用超声波诱导麻木样状态

一些哺乳动物和鸟类有一种聪明的方法，可以通过进入麻木状态来保存能量和热量，在此期间，它们的体温和新陈代谢率会下降，从而使它们能够在环境中可能致命的条件下生存下来，例如极度寒冷或缺乏食物。虽然在 1960 年代为飞往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有助于调节体温和新陈代谢的下丘脑视前区，在小鼠体内诱导出类似麻木的状态。除了自然进入麻木状态的老鼠，Chen 和她的团队还在老鼠身上诱导了麻木，而老鼠却没有。他们的发现于 2023 年 5 月 25 日发表在《自然代谢》杂志上，展示了第一种通过靶向中枢神经系统来诱导麻木样状态的无创且安全的方法。

McKelvey 工程学院生物医学工程副教授和医学院放射肿瘤学副教授 Chen 和她的团队，包括博士后研究员 Yaoheng (Mack) Yang，创造了一种可穿戴超声换能器来刺激神经元中的神经元下丘脑视前区。当受到刺激时，小鼠的体温下降约 3 摄氏度，持续约 1 小时。此外，小鼠的新陈代谢显示出从同时使用碳水化合物和脂肪获取能量到仅使用脂肪的变化，这是麻木的一个关键特征，并且在室温下，它们的心率下降了约 47%。

研究小组还发现，随着超声声压和持续时间的增加，体温降低和新陈代谢减慢的深度也会增加，这被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，通过控制超声输出实现长时间稳定的超声诱导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 摄氏度，此前据报道这对小鼠的自然麻木至关重要。这种反馈控制的 UIH 使小鼠体温保持在 32.95C 约 24 小时，并在超声波关闭后恢复到正常温度。”

为了了解超声波引起的体温过低和代谢减退是如何被激活的，该团队研究了下丘脑视前区神经元活动的动态变化以响应超声波。他们观察到响应每个超声波脉冲的神经元活动持续增加，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，”Yang 说。“我们发现对下丘脑视前区的经颅刺激足以诱发 UIH，揭示了该区域在协调小鼠麻木样状态中的关键作用。”

陈和她的团队还想找到让这些神经元被超声波激活的分子。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 是一种超声敏感离子通道，有助于诱导 UIH。

在不会自然进入麻木或冬眠状态的大鼠中，研究小组将超声波传送到下丘脑视前区，发现皮肤温度下降，特别是在棕色脂肪组织区域，核心温度下降约 1 摄氏度体温，类似于自然麻木。

这个多学科团队包括 Jonathan R. Brestoff，医学博士，医学博士，医学院病理学和免疫学助理教授;圣路易斯华盛顿大学医学院精神病学、麻醉学和神经科学副教授 Alexxai V. Kravitz 以及麦凯维工程学院生物医学工程教授 Jianmin Cui。该团队还包括华盛顿大学麻醉学和药理学教授 Michael R. Bruchas。

“UIH 有可能实现长期追求的目标，即实现无创和安全诱导类麻木状态，至少自 1960 年代以来，科学界一直在追求这一目标，”陈说。“超声波刺激具有独特的能力，可以无创地到达大脑深部区域，在动物和人类大脑中具有很高的空间和时间精度。”