長(zhǎng)期以來(lái)，如何在極低溫下完美封存大腦并重啟生命，一直是科幻與現(xiàn)實(shí)之間最難跨越的鴻溝之一。從20世紀(jì)30年代瑞士科學(xué)家Basile J. Luyet提出的“玻璃化”構(gòu)想，到2000年代兔腎實(shí)驗(yàn)中的“升溫瓶頸”，科學(xué)家們?cè)诒c死亡的邊緣徘徊了近百年。近期，一項(xiàng)關(guān)于成年小鼠海馬體復(fù)蘇的突破性研究發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS），首次證明了深低溫暫停后的神經(jīng)組織仍能找回學(xué)習(xí)與記憶的“火種”。這項(xiàng)突破性研究具有現(xiàn)實(shí)意義，當(dāng)然它距離人們幻想的冷凍復(fù)活，還有非常遙遠(yuǎn)的距離。

撰文 | 顧舒晨

“只送大腦?！?/p>

——托馬斯·維德

在科幻小說(shuō)《三體》中，“階梯計(jì)劃”可謂最為精彩的篇章之一。身患絕癥的云天明在生命盡頭選擇捐獻(xiàn)出自己的大腦，經(jīng)低溫冷凍后，他的大腦被送入深空以獲取三體人的情報(bào)。最終大腦被三體文明捕獲，并通過(guò)其高度發(fā)達(dá)的技術(shù)重建意識(shí)，將其克隆復(fù)活，反而最終保留了人類文明的火種。

類似為了穿越宇宙而將人類低溫休眠的橋段在科幻作品里屢見(jiàn)不鮮，這樣的幻想并非完全沒(méi)有科學(xué)基礎(chǔ)。此前，研究人員已嘗試對(duì)人類和其他動(dòng)物（主要是幼年脊椎動(dòng)物）的腦組織進(jìn)行低溫冷凍和解凍，證實(shí)神經(jīng)組織能在細(xì)胞層面存活，且解凍后能在一定程度上發(fā)揮功能。但一個(gè)關(guān)鍵瓶頸始終存在：人們無(wú)法完全恢復(fù)大腦正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的核心生理過(guò)程——神經(jīng)元放電、細(xì)胞代謝以及大腦可塑性。

最近，一項(xiàng)突破性研究讓人類離科幻場(chǎng)景又近了一小步。今年3月發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上的論文“Functional recovery of the adult murine hippocampus after cryopreservation by vitrification”中，德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種玻璃化冷凍技術(shù)，搭配能保護(hù)活組織的解凍流程，成功保留了大腦的部分生理功能。該研究首次證明，成年小鼠大腦的海馬體組織經(jīng)玻璃化冷凍后，能夠在復(fù)溫后恢復(fù)多種關(guān)鍵神經(jīng)功能，包括學(xué)習(xí)和記憶的關(guān)鍵功能——長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（Long-term potentiation，LTP）[1]。

冷凍技術(shù)發(fā)展小史

要理解這項(xiàng)研究的意義，我們先簡(jiǎn)要回顧一下冷凍技術(shù)走過(guò)的漫長(zhǎng)道路。冷凍復(fù)蘇的概念源于自然界中一些具有特殊能力的生物，它們可以在零下的環(huán)境溫度中長(zhǎng)期存活。例如，木蛙（Rana sylvatica）可以隨著環(huán)境溫度的變化一起凍結(jié)和解凍。早在1938年，瑞士科學(xué)家Basile J. Luyet首次復(fù)蘇了沒(méi)有冷凍劑保護(hù)的青蛙精子[2]。隨后，他在其著作《低溫下的生命與死亡》（Life and Death at Low Temperatures）中提出了一個(gè)大膽設(shè)想：如果能讓水在低溫下不形成冰晶，而是以玻璃態(tài)固化，生命或許能在-196°C的液氮中暫停[3]。這一"玻璃化冷凍"概念開(kāi)啟了現(xiàn)代低溫生物學(xué)的大門(mén)。

