科學(xué)家讓冷凍復(fù)蘇后的大腦重新"放電"

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導(dǎo)讀：

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

“冷凍休眠”是科幻小說中經(jīng)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(xiàn)實中，類似的嘗試早已存在：目前全球已有數(shù)百人在死亡后被冷凍保存[1]，期待未來醫(yī)學(xué)能夠幫其實現(xiàn)復(fù)蘇，這當(dāng)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(fù)功能嗎？

科學(xué)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(fù)蘇能力。最新發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）的一項研究表明，哺乳動物的腦組織在冷凍復(fù)蘇后不僅可以存活，其部分神經(jīng)功能也首次實現(xiàn)了恢復(fù)[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(xiàn)冷凍復(fù)蘇并不容易，其中最大的難題來自冰晶，因為在低溫凍結(jié)過程中，水分結(jié)晶會像刀片一樣破壞細胞結(jié)構(gòu)，尤其是精密的神經(jīng)連接。因此，普通的冷凍方法往往無法維持神經(jīng)結(jié)構(gòu)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(xué)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(guī)則晶體結(jié)構(gòu)，生物樣本從而能轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N無序的固態(tài)，即“玻璃態(tài)”。然而，實現(xiàn)這種狀態(tài)需要極高的冷卻速率，通常只能在體積很小的樣本中實現(xiàn)，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(jì)九十年代，冷凍保護劑玻璃化技術(shù)已在胚胎和卵母細胞中取得成功[4]，并成為生殖醫(yī)學(xué)的重要工具。

但將這一策略拓展到大腦等更復(fù)雜的器官的過程面臨多重挑戰(zhàn)，因為不僅要避免冰晶形成，還必須嚴(yán)格控制冷凍保護劑的毒性、滲透壓變化，以及冷卻和復(fù)溫過程中產(chǎn)生的機械應(yīng)力。要避免結(jié)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(dǎo)致細胞脫水或膨脹損傷。

因此，盡管利用冷凍技術(shù)保存大腦的嘗試已持續(xù)數(shù)十年，但迄今為止，尚未實現(xiàn)冷凍后完整的生理功能恢復(fù)。冷凍復(fù)溫普遍會導(dǎo)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(xué)的團隊通過系統(tǒng)性優(yōu)化，在一系列相互制約的因素之間找到了關(guān)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(fù)溫后海馬體的關(guān)鍵特征得到了保留，包括結(jié)構(gòu)完整性、代謝反應(yīng)性、神經(jīng)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(nèi)負(fù)責(zé)將短期記憶轉(zhuǎn)化為長期記憶的區(qū)域，并參與空間導(dǎo)航與學(xué)習(xí)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(fā)生物理開裂。因此，研究人員先將切片置于預(yù)先被液氮冷卻至 ?196°C 的銅柱上，從下方實現(xiàn)快速且相對均勻的導(dǎo)熱冷卻，隨后再轉(zhuǎn)移至液氮中，有效避免了結(jié)構(gòu)性損傷。同時，研究人員確定了用于預(yù)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(tài)下保存了 10 分鐘到 7 天不等。

在用溫?zé)崛芤簭?fù)溫后，細胞在去除保護劑時雖然會出現(xiàn)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(yōu)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(dāng)。光學(xué)和電子顯微鏡觀察顯示，神經(jīng)元和突觸膜結(jié)構(gòu)保持完整。

但結(jié)構(gòu)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(xué)的神經(jīng)學(xué)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(tài)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(jīng)回路仍然能夠正常傳導(dǎo)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(jīng)元之間連接被“加強”的現(xiàn)象，比如兩條神經(jīng)通路反復(fù)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(chǔ)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(fù)優(yōu)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(dǎo)致腦組織嚴(yán)重脫水。為此，他們采用“交替平衡”策略，反復(fù)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(tài)中保存最長達 8 天。

復(fù)溫后，研究人員再次制備腦切片并進行測量，結(jié)果顯示，包括海馬記憶通路在內(nèi)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仍然存活，并且可以發(fā)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(fā)現(xiàn)暗示未來或許可以在疾病或嚴(yán)重?fù)p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(jīng)獲得了一些初步數(shù)據(jù)，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(yīng)用，尤其是心臟。

不過，要將這一技術(shù)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(dāng)前研究能力的范圍，相關(guān)探索仍在持續(xù)推進。

German 指出：“在將這些原理應(yīng)用于大型人體器官之前，我們?nèi)孕枰鼉?yōu)化的玻璃化溶液，以及更加精確的冷卻與復(fù)溫技術(shù)。”[7]

雖然冷凍復(fù)蘇技術(shù)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(xiàn)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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