Wissenschaftler könnten in der Lage sein, Mars-Astronauten mithilfe von Schallwellen in einen „schwebenden Animationszustand“ zu versetzen, so eine Mausstudie
Wissenschaftler haben die Gehirne von Mäusen und Ratten mit Ultraschall beschallt, um sie in einen schlafähnlichen Zustand zu versetzen, und die Forscher sagen, dass die Technik eines Tages bei verletzten Menschen auf der Intensivstation oder bei Astronauten auf Langstreckenflügen im Raum eingesetzt werden könnte.
Die einzigartige Methode, bei der Ultraschall auf eine Region des Gehirns abgefeuert wird, die für die Steuerung des Stoffwechsels und der Körpertemperatur verantwortlich ist, senkte die durchschnittliche Körpertemperatur der Nagetiere um bis zu 3,5 Grad Celsius und verlangsamte gleichzeitig die Geschwindigkeit senken ihre Herzfrequenz und reduzieren ihren Sauerstoffverbrauch.
Die Ergebnisse der Tierstudie könnten den Forschern einige Hinweise darauf liefern, wie Winterschlaf-ähnliche Zustände oder Erstarrung beim Menschen sicher und nicht-invasiv hervorgerufen werden könnten. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am Donnerstag (25. Mai) in der Zeitschrift Naturstoffwechsel.
„Wenn diese Technologie erfolgreich am Menschen demonstriert wird, birgt sie ein erhebliches Potenzial für medizinische Anwendungen, insbesondere bei lebensbedrohlichen Erkrankungen wie Schlaganfall und Herzinfarkt“, so der Hauptautor der Studie Hong Chen, außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik an der Washington University in St. Louis, sagte gegenüber WordsSideKick.com. „Die Herbeiführung eines erstarrenden Zustands bei diesen Patienten könnte das Behandlungsfenster verlängern und ihre Überlebenschancen erhöhen“, sagte sie.
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Wenn die Nahrung knapp oder das Wetter zu kalt ist, bewahren einige Säugetiere, Vögel, Insekten, Amphibien und Fische ihre Energie, indem sie unwillkürlich in einen Zustand verfallen, der als Erstarrung bekannt ist. Dabei handelt es sich um einen mysteriösen und vorübergehenden Zustand, der durch einen drastisch reduzierten Stoffwechsel gekennzeichnet ist.
Im trägen Zustand sinken Körpertemperatur und Herzfrequenz eines Tieres dramatisch und sein Blutfluss verlangsamt sich. Während des Winterschlafs (ein freiwilliger, im Voraus vorbereiteter Akt) kommt es bei den Tieren zu mehreren Anfällen von Erstarrungszuständen. Sie verlangsamen ihre Herzfrequenz von Hunderten Schlägen pro Minute auf nur noch eine Handvoll; atmen Sie einmal alle zehn Minuten oder länger; und drosseln ihre Gehirnaktivität, bis sie nicht mehr nachweisbar ist.
Tatsächlich werden in trägen Phasen so wenige unbewusste Funktionen ausgeführt, dass viele Tiere im Winterschlaf regelmäßig aufwachen müssen schlaf mal richtig.
Die tiefgreifenden physiologischen Veränderungen von Torpor reduzieren die Energie, die Tiere zum Überleben benötigen, drastisch. Daher ist es vielleicht nicht verwunderlich, dass Wissenschaftler seit langem daran interessiert sind, herauszufinden, ob diese Vorteile auch Menschen in schwer verletzten Zuständen oder Menschen auf langen und einsamen Flügen zu fernen Planeten zugute kommen könnten.
Tatsächlich reichen Aufzeichnungen über den potenziellen medizinischen Nutzen von Hypothermie, einem normalerweise gefährlichen Abfall der Körpertemperatur, bis ins alte Ägypten zurück. Es wurde auch von Napoleons Chefarzt Baron de Larrey während der gescheiterten französischen Invasion in Russland im Jahr 1812 beobachtet. Lerrey vollgepackte Gliedmaßen mit Eis bevor er sie amputierte, und bemerkte, dass verwundete Männer durch die Wärme des Feuers schneller starben als in der Nähe der Kälte. Heutzutage nutzen Chirurgen Unterkühlungszustände, um die Überlebenschancen von Patienten bei Herz- und Gehirnoperationen zu erhöhen.
