科學家在小鼠和家兔腦中發現冬眠開關，對哺乳動物可能普遍適用。我們離實現人工冬眠又近了一步。
未來人工冬眠 | instagram
作者 | 張可可 生物學博士
責編 | 高佩雯
在太空旅行中，如何打發漫長時間，以及減少能耗？首選應該是人工冬眠。
在科幻電影中，我們經常看到人類進入冬眠的情節。為了穿越茫茫太空，航天員將漫長旅程變成甜美夢鄉。一些絕症患者，為了等待治癒之法，用冬眠將人生推遲到幾十年後的未來。
但冬眠在人類身上實現的可能性有多大呢？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。通過對特定的腦區施加藥物刺激，就能自如操縱實驗小鼠進入或脫離類冬眠的低代謝狀態。
這是人類第一次在動物體內發現和利用類似的調控機制。相關成果刊登在6月的《自然》雜誌。
冬眠：凍結時間的魔法
冬眠在自然界中並不鮮見。每到冬季來臨，刺蝟蜷縮進溫暖的草窠，蝙蝠蟄伏進幽暗的洞穴深處，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、鳥類等恆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、昆蟲等節肢動物以及陸生貝殼類動物因為缺乏有效的體溫調節機制，在冬天被動陷入的僵冷狀態。
對於作為恆溫動物的人類而言，更有研究價值的當然是狹義冬眠。
有冬眠習性的恆溫動物（刺蝟）和變溫動物（蛙）| 圖蟲，500PX
恆溫動物在陷入冬眠時，代謝率和體溫都會大幅下降。例如，西伯利亞花慄鼠在冬眠時，能量的消耗量只有正常狀態下的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度下降到區區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，就會從冬眠狀態下短暫清醒。
而即便是處於冬眠狀態，其體溫也始終保持恆定，就像體內存在一個可在兩種溫度之間切換的開關一樣。
冬眠是特定物種的固有習性，一般我們很難讓原本沒有冬眠習性的物種做出冬眠行為。由於人類常見的實驗動物如小鼠、家兔等，都沒有冬眠的習性，我們對冬眠的機理實際上知之甚少。
但是，令人驚奇的是，在此次日本科學家的新研究中，研究人員竟然讓原本不具有冬眠習性的小鼠和家兔，進入了類似冬眠的狀態！
腦區刺激，讓恆溫動物進入冬眠狀態
和人腦一樣，小鼠的大腦也有很多分區，不同分區有不同的功能。研究發現，只要對其丘腦下部的某個小區域施加特殊刺激，小鼠就會進入持續數天的低體溫、低代謝的休眠狀態，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，就能達到這樣驚人的效果，不禁令人大呼神奇。
詳細的分析顯示，進入休眠狀態的小鼠，體溫設定點（某種恆溫狀態下的體溫）大約為28度，比正常的37度低了足足9度。這個溫度可以認為是小鼠在該狀態下刻意維持的體溫，就像西伯利亞花慄鼠冬眠時的體溫為5度。
休眠狀態小鼠（右）和正常小鼠（左）體溫對比 | ref3
研究還發現，當外界溫度低於28度時，休眠小鼠會出現蜷縮身體，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，以儘可能讓體溫維持在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，不至於下降到威脅生命的程度。
由於冬眠動物們的溫度設定點都是在億萬年進化過程中形成的固有特徵，而較高的設定點意味新陳代謝率不會下降太大，因此，如何進一步降低休眠動物的體溫設定點，是今後研究的重點之一。
研究人員還對休眠狀態解除後的小鼠進行了測試，發現它們的運動能力和記憶能力並沒有受到可觀測的影響。身體解剖結果也顯示，它們的腦、心臟、肌肉等組織和臟器也沒有發生可見的改變。
更令人欣喜的是，同一隻小鼠可以在休眠和正常狀態之間反覆切換，說明這種休眠是可逆性的。這為實際應用提供了更多可能。
除了小鼠，科研人員對家兔也做了相同的實驗。家兔體重相當於小鼠的10倍，同樣沒有冬眠習性，但在實驗中也觀測到了類似的誘導冬眠現象。
接下來，研究人員還將把目光投向包括靈長目在內的一些更加高等的物種，以幫助我們向最終目標——人類冬眠邁進。
該研究的負責人、筑波大學醫療系的櫻井武教授說，「我們猜測，不論是否存在冬眠習性，休眠誘導神經都廣泛存在於哺乳動物腦中。當遇到食物短缺或者藥物刺激一類緊急情況時，它們的休眠誘導神經就可能被激活」。而這對於一些極端情況下的生存挑戰，顯然意義重大。
「冬眠開關」在哺乳動物中可能普遍存在 | unsplash
未來不止是星辰大海
實驗動物們表現出的可控低代謝，以及對極低體溫的耐性，表明在不損害生命活力的前提下，人為削減生物的氧氣和能量消耗將成為可能。
因為能耗大幅降低，肌體的老化速度也可能隨之大大下降，生物壽命也有望得以延長。這與未來太空旅行中人類的基本訴求完全一致。
而即便不提星際旅行，光是眼前豐富的應用場景，也足以讓人振奮。
例如，在醫療領域，重症病人的身體往往經不起過分消耗，很多時候還沒等到病灶去除，就先因為器官衰竭而失去生命。如果能人為降低其新陳代謝速率，病情的進展和身體的透支都將慢下來，就能為疾病治療創造有利條件。
還有危重傷病員的搬運問題。設想在未來，病人或傷員在遠離醫院的地方出現緊急情況，我們就可以在轉運途中將其身體調控至低代謝狀態，以便其在受到正規治療之前，保存好僅有的生命活力。
而冬眠現象還有一個吸引人的地方在於，冬眠動物在自我喚醒時，身體依舊可以保持原有的活力，肌肉也不會萎縮。這將有可能幫我們找到一些方法，讓久病臥床的人維持正常身體機能。
但話說回來，儘管有了這樣令人驚喜的突破，我們距離真正意義上的人工冬眠，還十分遙遠。
比如，這次的誘導休眠實驗，對於動物體溫的降低仍然有限，實驗小鼠的新陳代謝率還遠未下降到真正嚙齒類動物的冬眠水平。而該研究涉及的神經群是否真的是調控冬眠的關鍵，也有待更嚴密的論證。
但該研究無疑給我們打開了一扇窗，關於人工冬眠的種種前景，未來將不斷突破我們的想像。
人工冬眠將帶給我們無限想像 | Freepik.com
參考文獻：
1. A discreteneuronal circuit induces a hibernation-like state in rodents
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2163-6
2. Flipping theswitch on the thermoregulatory system
https://www.nature.com/articles/d41586-020-01600-5
3. 「究極の省エネ」、人工冬眠 筑波大がスイッチ発見
https://www.asahi.com/articles/photo/AS20200611004878.html
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