Ultraschall kann bei Tieren kurzzeitig einen winterschlafähnlichen Zustand auslösen

Science-Fiction beschreibt seit langem hochentwickelte Technologien, die Menschen vorübergehend in einen Schwebezustand versetzen können, wodurch Charaktere weit in der Zukunft erwachen können, oft nach ausgedehnten Reisen durch den Weltraum. In Wirklichkeit könnte die Grundlage für suspendierte Animationen möglicherweise auf einer weitaus einfacheren Technologie basieren – einer Technologie, die seit Jahrzehnten routinemäßig in Kliniken eingesetzt wird.

Forscher der Washington University in St. Louis haben mithilfe von Ultraschall Nagetiere in einen energiesparenden Zustand versetzt, der einen natürlichen, schlafähnlichen Überlebensmechanismus widerspiegelt, der als Erstarrung bekannt ist.

In einer neuen Studie veröffentlicht in Naturstoffwechselkonnte das Team die Körpertemperatur und Stoffwechselrate von Mäusen senken und einige der gleichen Ergebnisse bei Ratten erzielen, die wie Menschen von Natur aus nicht unter Erstarrung leiden. Während die Technik möglicherweise noch nicht für interstellare Reisen bereit ist, könnte sie in kürzerer Zeit nützlich sein, wenn sie sich beim Menschen als wirksam erweist und dabei hilft, wertvolle Zeit für Patienten auf der Intensivstation zu gewinnen.

In den 1960er Jahren, kurz vor Beginn des Weltraumzeitalters, begannen Wissenschaftler nach einem biologischen Auslöser zu suchen, um Menschen künstlich in Erstarrung oder Winterschlaf zu versetzen. In jüngerer Zeit haben Studien darauf hingewiesen, dass ein bestimmter Teil des Gehirns, eine Region des Hypothalamus, die als präoptischer Bereich bezeichnet wird, das Kontrollsystem für solche Zustände ist.

„Andere Forscher haben mit der Injektion von Chemikalien in bestimmte Teile des Gehirns experimentiert. Wir haben mit Ultraschall einen völlig anderen Ansatz gewählt, der ebenfalls die Nervenaktivität modulieren kann, aber weniger invasiv und im Allgemeinen kostengünstig ist“, sagte der leitende Autor Hong Chen, Ph.D ., außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik an der Washington University in St. Louis.

Chen und ihre Kollegen entwarfen und fertigten tragbare Ultraschallsonden, die kreisförmigen Kappen ähneln, und befestigten sie an den Köpfen der Tiere. Anschließend erzeugte das Team mit den Sonden Schallwellen, die sie auf den Hypothalamus richteten.

Sie zeichneten während der gesamten Experimente die Körpertemperatur, die Herzfrequenz und den Sauerstoffverbrauch der Tiere auf. Innerhalb von Minuten nach Beginn des Verfahrens bei Mäusen sanken die Messwerte für alle drei. Den Forschern fiel auch auf, dass die Mäuse, obwohl sie noch wach waren, deutlich weniger körperlich aktiv waren.

Die Autoren der Studie hielten den schläfrigen Zustand etwas mehr als 24 Stunden lang aufrecht, schalteten dann die Geräte ab und die Mäuse kehrten ohne bleibende Auswirkungen zu ihrem normalen, aktiven Verhalten zurück.

Durch die Untersuchung der Gehirnaktivität und des Gewebes von Mäusen stellten sie fest, dass das Ultraschallverfahren Neuronen im präoptischen Bereich aktivierte. Die Autoren identifizierten auch einen wahrscheinlichen Mechanismus für die ultraschallinduzierte Erstarrung – ein Protein, das auch beim Menschen vorkommt und es Ionen ermöglicht, in diese Neuronen einzuströmen und diese zu aktivieren.

Als nächstes versuchte das Team zu beweisen, dass die Strategie bei nicht-torpischen Tieren funktionieren könnte, ein notwendiger Schritt vor der Evaluierung der Technologie für menschliche Anwendungen.

„Nachdem wir die Mausstudien abgeschlossen hatten, versuchten wir herauszufinden, ob wir Ultraschall verwenden könnten, um einen ähnlichen Zustand bei Ratten hervorzurufen, die von Natur aus weder in Erstarrung noch in den Winterschlaf fallen“, sagte Chen.

Während die Auswirkungen von Ultraschall bei Ratten weniger ausgeprägt waren als bei Mäusen, stellte das Team dennoch einen erheblichen Rückgang der Körperkerntemperatur fest. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass durch Ultraschall bei einem Tier, das von Natur aus nicht in Erstarrung gerät, ein erstarrungsähnlicher Effekt hervorgerufen wurde, ein bedeutsames Novum, sagte Chen.

„Es ist aufregend zu sehen, wie diese Art von bedeutender Neuromodulation mit einer so einfachen Technologie durchgeführt wird. Es wird interessant sein, die Entwicklung dieses neuartigen Ansatzes zu verfolgen, der eines Tages große Auswirkungen auf die Klinik und darüber hinaus haben könnte“, sagte Randy King, Ph .D., Direktor des Ultraschallprogramms in der Abteilung für angewandte Wissenschaft und Technologie am National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB).

Das Team beabsichtigt, seine Technik weiterzuentwickeln und die Technologie an die menschliche Anatomie anzupassen.

Wenn sie beweisen, dass Ultraschall bei Menschen Erstarrung auslösen kann, könnte Ultraschall zu einem festen Bestandteil bei der Behandlung von Patienten werden, die einen Schlaganfall oder Herzinfarkt erlitten haben. Durch die Verlangsamung des Stoffwechsels eines Patienten könnte die Methode die durch diese Erkrankungen verursachten Schäden minimieren und Ärzten mehr Zeit geben, ein Heilmittel zu finden und anzuwenden.