Οι επιστήμονες προκαλούν μια κατάσταση αδρανοποίησης χρησιμοποιώντας υπερηχογραφική διέγερση του εγκεφάλου

Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις ανέπτυξαν έναν τρόπο για να προκαλέσουν μια κατάσταση που μοιάζει με χειμερία νάρκη στα θηλαστικά χρησιμοποιώντας διέγερση του εγκεφάλου με υπερήχους, σύμφωνα με μια μελέτη στο μεταβολισμό της φύσης. Αυτή η μη επεμβατική τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε σενάρια όπως διαστημικές πτήσεις ή για ασθενείς με σοβαρές συνθήκες υγείας για εξοικονόμηση ενέργειας και θερμότητας.

Μερικά θηλαστικά και πτηνά έχουν έναν έξυπνο τρόπο να εξοικονομούν ενέργεια και θερμότητα μπαίνοντας σε κατάσταση χειμερίας νάρκης, κατά την οποία η θερμοκρασία του σώματός τους και ο μεταβολικός ρυθμός πέφτουν για να επιβιώσουν σε θανατηφόρες συνθήκες στο περιβάλλον, όπως το υπερβολικό κρύο ή η έλλειψη τροφής. Ενώ μια παρόμοια κατάσταση προτάθηκε για επιστήμονες που έκαναν ταξίδια στο διάστημα τη δεκαετία του 1960 ή για ασθενείς με απειλητικές για τη ζωή καταστάσεις υγείας, η ασφαλής πρόκληση μιας τέτοιας κατάστασης παραμένει πολύ μακριά.

Ο Χονγκ Τσεν, αναπληρωτής καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις, και μια διεπιστημονική ομάδα προκάλεσαν μια κατάσταση αδρανοποίησης σε ποντίκια χρησιμοποιώντας υπερήχους για να διεγείρουν μια προεγχειρητική περιοχή του εγκεφάλου, η οποία βοηθά στη ρύθμιση της θερμοκρασίας του σώματος και του μεταβολισμού. Εκτός από το ποντίκι, το οποίο αδρανοποιεί φυσικά, η Chen και η ομάδα της προκάλεσαν αδρανοποίηση σε ποντίκια, τα οποία δεν το κάνουν. Τα ευρήματά τους δημοσιεύτηκαν στις 25 Μαΐου στο περιοδικό Nature μεταβολισμό της φύσηςπαρουσίασε την πρώτη μη επεμβατική και ασφαλή μέθοδο για την πρόκληση κατάστασης αδρανοποίησης στοχεύοντας το κεντρικό νευρικό σύστημα.

Η ομάδα του Chen χρησιμοποίησε υπερήχους για να προκαλέσει με ασφάλεια και μη επεμβατική κατάσταση μια κατάσταση αδρανοποίησης σε ποντίκια και αρουραίους. Πίστωση: Βίντεο ευγενική προσφορά του Chen Lab, University Washington στο St. Louis

Η Chen, επίκουρη καθηγήτρια βιοϊατρικής μηχανικής στη Σχολή Μηχανικής και Ακτινολογικής Ογκολογίας McKelvey στο Ιατρικό Κολλέγιο, και η ομάδα της, συμπεριλαμβανομένου του Yaoheng (Mack) Yang, ενός μεταδιδακτορικού ερευνητή, δημιούργησαν έναν φορητό μετατροπέα υπερήχων για την τόνωση των κυττάρων. υποθάλαμος. Μετά από διέγερση, τα ποντίκια παρουσίασαν μείωση της θερμοκρασίας του σώματος κατά περίπου 3 βαθμούς[{” 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 University of Washington.

“UIH has the potential to address the long sought-after goal of achieving noninvasive and safe induction of the torpor-like state, which has been pursued by the scientific community at least since the 1960s,” Chen said. “Ultrasound stimulation possesses a unique capability to noninvasively reach deep brain regions with high spatial and temporal precision in animal and human brains.”

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 National Institutes of Health (R01MH116981, UG3MH126861, R01EB027223, and R01EB030102). JRB is supported by NIH (DP5 OD028125) and Burroughs Wellcome Fund (CAMS #1019648).