莫喻枫｜撰文

陈晓雪 | 编辑

“冷冻休眠”是科幻小说中经典的桥段。在《三体》中，大脑可以被冷冻保存，被重新唤醒时，记忆与意识依旧完整。现实中，类似的尝试早已存在：目前全球已有数百人在死亡后被冷冻保存 [1]，期待未来医学能够帮其实现复苏，这当中约有三分之一到一半仅保存大脑 [2]。

然而，这些被冷冻的大脑，真的有可能在未来恢复功能吗？

科学家一直在探索人类及多种动物脑组织在低温条件下的保存与复苏能力。最新发表在《美国科学院院刊》（PNAS）的一项研究表明，哺乳动物的脑组织在冷冻复苏后不仅可以存活，其部分神经功能也首次实现了恢复 [3]。这一进展意味着，我们离“暂停生命再重启”又近了一步。

要实现冷冻复苏并不容易，其中最大的难题来自冰晶，因为在低温冻结过程中，水分结晶会像刀片一样破坏细胞结构，尤其是精密的神经连接。因此，普通的冷冻方法往往无法维持神经结构的完整性和功能的正常性。

为了绕开冰晶带来的致命破坏，科学家提出了这样一种思路：如果温度降低得非常快，水分子便来不及形成规则晶体结构，生物样本从而能转变为一种无序的固态，即“玻璃态”。然而，实现这种状态需要极高的冷却速率，通常只能在体积很小的样本中实现，否则由于散热速度受限，失败率会大幅提升。

随后，冷冻保护剂（cryoprotectants, CPA），如甘油和二甲基亚砜（DMSO）逐步被引入。这些分子可以与水形成氢键，通过降低冰点并提高体系黏度来抑制冰晶形成。到二十世纪九十年代，冷冻保护剂玻璃化技术已在胚胎和卵母细胞中取得成功 [4]，并成为生殖医学的重要工具。

但将这一策略拓展到大脑等更复杂的器官的过程面临多重挑战，因为不仅要避免冰晶形成，还必须严格控制冷冻保护剂的毒性、渗透压变化，以及冷却和复温过程中产生的机械应力。要避免结晶，需要高浓度保护剂和快速降温；但保护剂浓度过高又会带来毒性，同时快速的渗透变化也可能导致细胞脱水或膨胀损伤。

因此，尽管利用冷冻技术保存大脑的尝试已持续数十年，但迄今为止，尚未实现冷冻后完整的生理功能恢复。冷冻复温普遍会导致突触连接的丢失 [5-6]。

在最新研究中，来自德国埃朗根–纽伦堡大学的团队通过系统性优化，在一系列相互制约的因素之间找到了关键平衡点，从而最大限度地降低了冷冻保护剂加载过程中的毒性、渗透性收缩以及冷损伤，使得复温后海马体的关键特征得到了保留，包括结构完整性、代谢反应性、神经元兴奋性以及突触传递和可塑性。

研究人员首先在厚度为 350 微米的小鼠脑切片上进行试验，这些切片包含了海马体。海马体是位于大脑内负责将短期记忆转化为长期记忆的区域，并参与空间导航与学习过程。在冷却策略上，如果直接将脑切片投入 −196°C 的液氮中，巨大的温差会使组织像热玻璃骤冷一样发生物理开裂。因此，研究人员先将切片置于预先被液氮冷却至 −196°C 的铜柱上，从下方实现快速且相对均匀的导热冷却，随后再转移至液氮中，有效避免了结构性损伤。同时，研究人员确定了用于预处理脑切片的保护液的配方及其“黄金浓度”。最终，这些脑切片在 −150°C 的玻璃态下保存了 10 分钟到 7 天不等。

在用温热溶液复温后，细胞在去除保护剂时虽然会出现短暂膨胀，但这一过程是可逆的。代谢测试进一步表明，高浓度保护剂（65%）会显著抑制线粒体功能，使呼吸率下降近一半；而在优化后的“黄金浓度”（59%）条件下，线粒体活性几乎与未冷冻样本相当。光学和电子显微镜观察显示，神经元和突触膜结构保持完整。

但结构完好不等于功能还在。这项研究的第一作者、德国埃尔朗根–纽伦堡大学的神经学家Alexander German在接受《自然》新闻采访时说：“我们想观察一下，在玻璃态中分子运动完全停止之后，功能是否还能重新启动。” [7]

令人激动的是，在功能层面，电生理记录显示，尽管玻璃化后的脑切片电信号较新鲜样本略有减弱，但整体神经回路仍然能够正常传导信号。而且，长时程增强（LTP）在冷冻后依然存在。

长时程增强（LTP）是一种神经元之间连接被“加强”的现象，比如两条神经通路反复同时被激活后，它们之间的信号传递会变得更高效。这种连接强度的持久变化，就是大脑存储记忆的基础机制之一。LTP 的保留意味着，大脑中支撑记忆形成的生理机制在冷冻过程中基本被保存了下来。

随后，研究团队将该方法扩展到整个小鼠大脑，但这一过程需要反复优化，因为血脑屏障对水和冷冻保护剂的通透性不同，水流失往往快于保护剂进入快，导致脑组织严重脱水。为此，他们采用“交替平衡”策略，反复交替加入冷冻保护剂和补液，在脱水和水肿之间取得了平衡。最终在 −140°C 的玻璃态中保存最长达 8 天。

复温后，研究人员再次制备脑切片并进行测量，结果显示，包括海马记忆通路在内的神经网络仍然存活，并且可以发生长时程增强。由于测量实验是在脑切片上完成的，研究人员暂时无法判断这些动物的记忆是否在冷冻过程中得以保留。

German表示，“这些发现暗示未来或许可以在疾病或严重损伤后保护大脑、建立器官库”。目前，团队正将该方法从小鼠扩展到人类脑组织。

“我们已经获得了一些初步数据，显示人类皮层组织具有存活能力。” German说 [7]。团队还在探索玻璃化方法在整器官冷冻保存中的应用，尤其是心脏。

不过，要将这一技术推广至大型器官，甚至整只哺乳动物的长期保存，仍远远超出当前研究能力的范围，相关探索仍在持续推进。

German 指出：“在将这些原理应用于大型人体器官之前，我们仍需要更优化的玻璃化溶液，以及更加精确的冷却与复温技术。” [7]

虽然冷冻复苏技术真正走向临床还有很长的路要走，但每一次微小的突破，都在将科幻小说中的想象，一步步地拉入我们的现实世界。

参考文献：