超声刺激诱发小鼠低体温和低代谢
验证经颅超声刺激POA能否在自由活动小鼠中诱导出类冬眠的生理状态。
使用可穿戴超声换能器对小鼠POA进行远程刺激，记录棕色脂肪温度、尾部温度、核心体温、耗氧量、呼吸商和心率等指标。
关于丁香通
公司信息
个人用户
企业机构
无忧采购 轻松科研
- 移动端
通过超声诱导啮齿动物产生类冬眠的低体温和低代谢状态
Induction of a torpor-like hypothermic and hypometabolic state in rodents by ultrasound
实验完整度
高研究包含体外细胞实验、小鼠和大鼠动物模型、单核RNA测序、分子生物学验证及功能验证，并进行了敲低和基因敲除等机制验证。
主要模型
C57BL/6NCrl小鼠 UCP1基因敲除小鼠 Wistar Han IGS大鼠 HEK293T细胞
重点核对
超声刺激参数：频率3.2MHz（小鼠）、负声压1.6MPa等 POA靶向坐标：AP=0.2mm, ML=0.2mm（小鼠） 闭环反馈控制：目标体温Tset=34°C，刺激24小时 TRPM2敲低：使用慢病毒shRNA，滴度10^6感染单位 对照组：无超声刺激和脱靶刺激（皮层、腹侧海马）
摘要
冬眠是一种节省能量的状态，动物在其中大幅降低代谢率和体温以在严酷环境条件下生存。在这里，我们报道了通过远程经颅超声刺激下丘脑视前区（POA），在啮齿动物中非侵入性、精确且安全地诱导出类冬眠的低体温和低代谢状态。我们通过闭环反馈控制超声刺激并自动检测体温，在小鼠中实现了持续超过24小时的类冬眠状态。超声诱导的低体温和低代谢（UIH）由POA神经元的激活触发，涉及背内侧下丘脑作为下游脑区以及随后对产热棕色脂肪组织的抑制。POA神经元的单核RNA测序显示TRPM2是一种超声敏感离子通道，其敲低抑制了UIH。我们还证明了UIH在非冬眠动物——大鼠中也是可行的。我们的研究结果表明，UIH是一种有前景的技术，可用于非侵入性、安全地诱导类冬眠状态。
实验结论
提炼研究问题、关键发现与证据，快速把握文章的核心贡献。
- 研究问题
- 能否通过非侵入性经颅超声刺激下丘脑视前区诱导啮齿动物进入类冬眠状态，并阐明其神经机制？
- 核心机制
- 超声激活POA中表达TRPM2离子通道的神经元，通过背内侧下丘脑下游通路抑制棕色脂肪组织的UCP1依赖性产热，从而诱导低体温和低代谢状态。
- 主要证据
- 小鼠和大鼠的超声刺激实验显示核心体温、代谢率下降；单核RNA测序鉴定出高表达TRPM2的POA神经元；TRPM2敲低和UCP1敲除减弱了UIH效应；体外实验证实TRPM2通道对超声敏感。
- 研究意义
- UIH技术为非侵入性、安全地诱导类冬眠状态提供了新方法，有望应用于医疗和长期太空飞行等领域。
研究路径
按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。
精确控制UIH的深度和持续时间
评估超声参数（声压和刺激持续时间）对低体温程度的影响，并开发闭环反馈控制系统实现长时间的稳定UIH。
通过改变超声声压和刺激持续时间，测量最大ΔTBAT；开发闭环反馈控制器，以核心体温为输入，当体温高于设定值34°C时开启超声，否则关闭，维持24小时。
验证POA神经元的激活
确认超声刺激能激活POA神经元，并探究其活动模式与体温变化的关系。
使用FISH和免疫荧光检测Fos表达，并通过纤维光度法记录GCaMP6s信号，观察超声刺激下POA神经元的钙活动。
鉴定超声敏感离子通道TRPM2
通过单核RNA测序鉴定POA中被超声激活的神经元亚群及其高表达的离子通道，并通过体外和体内实验验证TRPM2的超声敏感性及其在UIH中的作用。
对超声刺激和对照组小鼠POA区域进行单核RNA测序，分析神经元亚群；通过FISH验证Trpm2与Fos共表达；在HEK293T细胞中过表达TRPM2并用超声刺激，观察钙内流；通过慢病毒shRNA敲低小鼠POA中的TRPM2，评估对UIH的影响。
揭示下游脑区和效应组织
探究UIH的下游神经回路和效应组织，特别是背内侧下丘脑和棕色脂肪组织的作用。
通过FISH检测DMH等脑区的Fos表达，纤维光度法记录DMH神经元活动；使用UCP1基因敲除小鼠评估BAT在UIH中的作用。
评估UIH在非冬眠动物大鼠中的可行性
测试UIH是否能在大鼠中诱导，以评估其跨物种普适性。
使用类似的可穿戴超声换能器对大鼠POA进行超声刺激，记录棕色脂肪温度、核心体温和代谢率等指标。
研究方法
按研究目的归类文中使用的方法，便于定位所需技术。
产品清单
| 实验环节 | 名称 | 品牌 | 货号 |
|---|---|---|---|
| 超声刺激 | 锆钛酸铅陶瓷谐振器 | DeL Piezo Specialties | DL-43 |
| 超声校准 | 水听器 | Onda | HGL-200 |
| 超声刺激 | 超声凝胶 | Aquasonics | -- |
| 体温测量 | 红外热像仪 | FLIR Systems | FLIR E54 |
| 行为记录 | 网络摄像头 | Logitech | C920 |
| 代谢测量 | 综合实验室动物监测系统 | Columbus Instruments | -- |
| 核心体温测量 | 遥测温度传感器 | Stellar Telemetry, TSE Systems | TA-XS |
