生命如何按下暂停键

本文来自微信公众号：神经现实（ID：neureality），作者：Ruth Williams，译者：Abraxas，题图来自：IC Photo

在6月11日《自然》上发表的两篇研究论文中，来自美国和日本的两组研究人员用不同方法独立发现了下丘脑中一群诱导冬眠（hibernation）和蛰眠*（torpor）样特征的神经元。这些特征包括低体温、低代谢和不活动。

译者注：文中蛰眠指日蛰眠（daily torpor），即发生在各个季节中的，持续时间短于24 小时浅蛰眠。

“尝试找出哪些神经元参与了诱导冬眠和蛰伏……是生物学家多年来一直感兴趣的事情。”未参与该研究的生物学家史蒂芬·斯沃普（Steven Swoap）说。他还表示，“这两个团队从不同的角度研究，最后几乎得到完全相同的结果，可以说相得益彰，十分精彩了。”

冬眠的花栗鼠

Michael Himbeault @Flickr

冬眠和蛰眠都是哺乳动物“假死”（suspended animation）的形式。它们有一些共同特征，比如显著的体温、代谢、心率、呼吸率和活动的降低，这些都被认为是在食物稀少时保存能量的方法。这些特征同时也被多种途径调节着。只不过，冬眠持续数周甚至数月，而蛰眠则每天持续数小时。

为什么包括熊，某些灵长类和啮齿类在内的一些哺乳动物能够进入休眠时期，而其他的则不能？答案依旧未知。但冬眠物种的多样性暗示着，控制这种状态的生物学机制可能在非冬眠物种中亦被保留，尽管它没有被利用。这种可能性激起了许多好点子，包括将休眠的宇航员送上长期星际旅行；以及更现实地，暂时性降低体温和代谢水平以保护病人的组织，比如患者因外伤受损伤的组织。

- 《Love, Death & Robots》 -

在考虑任何这类异想天开的方案之前，弄清冬眠是如何工作的至关重要。哈佛大学医学院博士后，神经生物学家司尼沙·赫瓦提（Sinisa Hrvatin）说，人们对在蛰眠和冬眠期间发生的生理变化了解很多，但“尚不清楚该过程是如何由大脑进行中央调控的”。

为了研究这一问题，赫瓦提和他的同事求助于实验小鼠，因为当这些动物被剥夺食物10个小时左右并在寒冷的温度下饲养时，它们进入了蛰眠的状态，赫瓦提解释道。

研究者将目光聚焦于下丘脑（大脑中调控包括进食、温度和睡眠在内的多种功能的一个区域），使用一种“精妙的遗传学技术”来标记小鼠进入蛰眠状态后被激活的神经元，斯沃普说道。之后，一旦动物被喂食并复原，这一技术就使研究者能够重新激活被标记的同一批神经元，将被喂食的动物送回蛰眠状态。斯沃普说：“这是个非常非常巨大的，重要的发现。”

“精妙的遗传学技术”

FosTRAP (Hrvatin et al., 2020)

研究者对蛰伏过程中被激活的神经元进行单细胞RNA测序（scRNA-seq），结果表明这些细胞中最大的亚群共同表达了PACAP（pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide）基因。在随后的实验中，仅在小鼠中激活这些PACAP阳性细胞，就可以诱导蛰眠。相反，在禁食小鼠中抑制PACAP细胞则会破坏正常的蛰眠。

与此同时，在日本，日本理化学研究所的砂川玄志郎（Genshiro Sunagawa），筑波大学的樱井武司（Takeshi Sakurai）和同事们正研究一小群下丘脑细胞的功能，这些细胞都表达一种称为QRFP（pyroglutamylated RF-amide peptide）的特殊神经肽。最初，该团队并没有猜想到这些细胞在冬眠或蛰眠中的作用，砂川和樱井在给《科学家》的一封电子邮件中解释说。

他们写道：“QRFP被认为参与调控进食、行为、交感调节以及情绪。”因此，当他们在小鼠中刺激产生QRFP的细胞（称为Q神经元）并发现其诱导了延长的蛰眠时，结果“完全出乎意料”。研究小组还发现，抑制Q神经元会损害正常的蛰眠。

与持续数小时的正常蛰眠不同，对Q神经元的刺激会导致持续数天的体温过低。加州大学旧金山分校的生理学家和行为学家扎卡里·奈特（Zackary Knight）并未参与此研究，他表示：“他们看到的蛰眠表型令人惊叹。这确实表明对这些细胞的刺激会改变某种转换，从而使动物处于长期的低代谢状态。”

- Takahashi et al., 2020 -

“这两篇论文……都发现了类似的一组神经元，它们位于小鼠大脑下丘脑的大致相同位置。最大的问题是，这两群神经元是相同的吗？”俄勒冈州健康与科学大学的神经科学家肖恩·莫里森（Shaun Morrison）说。

“我们发现一些Q神经元表达PACAP，”砂川和樱井写道，但是许多PACAP神经元不表达QRFP，这表明他们的Q神经元是赫瓦提及其同事发现的那些神经元的子集。

斯沃普说：“即使这些神经元不是同一神经元，它们也有可能相互交流。”下一步是确定这些神经元如何进行此类交流，以及哪些信号和因素会影响它们。有了这些知识，砂川和樱井写道：“我们推测低体温和低代谢也可能在包括人类在内的其他非冬眠哺乳动物中被诱发。”

参考文献：

S. Hrvatin et al., “Neurons that regulate mouse torpor,” Nature, doi:10.1038/s41586-020-2387-5, 2020.

T.M. Takahashi et al., “A discrete neuronal circuit induces a hibernation-like state in rodents,” Nature, doi:10.1038/s41586-020-2163-6, 2020.

原文：

https://www.the-scientist.com/news-opinion/discovered-brain-cells-that-control-hibernation-like-states-67624

本文来自微信公众号：神经现实（ID：neureality），作者：Ruth Williams，译者：Abraxas