Wie lange dauert es, bis der Mensch Winterschlaf hält? Nicht weit!

Bei manchen Arten verfallen die äußeren Bedingungen spontan in einen Winterschlaf, wobei sie ihren Stoffwechsel verlangsamen, indem sie ihre Körpertemperatur senken, ganz so, als würden sie ihren Körper in den Standby-Modus versetzen.

Obwohl Menschen nicht spontan in diesen Zustand geraten, gibt es viele Tiere in unserer Umgebung, die diese Fähigkeit besitzen, wie zum Beispiel Eichhörnchen und Bären.

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Wissenschaftler beschäftigen sich schon seit langem mit der Erforschung der menschlichen Fähigkeit, in einen winterschlafähnlichen Zustand zu gelangen. Diese Funktion kann in bestimmten Szenarien nützlich sein, beispielsweise bei der Behandlung von Patienten auf Intensivstationen und bei Langstrecken-Weltraumreisen.

Mäuse überwintern mit Ultraschall

Wissenschaftler haben therapeutischen Ultraschall eingesetzt, um Bereiche tief im Gehirn von Mäusen zu behandeln und ihnen so erfolgreich einen winterschlafähnlichen Zustand zu ermöglichen. Mäuse verfügen jedoch über die natürliche Fähigkeit, Winterschlaf zu halten, weshalb die Forscher die Technik an Ratten testeten, die nicht spontan in den Winterschlaf verfallen können. Die Forschungsergebnisse wurden 2023 in der Fachzeitschrift Nature Metabolism veröffentlicht und bieten potenzielle Möglichkeiten und Referenzen für die Forschung zur Regulierung physiologischer Gehirnaktivitäten durch Ultraschall.

Neues Winterschlaf-Experiment. Bildquelle: Referenz [1]

Die Forscher setzten Mäusen eine helmartige Sonde auf, um durch die Stimulation tiefer Hirnstrukturen mit Ultraschall auf nichtinvasive Weise einen winterschlafähnlichen Zustand herbeizuführen. Das Team verwendete Ultraschall mit einer anderen Frequenz als für medizinische Zwecke, beispielsweise bei pränatalen Screenings, und zielte auf den vorderen Sehbereich des Hypothalamus, einen Bereich, der Neuronen enthält, von denen frühere Studien gezeigt haben, dass sie beim Winterschlaf eine Rolle spielen.

Bei Stimulation durch Ultraschall senden diese Neuronen Signale an das braune Fettgewebe (stark metabolisches Fettgewebe im oberen Rückenbereich), das bei zu niedriger Temperatur die Körpertemperatur erhöht. Die Ultraschall-Stimulationssignale aus dem vorderen Sehbereich hemmen die Aktivität des braunen Fettgewebes und verhindern einen Anstieg der Körpertemperatur.

Um den Kühleffekt zu bestätigen, verfolgten die Forscher mit Infrarotkameras die Hautabkühlung in Bereichen mit braunem Fett und die Wärmeableitung aus den Schwänzen der Tiere. Gleichzeitig stellten sie auch fest, dass die Mäuse eine reduzierte Sauerstoffnutzung aufwiesen, was wiederum darauf hindeutete, dass der Stoffwechsel der Mäuse verlangsamt war. Neben der Abkühlung des Fetts und dem verlangsamten Stoffwechsel zeigten die Mäuse auch andere Anzeichen eines winterschlafähnlichen Zustands, wie etwa verringerte Aktivität und eine niedrigere Herzfrequenz.

Die Mäuse im Experiment hatten eine niedrigere Körpertemperatur. Bildquelle: Referenz [1]

Mäuse können jedoch auch spontan in den Winterschlaf fallen, wenn sie Angst haben oder gestresst sind. Um zu beweisen, dass der Temperaturabfall der Mäuse nicht auf Stress oder Angst zurückzuführen war, richteten die Forscher ihre Aufmerksamkeit auf Ratten, die diese natürliche Reaktion nicht zeigen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Ultraschallsignale eine niedrigere Körpertemperatur bei den Ratten verursachten, was bestätigte, dass der auf den frontalen Sehbereich wirkende Ultraschall für den winterschlafähnlichen Zustand verantwortlich war. Allerdings sagten die Wissenschaftler, dass es sich bei dem Rattenexperiment lediglich um einen Proof-of-Concept-Prozess handele und noch weit von einer praktischen Anwendung entfernt sei.

