环球科学：10秒超声，就能让哺乳动物陷入“冬眠”

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　　· 医学 ·

　　脑-脊髓接口使瘫痪患者恢复行走能力

　　脑-脊髓接口使患者能自然行走。图片来源：JIMMY RAVIER

　　脊髓损伤会破坏大脑与控制行走的脊髓区域之间的通信，导致瘫痪。之前恢复这类瘫痪患者运动能力的技术需要对脊髓区域进行电刺激，来实现站立和行走。然而，患者需要佩戴运动传感器，而且适应不断变化的地形的运动能力也有限。近日，一项发表在《自然》（Nature）上的研究指出，通过一种能恢复大脑和脊髓间通信的植入装置，从而使一位手臂和腿部瘫痪的患者自然站立和行走。这种装置甚至可以促进神经恢复，从而使这位患者在植入装置关闭后仍能使用拐杖行走。

　　Gert-Jan Oskam于 2011 年在一次自行车事故中脊椎受伤，从此失去了行走能力。研究人员在他身上测试了一个脑-脊髓接口（BSI），BSI由一个植入的记录和刺激系统组成，能让大脑和参与行走的脊髓区域连接起来：想要步行的脑电波从植入头骨的设备传输到负责刺激脊髓的地方，从而使在受损组织周围传输信号，并将电脉冲传送到脊髓以促进运动成为可能。根据该患者的报告，这个BSI能让他自然控制腿部在站立、行走、爬楼梯甚至是经过复杂地形时的运动。甚至在BSI关闭后，该患者也能重新掌握能力，用拐杖在地面行走。这种在大脑和脊髓间搭建数字桥梁的概念，或有助于改善对神经系统疾病导致的运动障碍的治疗。

　　· 生理学 ·

　　诱导小鼠和大鼠进入冬眠样状态

　　通过超声波诱导冬眠样状态。图片来源：Chen laboratory, Washington University in St. Louis

　　近日，一项发表于《自然·代谢》（Nature Metabolism）的研究表明，定向头部的超声脉冲可以诱导小鼠和大鼠出现可逆的冬眠样状态。蛰眠（Torpor）是一种类似冬眠的生理状态，在此状态下哺乳动物会抑制代谢、降低体温，减缓其他生理过程以保存能量，并且这会受到中枢神经系统的控制。而超声波已被表明能够激活动物的神经细胞。

　　研究人员开发了一个可安装在自由活动的小鼠头部的超声发射器，并针对下丘脑视前区（可调节冬眠活动）施加了10秒超声脉冲。结果显示，这在雌鼠和雄鼠中激发了即时体温下降数度（平均3~3.5℃），同时伴有心率下降和氧消耗下降，并在2小时内完全恢复。为了使这类蛰眠状态维持长达24个小时，研究人员通过结合超声发射器和一个自动系统，在它们体温开始回升时发射重复超声脉冲——实验动物并没有伤害或不适的迹象。值得一提的是，大鼠通常不会自然冬眠，然而这一技术在12只大鼠身上生效了，尽管它们体温仅下降1~2℃。研究人员表示，这种延缓代谢、降低体温的非侵入性且可逆的技术，或许可以应用于急救等。但还需更多研究来调查这一方法对人类的安全性。

　　· 物理学 ·

　　首次在伊辛超导体中发现特殊超导态证据

　　电子两两配对组成库珀对后凝聚形成的量子态被称为超导态。经典的超导体中，库珀对的两个电子动量相反，因此总动量为零。但曾有理论物理学家预测，在低温强磁场条件下，塞曼效应可能会导致电子组成动量不为零的库珀对，而这种库珀对在凝聚后会表现出波动的特性，也被称为FFLO超导态。但在普通超导体中实现FFLO态需要超低温和强磁场，很难在实验上实现。最近，一项发表在《自然》（Nature）上的研究显示，研究人员首次在实验上证实了伊辛超导体中存在轨道效应驱动的特殊FFLO态，而且是在较高温度和较弱的磁场条件下实现的。

