在科幻小說(shuō)或電影中常見的一個(gè)橋段是：時(shí)間旅行者被冷凍保存，其身體處于深度冷凍的休眠狀態(tài)，然后在數(shù)十年或數(shù)百年后解凍蘇醒，其心智和身體機(jī)能都完好無(wú)損。
研究人員正嘗試對(duì)人類和其他動(dòng)物的大腦組織進(jìn)行低溫冷凍和解凍，還有人設(shè)想并實(shí)施了將人體進(jìn)行低溫冷凍保存，待將來(lái)科技發(fā)達(dá)時(shí)再予以解凍復(fù)蘇。然而，這一過(guò)程中形成的冰晶會(huì)破壞神經(jīng)的結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致無(wú)法完全恢復(fù)大腦正常運(yùn)作所必需的過(guò)程——神經(jīng)元放電、細(xì)胞代謝和大腦可塑性。
而現(xiàn)在，來(lái)自德國(guó)埃爾朗根大學(xué)醫(yī)院的研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了恢復(fù)冷凍后小鼠大腦功能活動(dòng)的壯舉，該研究近日以：Functional recovery of the adult murine hippocampus after cryopreservation by vitrification 為題，發(fā)表在了《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）。
該研究實(shí)現(xiàn)了成年小鼠大腦海馬體切片和整個(gè)大腦原位玻璃化冷凍及復(fù)蘇，并觀察到復(fù)蘇后海馬體的關(guān)鍵特征得以保留，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。值得注意的是，海馬體的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（LTP）得到了良好保存，這表明冷凍和復(fù)蘇后大腦的學(xué)習(xí)和記憶的細(xì)胞機(jī)制仍能正常運(yùn)作。
這項(xiàng)研究極大地拓展了我們對(duì)于對(duì)大腦組織低溫耐受極限的認(rèn)知，有助于實(shí)現(xiàn)神經(jīng)組織結(jié)構(gòu)和功能的保存這一目標(biāo)。這項(xiàng)研究也暗示了未來(lái)有可能在疾病期間或嚴(yán)重?fù)p傷后保護(hù)大腦，建立器官庫(kù)，實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物甚至人類的全身冷凍保存。
核心突破：從“結(jié)冰破壞”到“玻璃化”保鮮
傳統(tǒng)冷凍技術(shù)最大的敵人是“冰晶”。水在結(jié)冰時(shí)體積膨脹，形成的冰晶會(huì)像無(wú)數(shù)根針一樣刺破精細(xì)的細(xì)胞膜和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這對(duì)于大腦這樣精密的器官來(lái)說(shuō)是毀滅性的。
而在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)采用的玻璃化冷凍技術(shù)則完全不同，它的原理是使用一種特殊的冷凍保護(hù)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(guò)程中，讓組織內(nèi)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(tài)。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(fù)蘇的證據(jù)：不止是“活著”，更是“能工作”
研究團(tuán)隊(duì)首先在包含海馬體（記憶和空間導(dǎo)航的核心腦區(qū)）的 350 微米厚的小鼠大腦切片上測(cè)試了玻璃化冷凍方法。大腦切片先在含有冷凍保護(hù)液的溶液中進(jìn)行預(yù)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(shí)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(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將這些冷凍保存的大腦切片在溫?zé)崛芤褐薪鈨?，然后?duì)解凍后的大腦切片進(jìn)行了一系列嚴(yán)苛的測(cè)試，證明了解凍后復(fù)蘇的不僅僅是形態(tài)，更是復(fù)雜的功能——
1、結(jié)構(gòu)基本完好：電子顯微鏡下，神經(jīng)元和突觸的膜結(jié)構(gòu)清晰，樹突棘（記憶的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)）的密度和長(zhǎng)度與未冷凍的對(duì)照組無(wú)異。
