人類首次！將冷凍保存的大腦復蘇并恢復功能活性

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

在科幻小說或電影中常見的一個橋段是：時間旅行者被冷凍保存，其身體處于深度冷凍的休眠狀態，然后在數十年或數百年后解凍蘇醒，其心智和身體機能都完好無損。

研究人員正嘗試對人類和其他動物的大腦組織進行低溫冷凍和解凍，還有人設想并實施了將人體進行低溫冷凍保存，待將來科技發達時再予以解凍復蘇。然而，這一過程中形成的冰晶會破壞神經的結構和功能，導致無法完全恢復大腦正常運作所必需的過程——神經元放電、細胞代謝和大腦可塑性。

而現在，來自德國埃爾朗根大學醫院的研究團隊首次實現了恢復冷凍后小鼠大腦功能活動的壯舉，該研究近日以：Functional recovery of the adult murine hippocampus after cryopreservation by vitrification 為題，發表在了《美國國家科學院院刊》（PNAS）。

該研究實現了成年小鼠大腦海馬體切片和整個大腦原位玻璃化冷凍及復蘇，并觀察到復蘇后海馬體的關鍵特征得以保留，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。值得注意的是，海馬體的長時程增強（LTP）得到了良好保存，這表明冷凍和復蘇后大腦的學習和記憶的細胞機制仍能正常運作。

這項研究極大地拓展了我們對于對大腦組織低溫耐受極限的認知，有助于實現神經組織結構和功能的保存這一目標。這項研究也暗示了未來有可能在疾病期間或嚴重損傷后保護大腦，建立器官庫，實現哺乳動物甚至人類的全身冷凍保存。

核心突破：從“結冰破壞”到“玻璃化”保鮮

傳統冷凍技術最大的敵人是“冰晶”。水在結冰時體積膨脹，形成的冰晶會像無數根針一樣刺破精細的細胞膜和內部結構，這對于大腦這樣精密的器官來說是毀滅性的。

而在這項最新研究中，研究團隊采用的玻璃化冷凍技術則完全不同，它的原理是使用一種特殊的冷凍保護液（論文稱為 V3 溶液，主要含二甲基亞砜、乙二醇等），其在快速降溫過程中，讓組織內的水不形成冰晶，而是直接凝固成一種類似玻璃的非晶體固態。這就像把水變成黏稠的糖漿然后瞬間凝固，避免了冰晶的物理傷害。

復蘇的證據：不止是“活著”，更是“能工作”

研究團隊首先在包含海馬體（記憶和空間導航的核心腦區）的 350 微米厚的小鼠大腦切片上測試了玻璃化冷凍方法。大腦切片先在含有冷凍保護液的溶液中進行預處理，然后使用液氮在 -196 oC 下快速冷卻，然后將其保存在 -150 oC 的冷凍箱中，保存時間從 10 分鐘到 7 天不等。

成年小鼠腦切片的玻璃化冷凍

接下來，研究團隊將這些冷凍保存的大腦切片在溫熱溶液中解凍，然后對解凍后的大腦切片進行了一系列嚴苛的測試，證明了解凍后復蘇的不僅僅是形態，更是復雜的功能——

1、結構基本完好：電子顯微鏡下，神經元和突觸的膜結構清晰，樹突棘（記憶的關鍵結構）的密度和長度與未冷凍的對照組無異。

2、能量工廠重啟：線粒體恢復了基礎呼吸和最大呼吸能力，雖然效率略有降低，但證明細胞代謝機器重新運轉了。

3、神經對話恢復：神經元之間可以通過釋放神經遞質進行正常的信息交流，雖然信號強度在高強度刺激下略有減弱，但基礎的通訊功能完全存在。

4、“學習”能力保留：這是最驚人的發現，研究團隊成功在解凍復蘇后的海馬體組織上誘導出了長時程增強（long-term potentiation），這意味著，形成長期記憶的細胞機制在經歷了深度冷凍和復蘇后，依然完好無損。

5、細胞特性各異：該研究也發現了一些細微差異，海馬體 CA1 區的錐體神經元在解凍后興奮性略有降低，而齒狀回顆粒細胞則保持了正常的放電特性，甚至某些突觸的 LTP 反而增強了。這提示不同腦區、不同類型的細胞對冷凍-復蘇過程的耐受性存在差異。

從腦組織到全腦：更進一步的挑戰

除了大腦切片，研究團隊還嘗試了對完整小鼠大腦進行原位玻璃化冷凍。他們通過主動脈灌注保護液，將整個大腦冷凍保存，并在幾天后復蘇。

結果同樣令人鼓舞：從這些大腦中新鮮切取的海馬體切片，其能量代謝水平與直接冷凍的大腦切片無異。更重要的是，研究團隊記錄到的神經元不僅存在自發的電活動，其接收的興奮性與抑制性信號輸入也保持了正常平衡，并且同樣能誘導出 LTP。不過，全腦冷凍的成功率（約1/3）和可重復性目前仍低于大腦切片，且會伴隨明顯的腦組織脫水，這表明該技術從“大腦切片”到“完整大腦”的跨越仍面臨挑戰。

全腦冷凍保護液灌注、玻璃化冷凍及原位高滲沖洗后海馬體細胞興奮性及突觸功能的研究

意義與邊界：非凡的韌性，遙遠的應用

這項研究的核心意義在于，它證明了成年哺乳動物的大腦組織擁有超越我們想象的韌性。它不僅能在低溫下休眠，甚至能在分子運動近乎完全停止的玻璃態下“暫停”，并在條件合適時重新啟動其復雜功能。這強有力地支持了“大腦功能是其物理結構的涌現屬性”這一根本觀點。

當然，這并不意味著人體冷凍保存（Cryonics）即將實現。研究團隊謹慎地指出了諸多局限：目前觀察期僅限解凍后數小時（大腦切片本身存活時間有限）；冷凍-復蘇技術難以直接應用于大尺寸器官；該研究中使用的是健康組織，尚未考慮臨床死亡前后的病理變化等。

總的來說，這項研究為神經科學提供了一個強大的新工具：未來，珍貴的腦組織樣本可能像細胞系一樣被長期冷凍保存，在不同時間、不同實驗室進行復蘇研究，極大促進科研的可重復性和動物福利。從更長遠看，它為我們理解生命與低溫的邊界寫下了新的一頁，未來有可能在疾病期間或嚴重損傷后保護大腦，建立器官庫，實現哺乳動物甚至人類的全身冷凍保存。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2516848123