從冬眠動(dòng)物身上， 人類(lèi)如何學(xué)會(huì)“休眠”

自然冬眠的動(dòng)物在冬眠時(shí)會(huì)進(jìn)入一個(gè)核心體溫和代謝率下降的階段，這一狀態(tài)被稱(chēng)為“torpor”。

從古至今，人類(lèi)從未停止對(duì)宇宙的思考與探索。現(xiàn)代宇宙航行學(xué)的奠基人，被稱(chēng)為航天之父的齊奧爾科夫斯基也說(shuō)過(guò)“地球是人類(lèi)的搖籃，但是人類(lèi)不能永遠(yuǎn)生活在搖籃里”。雖然在20世紀(jì)60—70年代，人類(lèi)的腳步就已經(jīng)踏上了月球。但是直到今天，我們?nèi)员幌拗圃诘卦驴臻g之內(nèi)。這是因?yàn)榧幢闶侨サ诫x我們最近的可登陸行星——火星，也需要500天的時(shí)間才能夠完成往返。而去到離太陽(yáng)系最近的恒星——比鄰星，單程就有4.22光年的距離。除了路途遙遠(yuǎn)，長(zhǎng)期太空飛行中航天員所面臨的一系列生理和心理問(wèn)題以及航天器上極其有限的資源等等，都是限制我們邁向深空的阻礙。

在科幻小說(shuō)與電影中，宇航員往往會(huì)進(jìn)入一個(gè)“休眠”狀態(tài)來(lái)完成長(zhǎng)距離飛行。這并不是一個(gè)天馬行空的幻想。早在20世紀(jì)60年代，一些科學(xué)家就提出了通過(guò)抑制代謝來(lái)實(shí)現(xiàn)人類(lèi)“休眠”的構(gòu)想。進(jìn)入21世紀(jì)，美國(guó)航空航天局 （NASA） 與歐洲空間局（ESA）陸續(xù)提出誘導(dǎo)人類(lèi)“休眠”設(shè)想，并著手進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。對(duì)于這項(xiàng)前沿技術(shù)，我們首先需要了解到“休眠”不是冷凍，而是通過(guò)各種技術(shù)手段來(lái)降低宇航員的核心體溫，并使新陳代謝變得“遲鈍”。“休眠”可以減少物資消耗，降低航天員對(duì)活動(dòng)空間的需求。這些變化可以在航天器的設(shè)計(jì)上將更多的空間和資源分配給動(dòng)力系統(tǒng)。更為重要的是，“休眠”除了能夠降低空間環(huán)境對(duì)航天員生理上的影響，還能消除任務(wù)中的緊張和孤獨(dú)感，減少對(duì)航天員精神健康的威脅。ESA因此認(rèn)為“可控的冬眠是載人太空飛行中一種改變游戲規(guī)則的技術(shù)”。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，低溫低代謝狀態(tài)的人類(lèi)“休眠”將是進(jìn)行登陸火星等深空探索任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

非冬眠動(dòng)物無(wú)法自發(fā)進(jìn)入休眠狀態(tài)

自然冬眠的動(dòng)物在冬眠時(shí)會(huì)進(jìn)入一個(gè)核心體溫和代謝率下降的階段，這一狀態(tài)被稱(chēng)為“torpor”。Torpor的誘發(fā)因素很多，包括環(huán)境因素（例如寒冷、食物短缺、晝夜節(jié)律等）和自身因素（饑餓、睡眠等）。在Torpor時(shí)期，動(dòng)物體溫最低可降至3～5℃，基礎(chǔ)代謝率可以低至1%～5%，且行為受到抑制，呈現(xiàn)假死狀態(tài)。但這種時(shí)期并不會(huì)一直持續(xù)，會(huì)被定期的“Arousal”覺(jué)醒狀態(tài)（2～30天，存在物種差異）所打斷。覺(jué)醒之后體內(nèi)代謝水平與核心體溫均迅速回升，以確保一些關(guān)鍵的生理功能不受損傷。周期性的Torpor-Arousal循環(huán)就組成了完整的冬眠過(guò)程。而非冬眠動(dòng)物由于缺乏相關(guān)生物學(xué)機(jī)制，不具有自發(fā)產(chǎn)生Torpor-Arousal周期性狀態(tài)變換的能力，因此需要通過(guò)一些物理或者藥理學(xué)方法的誘導(dǎo)來(lái)進(jìn)入低溫低代謝的狀態(tài)。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)是調(diào)控Torpor-Arousal轉(zhuǎn)換的核心

