Ученые вызывают состояние, похожее на гибернацию, с помощью ультразвуковой стимуляции мозга

Ученые Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали метод, позволяющий вызвать у млекопитающих состояние, подобное оцепенению, с помощью ультразвуковой стимуляции мозга. Природа Метаболизм. Неинвазивный метод потенциально может быть использован в таких сценариях, как космические полеты, или для пациентов с тяжелыми заболеваниями для сохранения энергии и тепла.

У некоторых млекопитающих и птиц есть хитрый способ сохранять энергию и тепло, впадая в оцепенение, во время которого температура их тела и скорость метаболизма падают, чтобы позволить им выжить в потенциально смертельных условиях окружающей среды, таких как сильный холод или недостаток пищи. Хотя подобное состояние было предложено для ученых, совершавших полеты в космос в 1960-х годах, или для пациентов с опасными для жизни состояниями здоровья, безопасное вызывание такого состояния остается недостижимым.

Хонг Чен, адъюнкт-профессор Вашингтонского университета в Сент-Луисе, и междисциплинарная группа вызвали состояние, подобное оцепенению, у мышей, используя ультразвук для стимуляции преоптической области гипоталамуса в мозге, которая помогает регулировать температуру тела и обмен веществ. В дополнение к мыши, которая естественным образом впадает в оцепенение, Чен и ее команда вызвали оцепенение у крысы, которая этого не делает. Их выводы, опубликованные 25 мая в журнале Природа Метаболизмпоказать первый неинвазивный и безопасный метод вызвать состояние, подобное оцепенению, путем воздействия на центральную нервную систему.

Команда Чена использовала ультразвук, чтобы безопасно и неинвазивно вызвать оцепенение у мышей и крыс. Фото: Видео предоставлено лабораторией Чена, Вашингтонский университет в Сент-Луисе.

Чен, адъюнкт-профессор биомедицинской инженерии в Инженерной школе Маккелви и радиационной онкологии в Медицинской школе, и ее команда, в том числе Яохенг (Мак) Ян, научный сотрудник с докторской степенью, создали переносной ультразвуковой преобразователь для стимуляции нейронов в преоптическая зона гипоталамуса. При стимуляции у мышей наблюдалось падение температуры тела примерно на 3 градуса.

” data-gt-translate-атрибуты = “[{” attribute=””>Celsius for about one hour. In addition, the mice’s metabolism showed a change from using both carbohydrates and fat for energy to only fat, a key feature of torpor, and their heart rates fell by about 47%, all while at room temperature.

The team also found that as the acoustic pressure and duration of the ultrasound increased, so did the depth of the lower body temperature and slower metabolism, known as ultrasound-induced hypothermia and hypometabolism (UIH).

“We developed an automatic closed-loop feedback controller to achieve long-duration and stable ultrasound-induced hypothermia and hypometabolism by controlling of the ultrasound output,” Chen said. “The closed-loop feedback controller set the desired body temperature to be lower than 34 C, which was previously reported as critical for natural torpor in mice. This feedback-controlled UIH kept the mouse body temperature at 32.95 C for about 24 hours and recovered to normal temperature after ultrasound was off.”

To learn how ultrasound-induced hypothermia and hypometabolism is activated, the team studied the dynamics of the activity of neurons in the hypothalamus preoptic area in response to ultrasound. They observed a consistent increase in neuronal activity in response to each ultrasound pulse, which aligned with the changes in body temperature in the mice.

“These findings revealed that UIH was evoked by ultrasound activation of hypothalamus preoptic area neurons,” Yang said. “Our finding that transcranial stimulation of the hypothalamus preoptic area was sufficient to induce UIH revealed the critical role of this area in orchestrating a torpor-like state in mice.”

Chen and her team also wanted to find the molecule that allowed these neurons to activate with ultrasound. Through genetic sequencing, they found that ultrasound activated the TRPM2 ion channel in the hypothalamus preoptic area neurons. In a variety of experiments, they showed that TRPM2 is an ultrasound-sensitive ion channel and contributed to the induction of UIH.

In the rat, which does not naturally go into torpor or hibernation, the team delivered ultrasound to the hypothalamus preoptic area and found a decrease in skin temperature, particularly in the brown adipose tissue region, as well as about a 1 degree C drop in core body temperature, resembling natural torpor.

This multidisciplinary team consists of Jonathan R. Brestoff, MD, PhD, an assistant professor of pathology and immunology at the School of Medicine; Alexxai V. Kravitz, an associate professor of psychiatry, of anesthesiology and of neuroscience at the School of Medicine, and Jianmin Cui, a professor of biomedical engineering at the McKelvey School of Engineering, all at Washington University in St. Louis. The team also includes Michael R. Bruchas, a professor of anesthesiology and of pharmacology at the

Reference: “Induction of a torpor-like hypothermic and hypometabolic state in rodents by ultrasound” by Yaoheng Yang, Jinyun Yuan, Rachael L. Field, Dezhuang Ye, Zhongtao Hu, Kevin Xu, Lu Xu, Yan Gong, Yimei Yue, Alexxai V. Kravitz, Michael R. Bruchas, Jianmin Cui, Jonathan R. Brestoff and Hong Chen, 25 May 2023, Nature Metabolism.
DOI: 10.1038/s42255-023-00804-z

This work was supported by the