Het ultrageluid zorgt ervoor dat de knaagdieren in rust stijf worden

Om energie te besparen bij koud weer of wanneer voedsel schaars is, kunnen sommige zoogdieren hun lichaamstemperatuur en metabolisme tijdelijk verlagen. Onderzoekers zijn er nu in geslaagd om de zogenaamde winterslaaptoestand kunstmatig na te bootsen. Toen ze de hersenen van de muizen stimuleerden met ultrageluid, zakte de lichaamstemperatuur van de dieren enkele graden Celsius. Met continue stimulatie kon deze toestand 24 uur worden gehandhaafd, waarbij de dieren binnen enkele uren na het stoppen van de stimulatie onbeschadigd wakker werden. Het proces kan nuttig zijn in de geneeskunde of de ruimtevaart.

In vijandige omgevingsomstandigheden, zoals kou of gebrek aan voedsel, kunnen sommige zoogdieren, zoals muizen, vleermuizen en kleine apen, een soort energiebesparende modus activeren die winterslaap wordt genoemd. Net als bij winterslaap verlagen ze hun lichaamstemperatuur en stofwisseling, zodat ze minder energie verbruiken en soms wel enkele weken kunnen overleven zonder te eten.

Sinds de jaren zestig probeert men deze toestand na te bootsen – bijvoorbeeld voor astronauten op langdurige ruimtevluchten of om de overlevingskansen van patiënten met een beroerte te vergroten. De hersengebieden die bij muizen betrokken zijn, zijn nu bekend en onderzoekers zijn er al in geslaagd om bij muizen een kunstmatige winterslaapachtige toestand op te wekken door middel van injecties in relevante hersengebieden of door genetische manipulatie. Alle eerdere procedures waren echter zo invasief dat overdracht op mensen uitgesloten was.

Echografie neuromodulatie

Een team onder leiding van Yaoheng Yang van de Washington University in St. Louis is er nu voor het eerst in geslaagd om een ​​dergelijke aandoening te bereiken met behulp van een niet-invasieve procedure. Om dit te doen, rustten de onderzoekers muizen uit met draagbare ultrasone zenders die met een druk op de knop gerichte ultrasone pulsen naar het preoperatieve gebied van de hypothalamus van de muizenhersenen stuurden. Deze regio is betrokken bij de regulering van de lichaamstemperatuur en het metabolisme en is in eerdere studies geïdentificeerd als de regio die verantwoordelijk is voor de winterslaap.

“Echografie is de enige beschikbare vorm van energie die niet-invasief de schedel kan binnendringen en met millimeternauwkeurigheid kan worden gericht op elk deel van de hersenen zonder het gebruik van ioniserende straling”, leggen de onderzoekers uit. “Dit maakt echografie een veelbelovende techniek voor neuromodulatie bij kleine dieren, niet-menselijke primaten en mensen.” In feite had ultrasone stimulatie bij muizen het gewenste effect: direct na stimulatie begonnen de lichaamstemperatuur en het activiteitsniveau van de dieren af ​​te vallen. Na een paar minuten was de lichaamstemperatuur met meer dan drie graden gedaald, klopte het hart langzamer en bleek uit stofwisselingsmetingen dat de dieren minder zuurstof verbruikten.

Volledig herstel na langdurig gebruik

Als er geen ultrasone pulsen meer waren, begon de lichaamstemperatuur van de dieren na ongeveer een uur weer te stijgen en na twee uur waren ze volledig hersteld. Andere experimenten hebben aangetoond dat de sterkte en duur van de ultrasone pulsen bepalen hoeveel de lichaamstemperatuur daalt en hoe snel deze weer normaal wordt. Het onderzoeksteam verlengde de stadia van de winterslaap met behulp van een automatische feedbackcontroller: telkens wanneer de lichaamstemperatuur van de muizen weer begon te stijgen, zendt de controller weer ultrasone pulsen uit. “Op deze manier konden we de lichaamstemperatuur van de muizen 24 uur lang op 32,95°C houden”, meldt collega Yang Hongchen. “Nadat ik de echografie had uitgeschakeld, werden mijn stofwisseling en lichaamstemperatuur weer normaal.”

Latere hersenonderzoeken hebben aangetoond dat het neuronen in het preoperatieve gebied van de hypothalamus zijn die de winterslaap in gang zetten als reactie op echografie. Met behulp van genetische sequencing ontdekten Yang en zijn team dat bepaalde ionenkanalen in neuronen, de zogenaamde TRPM2-kanalen, worden geactiveerd door ultrageluid en vervolgens een signaalcascade in gang zetten die de lichaamstemperatuur en het metabolisme verlaagt.

overdraagbaar op andere organismen

Om de overdraagbaarheid van de methode op andere dieren te testen, gebruikte het onderzoeksteam dezelfde techniek op muizen. In tegenstelling tot muizen komt de winterslaap bij deze dieren niet van nature voor. “We vonden ook een significante daling van de lichaamstemperatuur bij muizen als gevolg van ultrasone stimulatie”, zegt het team. “Hoewel de mate van reductie bij ratten minder was dan bij ratten, laten deze gegevens zien dat de methode ook kan worden gebruikt bij organismen zonder natuurlijke winterslaap.” Vanuit het oogpunt van de onderzoekers zou dit erop kunnen wijzen dat deze techniek ook bij mensen zou kunnen worden gebruikt.

“Deze studie lijkt misschien een kleine stap voor deze onderzoeksgroep, maar het belooft een grote sprong voorwaarts te worden voor de mensheid om slaapstandachtige toestanden te gebruiken in de geneeskunde en mogelijk in de ruimtevaart”, schreven Martin Jastroch van de Universiteit van Stockholm en Frank van Breukelen van Universiteit van Stockholm. Universiteit van Nevada in een commentaar bij de studie, ook gepubliceerd in Nature Metabolism.

Bron: Yaoheng Yang (Washington University in St. Louis, VS) et al., Natuurmetabolisme, doi: 10.1038/s42255-023-00804-z

© wissenschaft.de – Elena Bernard