| 心电图记录 | ECGenie系统 | Mouse Specifics | -- |
| MRI测温 | 4.7T磁共振扫描仪 | Agilent/Varian | -- |
| 光纤测温 | 光纤温度计 | Luxtron | -- |
| 闭环反馈控制 | Arduino UNO R3微控制器 | -- | -- |
| 旋转滑环 | Adafruit | -- | |
| 光纤光度记录 | 光纤套管 | Doric Lenses | MFC_200/245-0.37_6mm_ZF1.25_FLT |
| 光度测量系统 | Neurophotometrics | FP3002 | |
| MRI成像 | 9.4T小动物磁共振扫描仪 | Bruker BioSpin MRI | BioSpec 94/20 USR |
| 免疫组织化学 | 抗NeuN抗体 | Abcam | 104225 |
| 抗GFAP抗体 | Abcam | 207165 | |
| 抗Iba1抗体 | Abcam | 178846 | |
| 抗c-Fos抗体 | Cell Signaling Technology | 2250 | |
| 原位杂交 | RNA-scope多重荧光v2试剂盒 | Advanced Cell Diagnostics (ACD) | 323110 |
| RNA-scope探针Mm-FOS | ACD | 316921 | |
| RNA-scope探针Mm-Adcyap1-C2 | ACD | 405911-C2 | |
| RNA-scope探针Mm-Trpm2-C3 | ACD | 316831-C3 | |
| 成像 | 基恩士BZ-X800显微镜 | Keyence Corp | -- |
| 单核RNA测序 | 杜恩斯匀浆器 | Kimble | -- |
| 重组核糖核酸酶抑制剂 | Invitrogen | RNaseOUT | |
| 细胞筛网管 | Corning Falcon | -- | |
| 抗NeuN抗体（Alexa Fluor 488偶联） | Millipore sigma | MAB377X | |
| 荧光激活细胞分选 | Beckman Coulter | MoFlo | |
| Chromium Next GEM单细胞3' GEM、文库和凝胶珠试剂盒v.3.1 | 10x Genomics | -- | |
| Chromium单细胞处理器 | 10x Genomics | -- | |
| 安捷伦生物分析仪 | Agilent | -- | |
| 高灵敏度DNA芯片 | -- | -- | |
| Illumina Nova Seq 6000测序仪 | Illumina | -- | |
| TRPM2敲低 | 含有Trpm2 shRNA的慢病毒颗粒 | Santa Cruz Biotechnology | sc-42675-V |
| TRPM2敲低对照 | 含有乱序shRNA的慢病毒颗粒 | Santa Cruz Biotechnology | sc-108080 |
| 体外细胞实验 | HEK293T细胞 | ATCC | CRL-3216 |
| DMEM培养基 | -- | -- | |
| 胎牛血清 | -- | -- | |
| L-谷氨酰胺 | -- | -- | |
| 非必需氨基酸 | -- | -- | |
| 青霉素-链霉素 | -- | -- | |
| 转染 | Lipofectamine 2000转染试剂 | Thermo Fisher Scientific | -- |
| Trpm2 DNA质粒 | Addgene | 53920 | |
| Opt-MEM培养基 | -- | -- | |
| 钙成像 | Fluo-4 AM钙指示剂 | Thermo Fisher Scientific | -- |
| 体外细胞实验 | ADPR（腺苷5'-二磷酸核糖钠盐） | Sigma-Aldrich | A0752-25MG |
| 2-APB | TOCRIS | -- |
关键环节
汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。
| 环节 | 核对要点 |
|---|---|
| 超声刺激 | 超声参数（频率、声压、脉冲持续时间、重复频率、刺激持续时间、间隔、次数） 阅读提示：Methods: Ultrasound stimulation |
| 靶向定位 | POA坐标（AP=0.2mm, ML=0.2mm, DV≈5mm） 阅读提示：Methods: Ultrasound stimulation |
| 动物模型 | 小鼠品系、年龄、性别；大鼠品系、年龄 阅读提示：Methods: Animals |
| 体温和代谢测量 | 体温传感器型号、代谢笼型号、环境温度 阅读提示：Methods: Body temperature and metabolism measurements |
| 闭环反馈控制 | 目标体温Tset、刺激开关逻辑、持续时间 阅读提示：Methods: Closed-loop feedback control for long-duration UIH |
| TRPM2敲低验证 | shRNA序列、病毒滴度、注射体积、注射次数和间隔 阅读提示：Methods: In vivo knockdown of TRPM2 |