科學家讓冷凍復蘇后的大腦重新"放電"

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導讀：

最近的一項研究顯示，哺乳動物的腦組織在冷凍復蘇后不僅可以存活，其部分神經功能也首次實現了恢復。

“冷凍休眠”是科幻小說中經典的橋段。在《三體》中，大腦可以被冷凍保存，被重新喚醒時，記憶與意識依舊完整。現實中，類似的嘗試早已存在：目前全球已有數百人在死亡后被冷凍保存[1]，期待未來醫學能夠幫其實現復蘇，這當中約有三分之一到一半僅保存大腦[2]。

然而，這些被冷凍的大腦，真的有可能在未來恢復功能嗎？

科學家一直在探索人類及多種動物腦組織在低溫條件下的保存與復蘇能力。最新發表在《美國科學院院刊》（PNAS）的一項研究表明，哺乳動物的腦組織在冷凍復蘇后不僅可以存活，其部分神經功能也首次實現了恢復[3]。這一進展意味著，我們離“暫停生命再重啟”又近了一步。

要實現冷凍復蘇并不容易，其中最大的難題來自冰晶，因為在低溫凍結過程中，水分結晶會像刀片一樣破壞細胞結構，尤其是精密的神經連接。因此，普通的冷凍方法往往無法維持神經結構的完整性和功能的正常性。

為了繞開冰晶帶來的致命破壞，科學家提出了這樣一種思路：如果溫度降低得非常快，水分子便來不及形成規則晶體結構，生物樣本從而能轉變為一種無序的固態，即“玻璃態”。然而，實現這種狀態需要極高的冷卻速率，通常只能在體積很小的樣本中實現，否則由于散熱速度受限，失敗率會大幅提升。

隨后，冷凍保護劑（cryoprotectants, CPA），如甘油和二甲基亞砜（DMSO）逐步被引入。這些分子可以與水形成氫鍵，通過降低冰點并提高體系黏度來抑制冰晶形成。到二十世紀九十年代，冷凍保護劑玻璃化技術已在胚胎和卵母細胞中取得成功[4]，并成為生殖醫學的重要工具。

但將這一策略拓展到大腦等更復雜的器官的過程面臨多重挑戰，因為不僅要避免冰晶形成，還必須嚴格控制冷凍保護劑的毒性、滲透壓變化，以及冷卻和復溫過程中產生的機械應力。要避免結晶，需要高濃度保護劑和快速降溫；但保護劑濃度過高又會帶來毒性，同時快速的滲透變化也可能導致細胞脫水或膨脹損傷。

因此，盡管利用冷凍技術保存大腦的嘗試已持續數十年，但迄今為止，尚未實現冷凍后完整的生理功能恢復。冷凍復溫普遍會導致突觸連接的丟失[5-6]。

在最新研究中，來自德國埃朗根–紐倫堡大學的團隊通過系統性優化，在一系列相互制約的因素之間找到了關鍵平衡點，從而最大限度地降低了冷凍保護劑加載過程中的毒性、滲透性收縮以及冷損傷，使得復溫后海馬體的關鍵特征得到了保留，包括結構完整性、代謝反應性、神經元興奮性以及突觸傳遞和可塑性。

研究人員首先在厚度為 350 微米的小鼠腦切片上進行試驗，這些切片包含了海馬體。海馬體是位于大腦內負責將短期記憶轉化為長期記憶的區域，并參與空間導航與學習過程。在冷卻策略上，如果直接將腦切片投入 ?196°C 的液氮中，巨大的溫差會使組織像熱玻璃驟冷一樣發生物理開裂。因此，研究人員先將切片置于預先被液氮冷卻至 ?196°C 的銅柱上，從下方實現快速且相對均勻的導熱冷卻，隨后再轉移至液氮中，有效避免了結構性損傷。同時，研究人員確定了用于預處理腦切片的保護液的配方及其“黃金濃度”。最終，這些腦切片在 ?150°C 的玻璃態下保存了 10 分鐘到 7 天不等。