2、能量工廠重啟：線粒體恢復(fù)了基礎(chǔ)呼吸和最大呼吸能力，雖然效率略有降低，但證明細(xì)胞代謝機(jī)器重新運(yùn)轉(zhuǎn)了。
3、神經(jīng)對(duì)話恢復(fù)：神經(jīng)元之間可以通過(guò)釋放神經(jīng)遞質(zhì)進(jìn)行正常的信息交流，雖然信號(hào)強(qiáng)度在高強(qiáng)度刺激下略有減弱，但基礎(chǔ)的通訊功能完全存在。
4、“學(xué)習(xí)”能力保留：這是最驚人的發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)成功在解凍復(fù)蘇后的海馬體組織上誘導(dǎo)出了長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation），這意味著，形成長(zhǎng)期記憶的細(xì)胞機(jī)制在經(jīng)歷了深度冷凍和復(fù)蘇后，依然完好無(wú)損。
5、細(xì)胞特性各異：該研究也發(fā)現(xiàn)了一些細(xì)微差異，海馬體 CA1 區(qū)的錐體神經(jīng)元在解凍后興奮性略有降低，而齒狀回顆粒細(xì)胞則保持了正常的放電特性，甚至某些突觸的 LTP 反而增強(qiáng)了。這提示不同腦區(qū)、不同類型的細(xì)胞對(duì)冷凍-復(fù)蘇過(guò)程的耐受性存在差異。
從腦組織到全腦：更進(jìn)一步的挑戰(zhàn)
除了大腦切片，研究團(tuán)隊(duì)還嘗試了對(duì)完整小鼠大腦進(jìn)行原位玻璃化冷凍。他們通過(guò)主動(dòng)脈灌注保護(hù)液，將整個(gè)大腦冷凍保存，并在幾天后復(fù)蘇。
結(jié)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(wú)異。更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)記錄到的神經(jīng)元不僅存在自發(fā)的電活動(dòng)，其接收的興奮性與抑制性信號(hào)輸入也保持了正常平衡，并且同樣能誘導(dǎo)出 LTP。不過(guò)，全腦冷凍的成功率（約1/3）和可重復(fù)性目前仍低于大腦切片，且會(huì)伴隨明顯的腦組織脫水，這表明該技術(shù)從“大腦切片”到“完整大腦”的跨越仍面臨挑戰(zhàn)。
全腦冷凍保護(hù)液灌注、玻璃化冷凍及原位高滲沖洗后海馬體細(xì)胞興奮性及突觸功能的研究
意義與邊界：非凡的韌性，遙遠(yuǎn)的應(yīng)用
這項(xiàng)研究的核心意義在于，它證明了成年哺乳動(dòng)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(yùn)動(dòng)近乎完全停止的玻璃態(tài)下“暫?！保⒃跅l件合適時(shí)重新啟動(dòng)其復(fù)雜功能。這強(qiáng)有力地支持了“大腦功能是其物理結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)屬性”這一根本觀點(diǎn)。
當(dāng)然，這并不意味著人體冷凍保存（Cryonics）即將實(shí)現(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)謹(jǐn)慎地指出了諸多局限：目前觀察期僅限解凍后數(shù)小時(shí)（大腦切片本身存活時(shí)間有限）；冷凍-復(fù)蘇技術(shù)難以直接應(yīng)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(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究為神經(jīng)科學(xué)提供了一個(gè)強(qiáng)大的新工具：未來(lái)，珍貴的腦組織樣本可能像細(xì)胞系一樣被長(zhǎng)期冷凍保存，在不同時(shí)間、不同實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行復(fù)蘇研究，極大促進(jìn)科研的可重復(fù)性和動(dòng)物福利。從更長(zhǎng)遠(yuǎn)看，它為我們理解生命與低溫的邊界寫下了新的一頁(yè)，未來(lái)有可能在疾病期間或嚴(yán)重?fù)p傷后保護(hù)大腦，建立器官庫(kù)，實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)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
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