Die Forscher versetzten Mäuse mittels Ultraschallstimulation in einen 24-stündigen „Winterschlaf“. Wenn die Körpertemperatur steigt, wird die Ultraschallstimulation neu gestartet und senkt die Körpertemperatur der Maus wie ein Regulator; Nachdem die Ultraschallstimulation abgeschaltet wurde, normalisieren sich die Körpertemperatur und der Stoffwechselzustand der Mäuse schnell wieder, und dieser gesamte Vorgang hat keine offensichtlichen negativen Auswirkungen auf die Mäuse.

Nach eingehender Untersuchung der zellulären Reaktionen entdeckten Wissenschaftler, dass Ultraschall den Fluss von Ionen (wie etwa Kalziumionen) in die präoptischen Neuronen beeinflusst und Signale auslöst, die das braune Fett erreichen und einen Anstieg der Körpertemperatur des Tieres verhindern. Und tatsächlich: Als die Forscher das Protein entfernten, das den Fluss von Ionen wie Kalzium steuert, verringerte sich die Wirkung des Ultraschalls auf die Senkung der Körpertemperatur entsprechend.

Ultraschall induziert Hypothermie und Hypometabolismus durch Aktivierung von Neuronen im POA. Bildquelle: Referenz [1]

Die obigen Ergebnisse zeigen, dass dieses Protein wie ein „Nanoschalter“ fungiert, was das wichtigste Ergebnis der Studie ist. Daher fällt es uns nicht schwer, uns vorzustellen, dass es in anderen Gehirnregionen ähnliche, auf Ultraschall reagierende Proteine ​​geben könnte.

Im Vergleich zu früheren Studien müssen die Forscher, um diesen „Winterschlaf“-Effekt zu erzielen, ein Proteingen in den Zielbereich injizieren, um die Zielzellen zu aktivieren (durch Licht- oder Medikamentenstimulation). Der experimentelle Prozess ist kompliziert und weist eine geringe Sicherheit auf. Diese neue nicht-invasive Methode ist nicht nur flexibel in der Anwendung und sehr sicher, sondern ermöglicht auch eine jederzeitige Anpassung der Intensität der Ultraschallstimulation nach Bedarf und bietet ein großes Anwendungspotenzial.

Allerdings können Experimente mit Ultraschall zur Veränderung der Gehirnaktivität ethische Probleme aufwerfen, insbesondere im Hinblick auf zukünftige Anwendungen am Menschen, die weitere Forschung und einen sorgfältigen Umgang erfordern.

Wie lange wird es dauern, bis der Mensch in den „Winterschlaf“ fällt?

Wenn es jedoch gelingt, den Winterschlaf nicht-invasiv beim Menschen herbeizuführen, wird dies ein breites Anwendungsspektrum haben.

Es kann beispielsweise angewendet werden, wenn Schlaganfall- oder Herzinfarktpatienten zur Rettung ins Krankenhaus eilen. Da diese beiden Notfallsituationen zu einer Hypoxie des betroffenen Gewebes führen, besteht im „Ruhezustand“ ein geringer Sauerstoffbedarf, wodurch körperliche Schäden verzögert oder verhindert werden können, wodurch die Lebenssicherheit vor dem Eintreffen auf der Intensivstation gewährleistet wird. Darüber hinaus könnten auf der Intensivstation durch die Einleitung eines „Winterschlafs“ die zur Versorgung des Patienten erforderlichen Medikamentendosen und Überwachungsmaßnahmen entsprechend reduziert werden.
Eine weitere mögliche Anwendung ist die interstellare Reise in Zukunftsszenarien. Der „Winterschlaf“-Zustand kann Menschen dabei helfen, problemlos längere Zeit im Weltraum zu verbringen.

Wissenschaftler sagen, dass das nächste Forschungsziel Tests an größeren nicht-menschlichen Tieren sein sollten, möglicherweise an Schweinen, da diese kein Fell haben, ihre Körpertemperatur der des Menschen ähnelt und die experimentellen Daten denen des Menschen am nächsten kommen. Danach soll diese Technologie schrittweise bei Affen und Menschen angewendet werden.

Unsere Suche nach der Möglichkeit, den „Winterschlaf“ zu erreichen, ist eine lange, aber großartige Reise.

Verweise

[1] Yang, Y., Yuan, J., Field, RL et al. Induktion eines torporähnlichen hypothermischen und hypometabolischen Zustands bei Nagetieren durch Ultraschall. Nat Metab 5, 789–803 (2023).

Planung und Produktion

Produziert von Science Popularization China

Autor: Schöpfer der Erdgravitationswissenschaft

Produzent: China Science Expo

Herausgeber: Dong Nana

Korrekturgelesen von Xu Lailinlin