠的大鼠中，研究小組將超聲波傳遞到下丘腦視前區(qū)域，發(fā)現(xiàn)皮膚溫度降低，特別是在棕色脂肪組織區(qū)域，以及核心體溫下降約1攝氏度，類似于自然扭轉(zhuǎn)。

這個(gè)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)由醫(yī)學(xué)院病理學(xué)和免疫學(xué)助理教授喬納森·布雷斯托夫(Jonathan R. Brestoff)醫(yī)學(xué)博士組成;醫(yī)學(xué)院精神病學(xué)、麻醉學(xué)和神經(jīng)科學(xué)副教授Alexxai V. Kravitz和麥凱維工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程教授崔建民都在圣路易斯華盛頓大學(xué)。