原創(chuàng) Williams 神經(jīng)前研

在6月11日《自然》上發(fā)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(fā)現(xiàn)了下丘腦中一群誘導(dǎo)冬眠（hibernation）和蟄眠*（torpor）樣特征的神經(jīng)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(fā)生在各個季節(jié)中的，持續(xù)時間短于24 小時淺蟄眠。

“嘗試找出哪些神經(jīng)元參與了誘導(dǎo)冬眠和蟄伏……是生物學(xué)家多年來一直感興趣的事情。”未參與該研究的生物學(xué)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(jié)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(diào)節(jié)著。只不過，冬眠持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月，而蟄眠則每天持續(xù)數(shù)小時。

為什么包括熊，某些靈長類和嚙齒類在內(nèi)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(tài)的生物學(xué)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(xiàn)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(guān)重要。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后，神經(jīng)生物學(xué)家司尼沙·赫瓦提（Sinisa Hrvatin）說，人們對在蟄眠和冬眠期間發(fā)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(diào)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(yǎng)時，它們進入了蟄眠的狀態(tài)，赫瓦提解釋道。

研究者將目光聚焦于下丘腦（大腦中調(diào)控包括進食、溫度和睡眠在內(nèi)的多種功能的一個區(qū)域），使用一種“精妙的遺傳學(xué)技術(shù)”來標記小鼠進入蟄眠狀態(tài)后被激活的神經(jīng)元，斯沃普說道。之后，一旦動物被喂食并復(fù)原，這一技術(shù)就使研究者能夠重新激活被標記的同一批神經(jīng)元，將被喂食的動物送回蟄眠狀態(tài)。斯沃普說：“這是個非常非常巨大的，重要的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

“精妙的遺傳學(xué)技術(shù)”

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FosTRAP (Hrvatin et al., 2020)

研究者對蟄伏過程中被激活的神經(jīng)元進行單細胞RNA測序（scRNA-seq），結(jié)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(dǎo)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(xué)研究所的砂川玄志郎（Genshiro Sunagawa），筑波大學(xué)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(jīng)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(xué)家》的一封電子郵件中解釋說。

他們寫道：“QRFP被認為參與調(diào)控進食、行為、交感調(diào)節(jié)以及情緒?！币虼耍斔麄冊谛∈笾写碳ぎa(chǎn)生QRFP的細胞（稱為Q神經(jīng)元）并發(fā)現(xiàn)其誘導(dǎo)了延長的蟄眠時，結(jié)果“完全出乎意料”。研究小組還發(fā)現(xiàn)，抑制Q神經(jīng)元會損害正常的蟄眠。

與持續(xù)數(shù)小時的正常蟄眠不同，對Q神經(jīng)元的刺激會導(dǎo)致持續(xù)數(shù)天的體溫過低。加州大學(xué)舊金山分校的生理學(xué)家和行為學(xué)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(zhuǎn)換，從而使動物處于長期的低代謝狀態(tài)?！?/p>

- Takahashi et al., 2020 -

“這兩篇論文……都發(fā)現(xiàn)了類似的一組神經(jīng)元，它們位于小鼠大腦下丘腦的大致相同位置。最大的問題是，這兩群神經(jīng)元是相同的嗎？”俄勒岡州健康與科學(xué)大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家肖恩·莫里森（Shaun Morrison）說。

“我們發(fā)現(xiàn)一些Q神經(jīng)元表達PACAP，”砂川和櫻井寫道，但是許多PACAP神經(jīng)元不表達QRFP，這表明他們的Q神經(jīng)元是赫瓦提及其同事發(fā)現(xiàn)的那些神經(jīng)元的子集。

斯沃普說：“即使這些神經(jīng)元不是同一神經(jīng)元，它們也有可能相互交流。”下一步是確定這些神經(jīng)元如何進行此類交流，以及哪些信號和因素會影響它們。有了這些知識，砂川和櫻井寫道：“我們推測低體溫和低代謝也可能在包括人類在內(nèi)的其他非冬眠哺乳動物中被誘發(fā)?！?/p>

參考文獻

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.

作者：Ruth Williams | 封面：Paul Blow

譯者：Abraxas | 審校：指紋

排版：北方

原文：

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

原標題：《《自然》：生命如何按下暫停鍵》

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