中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的一些解剖學(xué)和功能性連接在控制Torpor-Arousal轉(zhuǎn)換過(guò)程中起關(guān)鍵作用。無(wú)論是休眠還是覺(jué)醒都離不開(kāi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中特定神經(jīng)元與神經(jīng)環(huán)路的調(diào)控。在去年6月，Nature 更是同期連發(fā)兩篇嚙齒動(dòng)物誘導(dǎo)“Torpor”的重磅文章。此外，12月11日 Nature Communications 也報(bào)道了類(lèi)似的新發(fā)現(xiàn)。3項(xiàng)研究均提出并證實(shí)了下丘腦內(nèi)的特定神經(jīng)元在非冬眠動(dòng)物休眠誘導(dǎo)過(guò)程中起著重要的調(diào)控作用。這些研究進(jìn)展進(jìn)一步提示我們，未來(lái)啟動(dòng)人類(lèi)“休眠”的鑰匙很有可能在下丘腦及相關(guān)環(huán)路中被發(fā)現(xiàn)。

可控且安全的休眠-蘇醒轉(zhuǎn)換對(duì)于非冬眠動(dòng)物的休眠至關(guān)重要

到目前為止，針對(duì)非冬眠動(dòng)物“休眠”的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。但是對(duì)于人類(lèi)“休眠”而言，安全性和可控性才是這項(xiàng)技術(shù)首先需要解決的問(wèn)題。在休眠-蘇醒轉(zhuǎn)換過(guò)程中伴隨著核心體溫與代謝率的大幅度波動(dòng)，冬眠動(dòng)物幾乎不會(huì)出現(xiàn)明顯的器官和組織損傷。而對(duì)于非冬眠動(dòng)物而言，缺乏相應(yīng)的保護(hù)機(jī)制，則很可能出現(xiàn)顯著的細(xì)胞應(yīng)激和功能損傷。尤其是對(duì)于人體最大的耗能器官——大腦，較長(zhǎng)時(shí)間的低溫低代謝狀態(tài)，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能必定會(huì)造成深遠(yuǎn)的影響。而冬眠動(dòng)物在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的休眠狀態(tài)后，神經(jīng)連接與功能都可以恢復(fù)到休眠前的狀態(tài)。因此，揭示自然冬眠的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制有助于解決人類(lèi)“休眠”的關(guān)鍵技術(shù)難題。

人類(lèi)“休眠”的未來(lái)

人類(lèi)的“休眠”不能一味追求“時(shí)間靜止”。可以根據(jù)任務(wù)類(lèi)型的不同，在資源消耗與休眠程度和方式的設(shè)計(jì)上尋找最佳平衡點(diǎn)。盡管中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)于“休眠”的調(diào)控作用十分重要，但“休眠”狀態(tài)是機(jī)體對(duì)環(huán)境變化的整體反應(yīng)，幾乎涉及所有的器官組織，對(duì)其他組織器官的“休眠”研究也需要同步開(kāi)展。總之，人類(lèi)“休眠”是一項(xiàng)復(fù)雜多領(lǐng)域系統(tǒng)性工程，需要融合包括生物、醫(yī)學(xué)、材料、化學(xué)等各學(xué)科的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想。值得一提的是，隨著我國(guó)空間站和地外基地建設(shè)的開(kāi)展，可以將“休眠”研究的主戰(zhàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移到空間實(shí)驗(yàn)室。這將更有利于對(duì)航天員選拔和訓(xùn)練思路的調(diào)整，早日實(shí)現(xiàn)安全可控的人類(lèi)“休眠”并應(yīng)用于載人深空探索。此外，世界主要航天大國(guó)相繼啟動(dòng)登月或登陸火星的計(jì)劃，也將加速推進(jìn)人類(lèi)“休眠”相關(guān)研究的開(kāi)展。