Wetenschappers brengen een slaapstand tot stand met behulp van ultrasone stimulatie van de hersenen

Een interdisciplinair team onder leiding van universitair hoofddocent Hong Chen aan de Washington University in St. Louis heeft een nieuwe, niet-invasieve methode ontwikkeld om een ​​paniekachtige toestand bij zoogdieren op te wekken door zich met ultrageluid op het centrale zenuwstelsel te richten. Het is aangetoond dat de techniek, waarbij de hypothalamus in de hersenen wordt gestimuleerd, de lichaamstemperatuur en de stofwisseling bij muizen effectief verlaagt, wat leidt tot een staat van opwinding, een natuurlijk mechanisme dat sommige dieren gebruiken om extreme omstandigheden te overleven. Krediet: Afbeelding met dank aan het Chen-lab, Washington University in St. Louis

Wetenschappers van de Washington University in St. Louis hebben een methode ontwikkeld om een ​​visceraal-achtige toestand bij zoogdieren op te wekken met behulp van ultrasone stimulatie van de hersenen, volgens een studie in Metabolisme van de natuur. De niet-invasieve techniek kan mogelijk worden gebruikt in scenario’s zoals ruimtevluchten of voor patiënten met ernstige medische aandoeningen om energie en warmte te besparen.

Sommige zoogdieren en vogels hebben een slimme manier om energie en warmte te behouden door in slaap te vallen, waarbij hun lichaamstemperatuur en stofwisselingssnelheid dalen om potentieel dodelijke omstandigheden in de omgeving, zoals extreme kou of gebrek aan voedsel, te overleven. Hoewel in de jaren zestig een vergelijkbare aandoening werd gesuggereerd voor ruimtevaartwetenschappers of voor patiënten met levensbedreigende gezondheidsproblemen, blijft het onduidelijk om zo’n aandoening veilig te veroorzaken.

Hong Chen, een universitair hoofddocent aan de Washington University in St. Louis, en een interdisciplinair team veroorzaakten een viscerale toestand bij muizen door echografie te gebruiken om de hypothalamus in de hersenen te stimuleren, wat helpt bij het reguleren van de lichaamstemperatuur en het metabolisme. Naast de muis, die natuurlijk leidt tot agitatie, veroorzaakten Chen en haar team agitatie bij een rat, wat niet het geval is. Hun bevindingen werden op 25 mei gepubliceerd in het tijdschrift Metabolisme van de natuurlaten de eerste niet-invasieve en veilige methode zien om een ​​aanvalachtige toestand op te wekken door zich op het centrale zenuwstelsel te richten.

Het team van Chen gebruikte echografie om veilig en niet-invasief een paniekachtige toestand op te wekken bij muizen en ratten. Krediet: video met dank aan het Chen Lab, Universiteit van Washington in St. Lodewijk

Chen, universitair hoofddocent biomedische technologie aan de McKelvey School of Engineering en stralingsoncologie aan de School of Medicine, en haar team, waaronder Yaoheng (Mack) Yang, een postdoctoraal onderzoeker, creëerden een draagbare ultrasone transducer om neuronen in de hypothalamus te stimuleren. toekomstig gebied. Bij stimulatie ervoeren de muizen een daling van de lichaamstemperatuur van ongeveer 3 graden[{” 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

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