Aber ob Menschen, die nicht von Natur aus in Erstarrungszustände geraten, künstlich und sicher in diesen Zustand versetzt werden können, bleibt eine offene Frage.
Um diese Möglichkeit zu untersuchen, entwickelten die Wissenschaftler hinter der neuen Studie einen tragbaren Ultraschallhut, den sie zunächst auf die Köpfe von Mäusen klebten. Nach dem Einschalten strahlte das Gerät Ultraschallwellen in einen Teil des Gehirns der Nagetiere, den sogenannten präoptischen Bereich des Hypothalamus, eine kritische Gehirnregion für die Kontrolle der Körpertemperatur und des Schlafs bei vielen Tieren sowie für die Aktivierung des Winterschlafs und der Erstarrungszustände bei Tieren im Winterschlaf.
Nachdem sie den Ultraschallstößen ausgesetzt worden waren, verfielen die Mäuse sofort in einen schläfrigen Zustand, in dem ihre Körpertemperatur, Herzfrequenz und Sauerstoffaufnahme drastisch sanken. Die Mäuse wurden träge und fraßen deutlich weniger Futter.
Durch die Wiederholung der Ultraschallstöße jedes Mal, wenn die Körpertemperatur der Mäuse über einen Zielwert anstieg, konnten die Wissenschaftler die Mäuse bis zu 24 Stunden lang in diesem schläfrigen Zustand halten, ohne Anzeichen von Verletzungen oder Beschwerden zu beobachten. Wenn der Ultraschallhut ausgeschaltet wurde, erholten sich die normale Körpertemperatur und das Aktivitätsniveau der Mäuse in weniger als 90 Minuten.
Nachdem sie ihr Experiment mit 12 Ratten wiederholt hatten, stellten die Wissenschaftler fest, dass das Gerät auch dazu führte, dass die Körpertemperatur der Ratten sank, wenn auch in einem flacheren Rückgang von bis zu 2 °C. Dies bedeute, schrieben die Studienautoren, dass der Hut immer noch bei Säugetieren funktionieren könnte, die nicht von Natur aus in die Erstarrung geraten – einschließlich Menschen.
„Weitere Forschung ist noch erforderlich, um die Sicherheit und Durchführbarkeit dieses Ansatzes beim Menschen zu bestimmen“, sagte Chen. „Wir könnten uns vorstellen, dass Astronauten ein helmähnliches Gerät tragen, das auf die Hypothalamusregion abzielt und einen schläfrigen Zustand herbeiführt.“
Es bleiben jedoch noch viele Hürden zu überwinden, bevor erstarrende Ultraschallgeräte eingesetzt werden können, um Ärzten bei Operationen Zeit zu verschaffen oder Astronauten in eine Art Schwebezustand zu versetzen.
Die Forscher fanden heraus, dass ihr Ultraschallhut scheinbar einen schlaffen Zustand hervorruft, indem er einen bestimmten Ionenkanal – einen Durchgang für geladene Teilchen – in den Gehirnzellen von Nagetieren stimuliert, aber die in freier Wildbahn beobachtete natürliche Schlaffheit geht auch mit anderen hormonellen Veränderungen einher und molekulare Ebenen, die nicht gut verstanden sind. Die Auswirkungen des langfristigen Winterschlafs auf das Gehirn sind ebenfalls unklar, einige Studien weisen jedoch auf die Möglichkeit hin, dass er bei Tieren im Winterschlaf zu Gedächtnisverlust führen könnte.
„Es ist bemerkenswert, wie wenig wir über die Auswirkungen des Winterschlafs, insbesondere über einen längeren Zeitraum, auf die Gehirnfunktion, synaptische Verbindungen oder Erinnerungen wissen“, Vladyslav Vyazovskiyein Professor für Schlafphysiologie an der Universität Oxford, der nicht an der neuen Studie beteiligt war, sagte gegenüber WordsSideKick.com.
„Deshalb müssen wir, bevor wir versuchen, Menschen in den Winterschlaf zu versetzen, zunächst sicherstellen, dass wir wissen, wie wir sie unversehrt zurückbringen können“, sagte Vyazovskiy. „Solange wir die Ursachen und Folgen des natürlichen Winterschlafs nicht vollständig verstehen, wird und sollte die Möglichkeit der Erstarrung beim Menschen im Bereich der Science-Fiction bleiben.“