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人类如何从冬眠动物身上学会“休眠”

2021-01-14 09:08 中国航空报

从古至今,人类从未停止对宇宙的思考与探索。现代宇宙航行学的奠基人,被称为航天之父的齐奥尔科夫斯基也说过“地球是人类的摇篮,但是人类不能永远生活在摇篮里”。虽然在20世纪六七十年代,人类的脚步就已经踏上了月球。但是直到今天,我们仍被限制在地月空间之内。这是因为即便是去到离我们最近的可登陆行星——火星,也需要500天的时间才能够完成往返。而去到离太阳系最近的恒星——比邻星,单程就有4.22光年的距离。除了路途遥远,长期太空飞行中航天员所面临的一系列生理和心理问题以及航天器上极其有限的资源等等,都是限制我们迈向深空的阻碍。

在科幻小说与电影中,宇航员往往会进入一个“休眠”状态来完成长距离飞行。这并不是一个天马行空的幻想。早在上世纪60年代,一些科学家就提出了通过抑制代谢来实现人类“休眠”的构想。进入21世纪,美国航空航天局(NASA)与欧洲空间局(ESA)陆续提出诱导人类“休眠”设想,并着手进行设计研究。对于这项前沿技术,我们首先需要了解到“休眠”不是冷冻,而是通过各种技术手段来降低宇航员的核心体温,并使新陈代谢变得“迟钝”。“休眠”可以减少物资消耗,降低航天员对活动空间的需求。这些变化可以在航天器的设计上将更多的空间和资源分配给动力系统。更为重要的是,“休眠”除了能够降低空间环境对航天员生理上的影响,还能消除任务中的紧张和孤独感,减少对航天员精神健康的威胁。ESA因此认为“可控的冬眠是载人太空飞行中一种改变游戏规则的技术”。在可预见的未来,低温低代谢状态的人类“休眠”将是进行登陆火星等深空探索任务的关键技术之一。

非冬眠动物无法自发进入休眠状态

自然冬眠的动物在冬眠时会进入一个核心体温和代谢率下降的阶段,这一状态被称为“Torpor”。Torpor的诱发因素很多,包括环境因素(例如,寒冷、食物短缺、昼夜节律等)和自身因素(饥饿、睡眠等)。在Torpor时期,动物体温最低可降至3~5℃,基础代谢率可以低至1%~5%,且行为受到抑制,呈现假死状态。但这种时期并不会一直持续,会被定期的“Arousal”觉醒状态(2~30天,存在物种差异)所打断。觉醒之后体内代谢水平与核心体温均迅速回升,以确保一些关键的生理功能不受损伤。周期性的Torpor-Arousal循环就组成了完整的冬眠过程。而非冬眠动物由于缺乏相关生物学机制,不具有自发产生Torpor-Arousal周期性状态变换的能力,因此需要通过一些物理或者药理学方法的诱导来进入低温低代谢的状态。

中枢神经系统是调控转换的核心

中枢神经系统内的一些解剖学和功能性连接在控制Torpor-Arousal转换过程中起关键作用。无论是休眠还是觉醒都离不开中枢神经系统中特定神经元与神经环路的调控。在去年6月,Nature 更是同期连发两篇啮齿动物诱导“Torpor”的重磅文章。此外,12月11日 Nature Communications也报道了类似的新发现。三项研究均提出并证实了下丘脑内的特定神经元在非冬眠动物休眠诱导过程中起着重要的调控作用。这些研究进展进一步提示我们,未来启动人类“休眠”的钥匙很有可能在下丘脑及相关环路中被发现。

可控且安全的休眠-苏醒转换至关重要

截至目前,针对非冬眠动物“休眠”的研究已经取得了一些进展。但是对于人类“休眠”而言,安全性和可控性才是这项技术首先需要解决的问题。在休眠-苏醒转换过程中伴随着核心体温与代谢率的大幅度波动,冬眠动物几乎不会出现明显的器官和组织损伤。而对于非冬眠动物而言,缺乏相应的保护机制,则很可能出现显著的细胞应激和功能损伤。尤其是对于人体最大的耗能器官——大脑,较长时间的低温低代谢状态,对中枢神经系统的结构与功能必定会造成深远的影响。而冬眠动物在经历长时间的休眠状态后,神经连接与功能都可以恢复到休眠前的状态。因此,揭示自然冬眠的神经生物学机制有助于解决人类“休眠”的关键技术难题。

人类“休眠”的未来

人类的“休眠”不能一昧追求“时间静止”。可以根据任务类型的不同,在资源消耗与休眠程度和方式的设计上寻找最佳平衡点。尽管中枢神经系统对于“休眠”的调控作用十分重要,但“休眠”状态是机体对环境变化的整体反应,几乎涉及所有的器官组织,对其他组织器官的“休眠”研究也需要同步开展。总之,人类“休眠”是一项复杂的多领域系统性工程,需要融合包括生物、医学、材料、化学等各学科的技术来实现这一设想。值得一提的是,随着我国空间站和地外基地建设的开展,可以将“休眠”研究的主战场转移到空间实验室。这将更有利于对航天员选拔和训练思路的调整,早日实现安全可控的人类“休眠”并应用于载人深空探索。此外,世界主要航天大国相继启动登月或登陆火星的计划,也将加速推进人类“休眠”相关研究的开展。

该项研究公布于Biological Reviews 于近日在线发表的长篇文章Human torpor:translatin insights from nature into manned deep space expedition。该文由国内多家单位的学者联合完成。文章从比较生物学的角度出发,深入剖析了冬眠动物与非冬眠动物在低温低代谢状态下神经环路以及神经元结构、功能变化的特点与差异,指出通过揭示自然冬眠的神经生物学机制,不仅有助于人类“休眠”方法的探索,还对于一些与能量代谢及神经可塑性变化相关的神经精神疾病的治疗可以提供新的治疗思路。

责任编辑:实习编辑