《自然》：生命如何按下暫停鍵

2020-08-02 09:09

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創 Williams 神經前研

在6月11日《自然》上發表的兩篇研究論文中，來自美國和日本的兩組研究人員用不同方法獨立發現了下丘腦中一群誘導冬眠（hibernation）和蟄眠*（torpor）樣特征的神經元。這些特征包括低體溫、低代謝和不活動。

譯者注

* 文中蟄眠指日蟄眠（daily torpor），即發生在各個季節中的，持續時間短于24 小時淺蟄眠。

“嘗試找出哪些神經元參與了誘導冬眠和蟄伏……是生物學家多年來一直感興趣的事情。”未參與該研究的生物學家史蒂芬·斯沃普（Steven Swoap）說。他還表示，“這兩個團隊從不同的角度研究，最后幾乎得到完全相同的結果，可以說相得益彰，十分精彩了。”

冬眠的花栗鼠

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Michael Himbeault @Flickr

冬眠和蟄眠都是哺乳動物“假死”（suspended animation）的形式。它們有一些共同特征，比如顯著的體溫、代謝、心率、呼吸率和活動的降低，這些都被認為是在食物稀少時保存能量的方法。這些特征同時也被多種途徑調節著。只不過，冬眠持續數周甚至數月，而蟄眠則每天持續數小時。

為什么包括熊，某些靈長類和嚙齒類在內的一些哺乳動物能夠進入休眠時期，而其他的則不能？答案依舊未知。但冬眠物種的多樣性暗示著，控制這種狀態的生物學機制可能在非冬眠物種中亦被保留，盡管它沒有被利用。這種可能性激起了許多好點子，包括將休眠的宇航員送上長期星際旅行；以及更現實地，暫時性降低體溫和代謝水平以保護病人的組織，比如患者因外傷受損傷的組織。

- 《Love, Death & Robots》 -

在考慮任何這類異想天開的方案之前，弄清冬眠是如何工作的至關重要。哈佛大學醫學院博士后，神經生物學家司尼沙·赫瓦提（Sinisa Hrvatin）說，人們對在蟄眠和冬眠期間發生的生理變化了解很多，但“尚不清楚該過程是如何由大腦進行中央調控的”。

為了研究這一問題，赫瓦提和他的同事求助于實驗小鼠，因為當這些動物被剝奪食物10個小時左右并在寒冷的溫度下飼養時，它們進入了蟄眠的狀態，赫瓦提解釋道。

研究者將目光聚焦于下丘腦（大腦中調控包括進食、溫度和睡眠在內的多種功能的一個區域），使用一種“精妙的遺傳學技術”來標記小鼠進入蟄眠狀態后被激活的神經元，斯沃普說道。之后，一旦動物被喂食并復原，這一技術就使研究者能夠重新激活被標記的同一批神經元，將被喂食的動物送回蟄眠狀態。斯沃普說：“這是個非常非常巨大的，重要的發現。”

“精妙的遺傳學技術”

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FosTRAP (Hrvatin et al., 2020)

研究者對蟄伏過程中被激活的神經元進行單細胞RNA測序（scRNA-seq），結果表明這些細胞中最大的亞群共同表達了PACAP（pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide）基因。在隨后的實驗中，僅在小鼠中激活這些PACAP陽性細胞，就可以誘導蟄眠。相反，在禁食小鼠中抑制PACAP細胞則會破壞正常的蟄眠。

與此同時，在日本，日本理化學研究所的砂川玄志郎（Genshiro Sunagawa），筑波大學的櫻井武司（Takeshi Sakurai）和同事們正研究一小群下丘腦細胞的功能，這些細胞都表達一種稱為QRFP（pyroglutamylated RF-amide peptide）的特殊神經肽。最初，該團隊并沒有猜想到這些細胞在冬眠或蟄眠中的作用，砂川和櫻井在給《科學家》的一封電子郵件中解釋說。

他們寫道：“QRFP被認為參與調控進食、行為、交感調節以及情緒。”因此，當他們在小鼠中刺激產生QRFP的細胞（稱為Q神經元）并發現其誘導了延長的蟄眠時，結果“完全出乎意料”。研究小組還發現，抑制Q神經元會損害正常的蟄眠。

與持續數小時的正常蟄眠不同，對Q神經元的刺激會導致持續數天的體溫過低。加州大學舊金山分校的生理學家和行為學家扎卡里·奈特（Zackary Knight）并未參與此研究，他表示：“他們看到的蟄眠表型令人驚嘆。這確實表明對這些細胞的刺激會改變某種轉換，從而使動物處于長期的低代謝狀態。”