　　通常条件下研究团队此前就曾发现，类似单层二硫化钼这样具有特殊晶体结构的伊辛超导体，能抵抗磁场对超导性的破坏，在强磁场下仍能保持超导性。他们还发现双层的二硫化钼会失去对超导性的伊辛保护作用，但通过电场调控又能恢复。他们那时就在样品中观察到了FFLO态，但没有足够的证据。在重新制备出样品后，他们发现伊辛超导体中的确存在FFLO态。与经典FFLO态由塞曼效应与自旋轨道耦合相互作用驱动不同的是，伊辛超导体会锁定自旋从而抑制该相互作用，转而由轨道效应驱动，形成特殊的轨道FFLO态。这项研究为实现FFLO超导提供了一种新途径，并提出了一项实现轨道FFLO态的通用机制。（UNIVERSITY OF GRONINGEN）

　　· 医学 ·

　　母乳代谢物驱动小鼠心脏发育

　　出生会给新生的心脏带来许多挑战，需要心脏细胞经历多种变化和成熟。例如，心肌细胞（心脏的收缩细胞）需要重塑对所需能量物质的偏好，从葡萄糖转为脂肪酸，让心脏可以终身高效搏动。但人们对这一成熟过程背后机制的了解尚不深入。近日，据《自然》（Nature）发表的一篇论文显示，一种母乳中的脂肪酸对于新生小鼠心脏的成熟十分关键。这些发现揭示了环境因素如何影响新生小鼠出生后心脏发育的机制。

　　研究人员表明，小鼠母乳中称为γ-亚麻酸（γ-linolenic，GLA）的脂肪酸负责引导出生以后新生心脏的代谢适应。GLA不能被小鼠（或人类）合成，它必须通过摄入才能得到。新生小鼠服用的母乳如果来自摄入无脂饮食的母鼠，这些小鼠无法在出生后活过两天，但如果在这些乳汁中补充GLA，就能恢复新生小鼠的正常生存。研究者还在心肌细胞中识别出类视黄醇X受体（retinoid X receptor），作为GLA结合和激活的靶点，以启动心肌细胞的代谢成熟过程。研究人员表示，这一研究仅聚焦于小鼠， GLA是否在人类乳汁中对新生儿心脏功能或代谢成熟同样必要，仍有待进一步研究。

　　· 化学 ·

　　陨石和火山颗粒物或促进了生命反应的起源

　　此前研究表明，有机分子的前体——烃类、醛类和醇类——可能是小行星和彗星带来或者由地球早期大气与海洋的反应所生成。这些反应可能由闪电、火山活动或撞击的能量所促成。但是数据的匮乏意味着人们还不清楚产生此类前体的主要机制。根据《科学报告》（Scientific Reports）发表的一篇论文，生命起源所需分子的前体，可能产生自富含铁的颗粒，来自陨星或地球上约44亿年前的火山爆发。

　　作者研究了小行星或火山岛沉积的尘埃颗粒是否能够推动大气二氧化碳转变为早期地球上有机分子的前体。他们模拟了一系列过去研究中认为在早期地球存在的条件。通过在系统中加入不同组合的铁陨石、石陨石或火山灰等的粉碎样本，还有可能出现在早期地球上以及在地壳、陨石或小行星上发现的矿物，模拟了陨石或火山灰颗粒在火山岛上的沉积。作者发现，陨石和火山灰富含铁的颗粒物，在多种早期地球可能存在的大气和气候条件下，能推动二氧化碳转化为烃类、醛类和醇类。他们观察到，醛类和醇类形成于较低温度下，而烃类形成于300°C环境下。作者认为，早期地球大气随着时间逐渐冷却，醇类和醛类的产生可能增加。这些化合物可能随后参与到进一步反应中，可能形成了碳水化合物、脂类、糖类、氨基酸、DNA和RNA。通过计算他们观察到的反应率，和使用此前对早期地球环境研究的数据，作者估计他们提出的机制可能在早期地球上每年合成高达60万吨有机物前体。作者提出，这一机制结合其他早期地球大气和海洋的反应，可能有助于地球生命的起源。

　　撰文：不周、王怡博