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(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(shè)想并實施了將人體進行低溫冷凍保存，待將來科技發(fā)達時再予以解凍復(fù)蘇。然而，這一過程中形成的冰晶會破壞神經(jīng)的結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致無法完全恢復(fù)大腦正常運作所必需的過程——神經(jīng)元放電、細胞代謝和大腦可塑性。
而現(xiàn)在，來自德國埃爾朗根大學(xué)醫(yī)院的研究團隊首次實現(xiàn)了恢復(fù)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(fā)表在了《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）。
該研究實現(xiàn)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(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，海馬體的長時程增強（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(xiàn)神經(jīng)組織結(jié)構(gòu)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(xiàn)哺乳動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)冰時體積膨脹，形成的冰晶會像無數(shù)根針一樣刺破精細的細胞膜和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(shù)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(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”
研究團隊首先在包含海馬體（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(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?zé)崛芤褐薪鈨?，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(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)）的密度和長度與未冷凍的對照組無異。
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，但證明細胞代謝機器重新運轉(zhuǎn)了。
3、神經(jīng)對話恢復(fù)：神經(jīng)元之間可以通過釋放神經(jīng)遞質(zhì)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(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)，研究團隊成功在解凍復(fù)蘇后的海馬體組織上誘導(dǎo)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(jīng)歷了深度冷凍和復(fù)蘇后，依然完好無損。
5、細胞特性各異：該研究也發(fā)現(xiàn)了一些細微差異，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(qū)、不同類型的細胞對冷凍-復(fù)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(zhàn)
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(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異。更重要的是，研究團隊記錄到的神經(jīng)元不僅存在自發(fā)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(dǎo)出 LTP。不過，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(yīng)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(tài)下“暫?！?，并在條件合適時重新啟動其復(fù)雜功能。這強有力地支持了“大腦功能是其物理結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)屬性”這一根本觀點。
當然，這并不意味著人體冷凍保存（Cryonics）即將實現(xiàn)。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(shù)小時（大腦切片本身存活時間有限）；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。
總的來說，這項研究為神經(jīng)科學(xué)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(fù)蘇研究，極大促進科研的可重復(fù)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(xiàn)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
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