Vladyslav Vyazovskiy, universitair hoofddocent neurowetenschappen, University of Oxford
Op koude, donkere dagen is het verleidelijk om je voor te stellen dat je jezelf opsluit totdat het weer warmer wordt. Veel dieren doen dat door in een toestand te komen die bekend staat als torpor, waarbij ze hun lichaamsfuncties tot een minimum beperken en de vetreserves in hun lichaam gebruiken voor energie. Zou de mens ooit op dezelfde manier een winterslaap kunnen houden?
Naast het feit dat het een handige manier is om de winter te vermijden, zou een reden om dat uit te vinden de komst van verre ruimtereizen kunnen zijn. Een reis naar onze dichtstbijzijnde planeet Mars zou met de huidige technologie ongeveer acht maanden duren. Als we op een dag een ander sterrenstelsel willen bezoeken, zou de reis, zelfs als we met de snelheid van het licht kunnen reizen, jaren duren. De mogelijkheid om in een toestand van langdurige verdoving te geraken, zou dergelijke afstanden aanzienlijk minder vervelend maken voor de astronauten en vitale hulpbronnen sparen.
Als neurowetenschapper maak ik momenteel deel uit van een team van deskundigen dat door het Europees Ruimteagentschap is georganiseerd om uit te zoeken of en hoe we mensen in een toestand van verdoving zouden kunnen brengen. Het is nog een open vraag, maar we kunnen, althans in theorie, niet uitsluiten dat het mogelijk is.
Lichaamstemperatuur en metabolisme
Egelaars gaan in langdurige perioden van torpor, meestal tijdens de winter.
(Credit: )
Torpor lijkt te zijn geëvolueerd om effectief de gaten te vullen in die perioden van het jaar waarin er voor bepaalde dieren geen noodzaak is om in de wereld te zijn, bijvoorbeeld wanneer voedsel schaars is. Technisch gezien verwijst het naar een gereguleerde toestand van verlaagd metabolisme, wat betekent dat de chemische reacties in het lichaam van een organisme die het in leven houden, worden vertraagd. De hartslag, de ademhaling en het energieverbruik nemen drastisch af en ook de lichaamstemperatuur kan dalen.
Wanneer en hoe lang dieren in torpor gaan, kan enorm variëren, van vele maanden per jaar, tot slechts een paar uur per dag gedurende een periode van een paar maanden. Sommige dieren, zoals muizen en kolibries, gaan dagelijks in een staat van torpor als ze energie moeten sparen. Andere, zoals egels en beren, gaan in langdurige perioden van torpor, meestal tijdens de winter (dit noemen we winterslaap). De soorten die elk jaar in winterslaap gaan, zelfs als de omstandigheden buiten stabiel zijn, worden verplichte winterslapers genoemd.
Het feit dat grote zoogdieren zoals beren en zelfs primaten, zoals de dikstaartige dwergmaki van Madagascar, in winterslaap kunnen gaan, betekent dat de mens theoretisch niet te groot of te energieverslindend is om in winterslaap te gaan. Ook onze evolutionaire oorsprong belet ons niet om dat te doen, want winterslapers zijn op grote schaal aangetroffen bij alle soorten zoogdieren.
Gecontroleerde hypothermie en metabolisme worden al op grote schaal gebruikt in de klinische praktijk, zoals tijdens hartoperaties en om weefsels te beschermen tegen schade wanneer de bloedstroom is verminderd, zoals na een beroerte. Door verlaging van de lichaamstemperatuur en de stofwisseling hebben cellen minder zuurstof nodig, waardoor ze kunnen overleven in omstandigheden waarin geen zuurstof kan worden geleverd. Dit proces van kunstmatige afkoeling bij de mens lijkt op spontane torpor bij dieren in die zin dat het een verlaagde ademhaling, hartslag en stofwisseling inhoudt. Maar het belangrijkste verschil is dat dieren de manier lijken te “kennen” om veilig en spontaan in torpor te geraken. Om de lichaamstemperatuur van een mens te verlagen door zijn natuurlijke thermoregulatie te blokkeren, is een agressief gebruik van geneesmiddelen nodig.
Een van de moeilijkheden bij het nabootsen van torpor is dat we niet echt weten hoe dieren het proces in gang zetten en in stand houden. Er is veel onderzoek naar gedaan, maar tot nu toe zijn er weinig afdoende antwoorden verkregen. Enerzijds is het mogelijk dat torpor op een “bottom up”-manier in gang wordt gezet, te beginnen met veranderingen die zich op moleculair niveau in afzonderlijke lichaamscellen voordoen. Maar een “top down” benadering, waarbij signalen van het zenuwstelsel of hormonen een rol spelen, kan ook een rol spelen.
Bescherming van de hersenen
Er is nog een andere belangrijke kwestie met het idee van menselijke winterslaap, en dat is wat het zou kunnen doen met de hersenen. Dieren die een winterslaap houden, komen regelmatig voor een periode van uren of dagen uit hun winterslaap, maar brengen die tijd vaak slapend door alvorens weer in winterslaap te gaan. Ook dieren die uit hun dagelijkse winterslaap komen, gaan meestal in een diepe slaap.
Dit heeft ertoe geleid dat sommige wetenschappers suggereren dat, hoewel we aan winterslaap denken als aan een lange slaap, winterslaap in feite een slaaptekort creëert en dat de dieren dit regelmatig moeten compenseren. We kunnen dit zien aan de manier waarop de hersengolfpatronen van dieren vergelijkbaar zijn wanneer ze uit torpor komen met wanneer ze een slaaptekort hebben gehad.
Dit komt misschien omdat de lage stofwisseling en lichaamstemperatuur van torpor worden geassocieerd met activiteit in die hersengebieden, die typisch worden geassocieerd met slaapregulatie. Maar het kan ook zijn omdat torpor de hersenen verandert op een manier die het zou kunnen beschadigen als het niet werd hersteld door de mechanismen van slaap. De hersenen zijn zeer gevoelig voor zuurstoftekort en moeten dus worden beschermd gedurende de tijd dat de toevoer van bloed en voedingsstoffen is verminderd.
Een andere manier waarop torpor de hersenen beïnvloedt, is door het verminderen en reorganiseren van de synaptische verbindingen die de basis vormen van ons geheugen. Onderzoek bij dieren zoals vleermuizen toont aan dat de meeste herinneringen bewaard blijven, zelfs na vele maanden in een toestand van bijna volledige neuronale depressie. Maar sommige herinneringen lijken beter te worden verzorgd dan andere, zoals het vermogen om zich naaste verwanten te herinneren. Dus als we menselijke winterslaap willen induceren, zou het van vitaal belang zijn om nader te onderzoeken hoe herinneringen gedurende een lange periode van torpor behouden blijven.
Hoewel we nog steeds niet zeker weten of veilige langdurige menselijke winterslaap mogelijk is, kan onderzoek naar potentiële mechanismen de nieuwe inzichten verschaffen die nodig zijn om dit werkelijkheid te laten worden. Recente technologische vooruitgang en nieuwe farmacologische en genetische hulpmiddelen hebben al aangetoond dat er een groot potentieel is om slaap te induceren of te manipuleren. Maar om volledig te begrijpen hoe we op een veilige manier menselijke winterslaap kunnen induceren, moeten we waarschijnlijk de belangrijkste hersencircuits ontleden en de belangrijkste moleculaire paden identificeren die onze slaapfuncties reguleren.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.