大脑过热会发生什么?

实际上，这是非常不可思议的。整个大脑都亮了，”挪威科技大学(NTNU)的博士候选人安娜·安德里森说。

生物，无论是鱼还是人，随着周围温度的升高，它们的功能往往会下降。这可能是许多人在有点太热的夏天都经历过的事情。但是当温度变得不舒服时，身体内部到底发生了什么?

NTNU生物学系的研究人员将遗传技术和神经生理学方法结合起来，以找到答案。

“我们想研究限制生物体热耐受性的机制。当气候变化导致地球温度升高时，哪些动物能生存下来，为什么?我们选择研究大脑，”安德里森说。

气候变化导致热浪

席卷大陆的热浪正变得越来越普遍，生活在水中的动物正经历着上升到致命水平的温度。了解是什么限制了生物在极端高温下的生存，对于预测生物将如何应对气候变化至关重要。

“热耐受性是一个研究了几十年的话题，温度影响大脑活动的观点是一个古老的观点。新的是我们现在可以使用基因技术和神经生理学来研究这一现象，”安德里森说。

在特隆赫姆的NTNU，研究人员使用新孵化的斑马鱼幼虫来研究它们的大脑活动，同时逐渐提高幼鱼周围的温度。

“这些鱼经过基因改造，大脑中的神经元在活跃时发出荧光。当幼虫游动时，我们可以在显微镜下看到这种光。这些小鱼的另一个优势是它们是透明的。我们可以直接观察活幼虫的大脑，”安德森说。

丧失反应能力

通过这种方式，研究人员可以跟踪大脑活动，同时逐渐提高鱼类游泳的水温。

“我们可以看到幼虫在天气变暖时的表现。当天气开始变得非常温暖时，它们就会失去平衡，开始绕圈游泳，肚子朝上。”

研究人员戳了戳鱼苗，以检查它们的反应。他们轻推幼虫的尾巴，这通常会引发游泳反应。但是，当他们把温度再调高一点时，发生了一些事情。

“在一定的温度下，鱼不再对刺做出反应。它们还活着，但从生态学的意义上讲，它们可以被认为已经死亡。在自然界的这种情况下，它们无法从捕食者那里游开，也无法找到较冷的水域，”安德里森说。他补充说，这种情况对实验用的小鱼来说只是暂时的。

安德森说:“一旦我们再次把它们放到较冷的水中，它们的状态就一样好。”

热会使大脑停止工作

到目前为止，实验进展如研究人员所料。通过在鱼的眼睛前照射光线，他们还可以检查大脑是否感知到视觉印象。随着温度升高，大脑完全停止对刺激做出反应，完全不活动。但是，当他们把温度再调高一点时，发生了一些事情。

“整个大脑都亮了起来。我所能描述的最接近我们所看到的是一种癫痫，”Andreassen说。

通常情况下，你只能在大脑的特定部分以小光点的形式看到大脑活动。现在，惊奇的研究人员可以在显微镜下观察到荧光是如何在几秒钟内扩散开来，并覆盖了小鱼幼虫的整个大脑。

Andreassen说:“我们知道斑马鱼的大脑与人类的大脑有很多相似之处——70%的遗传物质是相同的——研究人员推测，我们在这些鱼幼体中看到的东西与发烧儿童的大脑中看到的东西之间是否存在联系。”

接下来，研究人员想把一种特殊类型的脑细胞神经胶质细胞-在显微镜下。

“我们在这里兴奋地研究胶质细胞在加热过程中的活动。这些细胞在大脑供氧中起着核心作用——它们既检查氧气水平，又调节血液流动，从而调节氧气供应。因为我们可以看到氧气水平会影响热耐受性，一种假设是大脑停止工作是因为神经胶质细胞不再能够调节氧气水平。”

差异促进进化

为了更仔细地观察发生了什么，特隆赫姆的研究人员开始操纵鱼游泳的水中的氧气含量，同时提高温度。

“令我们惊讶的是，我们发现氧气水平在控制热耐受性方面发挥了作用。当我们添加额外的氧气时，与低氧的鱼相比，幼鱼在高温下表现更好，大脑活动更高，而且从暴露在高温极限下恢复得更快。

在测试氧浓度对热耐受性的影响时，对其他物种的研究得出了相反的结果。

因此，随着地球温度的上升，对氧含量波动“不敏感”可能是一种进化优势。

“研究结果表明，热耐受性在物种之间有所不同。这可能是决定一个物种是能够适应气候变化，还是会屈服于气温上升的特征。许多生物生活在缺氧的环境中，那里的温度很快就会高于正常水平。他们尤其容易受到伤害。”

她以生活在浅水区、河流或潮间带的生物为例。

“这些栖息地的氧气水平可能会发生大幅波动，通常与温度波动同时发生。在这些栖息地中，热耐受性受氧气水平限制的鱼类可能比不受影响的鱼类更挣扎。”

“能够在低氧水平下保持神经功能的动物可能是最能忍受高温的动物，”安德里森说。

参考:Andreassen AH, Hall P, Khatibzadeh P, Jutfelt F, Kermen F.变暖期间的大脑功能障碍与幼体斑马鱼的氧限制有关。Proc。国家的。学会科学．2022; 119 (39): e2207052119。doi:10.1073 / pnas.2207052119

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