撰文 | 章台柳
責編 | 兮
恆溫動物消耗大量的能量來產生熱量以維持體溫，且體溫一般高於環境溫度。然而，一些哺乳動物可主動降低體溫，以冬眠的狀態保存能量，度過冬季食物短缺的難關【1】。實驗室用小鼠沒有冬眠現象，但展現出短期（少於24h）低代謝狀態，稱為日眠（daily torpor）【2】，期間降低基礎代謝有益於機體健康。一些實驗已經證實，日眠和冬眠都是由中樞神經系統調節的【3】，但其機制尚不清楚。在包括人類的非冬眠動物中人工誘導冬眠樣的低代謝狀態，將有助於許多醫學應用的發展，也有助於將來實現遠程化的太空探索。
近日，來自日本筑波大學Takeshi Samurai和日本RIKEN生物系統動力學研究中心的Genshiro A. Sunagawa團隊合作在Nature上發表了題為A discrete neuronal circuit induces a hibernation-like state in rodents文章，發現了齧齒動物的下丘腦神經迴路可導致小鼠進入類似冬眠的長期低溫和低代謝的狀態。在這種狀態下，雖然體溫和耗氧量保持在很低的水平，但調節新陳代謝的能力仍像冬眠一樣保持正常。從這種狀態中恢復後，組織器官沒有明顯損傷或行為異常現象。
下丘腦神經肽QRFP（pyroglutamylated RFamide peptide）的mRNA局限性存在於下丘腦，分布在下丘腦外側區（lateral hypothalamic area，LHA）、結節（tuber cinereum）和室周核（periventricular nucleus）。QRFP與食物攝入、交感調節和焦慮有關。研究人員首先利用CNO（設計藥物激活的設計受體，DRADDs激動劑）激活產生QRFP的神經元，30min後運動活動降低且長時間持續，棕色脂肪組織（BAT）所在的肩胛區皮膚溫度（TBAT）降低。因此，Qrfp或是低溫誘導神經元的遺傳標誌物。雖然產QRFP神經元特定地分布在下丘腦，但在幾個離散的區域都有分布。進一步分析顯示，QRFP在腦室前外側核（anteroventral periventricular nucleus，AVPe）、視前內側區（medial preoptic area，MPA）和腦室旁核分布，在LHA沒有分布。利用CNO激活AVPe、MPA和腦室旁核區域的神經元將導致更為明顯穩定的低溫狀態和活動降低。這表明AVPe、MPA和腦室旁核區域的神經元（或稱為「Q神經元」）主要負責誘導低溫狀態。Q神經元激活導致了TBAT低溫狀態和腹部測量的軀體溫度的降低，同時伴隨著耗氧速率、心率、血糖等顯著下降，且小鼠表現出極低幅度的腦電圖；但激活LHA區域表達QRFP mRNA的神經元則沒有效果。Q神經誘導的低溫和低代謝狀態（QIH）可持續數天；室溫20℃時，一次CNO誘導QIH（體溫低於30℃）可持續超過48h，需要大約1周的時間耗氧速率才能完全恢復到正常水平。從QIH恢復小鼠會逐漸恢復運動、食物攝入和體重，並且沒有表現出行為異常，其腦、心臟、腎臟、肝臟和肌肉均沒有損傷。
研究人員特異性地在Q神經元中表達GFP螢光蛋白，發現在下丘腦和腦幹的幾個區域觀察到GFP陽性纖維，這些區域與交感神經調節和體溫控制有關，其中下丘腦背內側（DMH）接受了大量的Q神經元投射。利用光遺傳學方法，在Q神經元表達SSFO，並在Q神經元胞體存在的區域AVPe/MPA置入光纖維。雷射激活SSFO-eYFP+胞體迅速導致明顯的低溫狀態，並持續30min；2h內每30min重複激活Q神經元導致更為顯著的低溫狀態，TBAT降低到室溫22℃。將光纖維雙側置入Q-SSFO小鼠的DMH中，對軸突纖維施加光遺傳學刺激，可有效降低TBAT；而刺激中縫蒼白質核（RPa）的Q神經元纖維對TBAT的有微弱的影響。即Q神經元主要投射到DMH（小部分投射到RPa）來誘導QIH。
QIH誘導過程開始，小鼠尾部的溫度立刻增加，這表明體溫下降期間，外周血管舒張被觸發用來釋放熱量。外周血管舒張而體溫沒有升高，這表明參考體溫（TR）或者體溫的理論設定值被重置為低於正常狀態的值，這是冬眠的特徵。研究人員通過實驗計算髮現，正常條件下和QIH條件下兩者的熱傳導性相當，這與日眠中熱傳導性降低不同。QIH狀態下熱量產生量大幅減少，且參考體溫顯著下降。此外，當室溫28℃時，QIH小鼠呈現出更為伸展的姿態，這通常是動物暴露於高溫環境中發生的姿態；而當室溫低於12℃時，小鼠回到坐姿，出現顫抖並顯著增加耗氧量。這表明在QIH期間，參考體溫雖然降低，但身體功能和行為仍然受到調節，以適應環境溫度的變化。
SNARE介導的神經遞質傳遞對誘導QIH是必需的。研究人員對Q神經元和神經遞質轉運體進行定位分析，將其分成3類：1）QE（興奮性）神經元，Vglut2（囊泡谷氨酸轉運體2）陽性，77.9%；2）QI（抑制性）神經元，Vgat（囊泡GABA轉運體）陽性，7.2%；3）QH（混合性）神經元，Vglut2和Vgat均呈陽性，14.9%。3種亞群的比例在所有選定的區域都是相似的，並且神經元相互混合。在Q神經元中缺失Vgat並不影響CNO誘導QIH現象和最終TBAT的數值，但是CNO注射後TBAT降低的初始速度顯著較慢；在Q神經元中缺失Vglut2時，CNO雖然能夠誘導TBAT降低，但效果更弱，時間更短。這表明谷氨酸能和GABA能的神經遞質傳遞共同誘導了QIH。
總之，研究鑑定了可導致小鼠進入類似冬眠的長期低溫和低代謝狀態的神經迴路，並精確定位其投射區域、溫度調節機制和確切的神經遞質，有助於開發誘導冬眠樣狀態的方法，在包括人類在內的非冬眠哺乳動物中具有潛在應用價值。
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https://doi.org/10.1038/s41586-020-2163-6