在用溫熱溶液復溫后，細胞在去除保護劑時雖然會出現短暫膨脹，但這一過程是可逆的。代謝測試進一步表明，高濃度保護劑（65%）會顯著抑制線粒體功能，使呼吸率下降近一半；而在優化后的“黃金濃度”（59%）條件下，線粒體活性幾乎與未冷凍樣本相當。光學和電子顯微鏡觀察顯示，神經元和突觸膜結構保持完整。

但結構完好不等于功能還在。這項研究的第一作者、德國埃爾朗根–紐倫堡大學的神經學家Alexander German在接受《自然》新聞采訪時說：“我們想觀察一下，在玻璃態中分子運動完全停止之后，功能是否還能重新啟動。”[7]

令人激動的是，在功能層面，電生理記錄顯示，盡管玻璃化后的腦切片電信號較新鮮樣本略有減弱，但整體神經回路仍然能夠正常傳導信號。而且，長時程增強（LTP）在冷凍后依然存在。

長時程增強（LTP）是一種神經元之間連接被“加強”的現象，比如兩條神經通路反復同時被激活后，它們之間的信號傳遞會變得更高效。這種連接強度的持久變化，就是大腦存儲記憶的基礎機制之一。LTP 的保留意味著，大腦中支撐記憶形成的生理機制在冷凍過程中基本被保存了下來。

隨后，研究團隊將該方法擴展到整個小鼠大腦，但這一過程需要反復優化，因為血腦屏障對水和冷凍保護劑的通透性不同，水流失往往快于保護劑進入快，導致腦組織嚴重脫水。為此，他們采用“交替平衡”策略，反復交替加入冷凍保護劑和補液，在脫水和水腫之間取得了平衡。最終在 ?140°C 的玻璃態中保存最長達 8 天。

復溫后，研究人員再次制備腦切片并進行測量，結果顯示，包括海馬記憶通路在內的神經網絡仍然存活，并且可以發生長時程增強。由于測量實驗是在腦切片上完成的，研究人員暫時無法判斷這些動物的記憶是否在冷凍過程中得以保留。

German表示，“這些發現暗示未來或許可以在疾病或嚴重損傷后保護大腦、建立器官庫”。目前，團隊正將該方法從小鼠擴展到人類腦組織。

“我們已經獲得了一些初步數據，顯示人類皮層組織具有存活能力。” German說[7]。團隊還在探索玻璃化方法在整器官冷凍保存中的應用，尤其是心臟。

不過，要將這一技術推廣至大型器官，甚至整只哺乳動物的長期保存，仍遠遠超出當前研究能力的范圍，相關探索仍在持續推進。

German 指出：“在將這些原理應用于大型人體器官之前，我們仍需要更優化的玻璃化溶液，以及更加精確的冷卻與復溫技術。”[7]

雖然冷凍復蘇技術真正走向臨床還有很長的路要走，但每一次微小的突破，都在將科幻小說中的想象，一步步地拉入我們的現實世界。

參考文獻：

[1]https://www.alcor.org/

[2]http://politics.people.com.cn/n/2015/0918/c70731-27601250.html

[3]German, Alexander, et al. "Functional recovery of the adult murine hippocampus after cryopreservation by vitrification." Proceedings of the National Academy of Sciences 123.10 (2026): e2516848123.

[4]Kuleshova, Lilia, et al. "Birth following vitrification of a small number of human oocytes: case report." Human Reproduction 14.12 (1999): 3077-3079.

[5]Ivlicheva, N. A., et al. "Electrophysiological activity of the brain of the mollusk Lymnaea stagnalis L. after cryopreservation in liquid nitrogen (? 196° C)." Biochemistry (Moscow) Supplement Series A: Membrane and Cell Biology 8.4 (2014): 324-333.

[6]Pichugin, Yuri, Gregory M. Fahy, and Robert Morin. "Cryopreservation of rat hippocampal slices by vitrification." Cryobiology 52.2 (2006): 228-240.

[7]https://www.nature.com/articles/d41586-026-00756-w

來源：賽先生

編輯：晨曙

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