1949年，英國(guó)科學(xué)家Christopher Polge等人在研究精子冷凍時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)利用甘油作為冷凍劑能顯著提高冷凍后精子的存活率，證明了冷凍保護(hù)劑的可行性[4]。然而，早期技術(shù)受限于樣本體積和熱傳導(dǎo)效率，僅能處理精子、紅細(xì)胞等微小樣本。對(duì)于心臟、腎臟等實(shí)體器官，冰晶對(duì)器官中的微血管依然會(huì)造成機(jī)械損傷。這個(gè)致命問(wèn)題使器官移植的冷凍保存長(zhǎng)期停留在夢(mèng)想階段。

1984年，美國(guó)科學(xué)家Gregory Fahy提出“平衡玻璃化冷凍”方案：使用高濃度冷凍保護(hù)劑完全抑制冰核形成，使組織進(jìn)入無(wú)冰晶的玻璃態(tài)[5]。2000年，F(xiàn)ahy團(tuán)隊(duì)在約-3°C下用高濃度冷凍保護(hù)劑VS4灌注兔腎，10只受體兔移植后全部長(zhǎng)期存活，證明了高濃度冷凍保護(hù)劑毒性的可耐受性[6]。他們首次證明完整實(shí)體器官可以在玻璃化狀態(tài)下保存并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期功能恢復(fù)，打破了“玻璃化僅適用于細(xì)胞和小型組織”的傳統(tǒng)認(rèn)知邊界。此后他們進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，將兔腎玻璃化冷凍至-130°C后成功移植，這是人類首次讓實(shí)體器官在“深度暫?！焙笾匦聠?dòng)，論文于2009年發(fā)表[7]。

然而，這一成功依賴于極短的冷凍時(shí)間和特定的灌注壓力，且腎功能存在嚴(yán)重受損。由于傳統(tǒng)升溫依賴對(duì)流換熱，速率僅約1-5°C/min，導(dǎo)致玻璃化冷凍器官在復(fù)蘇時(shí)因“脫玻璃化”（devitrification）形成致命冰晶，這一"升溫速率瓶頸"又導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)停滯近20年。

2015年，Gregory Fahy領(lǐng)導(dǎo)的21st Century Medicine團(tuán)隊(duì)成功玻璃化冷凍保存豬和兔腦，無(wú)可見(jiàn)結(jié)構(gòu)損傷，證明復(fù)雜神經(jīng)組織也能完整保存[8]。真正的革命來(lái)自納米技術(shù)：2017年起，明尼蘇達(dá)大學(xué)John Bischof團(tuán)隊(duì)將磁性納米粒子灌注至器官，通過(guò)交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)均勻超快速升溫，器官升溫速率提升至 100°C/min 以上[9]。2023年，他們成功將玻璃化冷凍的大鼠腎臟保存100天，然后進(jìn)行納米升溫后移植，受體存活30天且腎功能完全恢復(fù)，其功能遠(yuǎn)超2009年的水平[10]。2024年，該技術(shù)已擴(kuò)展至接近人體器官的尺度，豬肝臟在40%乙二醇方案下玻璃化冷凍后，通過(guò)120 kW射頻線圈實(shí)現(xiàn)88°C/min升溫，細(xì)胞存活率超80%[11]。這標(biāo)志著“按需解凍”的器官銀行逐漸從科幻走向現(xiàn)實(shí)。

大腦的“暫?！碧魬?zhàn)

雖然腎臟的玻璃化冷凍在2000年就已實(shí)現(xiàn)，但大腦冷凍長(zhǎng)期被視為“不可能任務(wù)”。與其他器官不同，大腦中含有大量神經(jīng)元，它們對(duì)滲透壓和化學(xué)毒性極度敏感，高濃度冷凍保護(hù)劑會(huì)導(dǎo)致突觸連接斷裂，長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)家對(duì)于大腦的冷凍依然束手無(wú)策。更棘手的是冰晶形成造成的損傷。如果把大腦看作一塊豆腐，用傳統(tǒng)的冷凍方式將豆腐放進(jìn)冰柜后，豆腐中的水分會(huì)結(jié)冰，其本身結(jié)構(gòu)被破壞，變成“千瘡百孔”的凍豆腐。因此，想要解決這一問(wèn)題首先需要解決的就是避免冰晶造成的組織損傷。雖然在2015年，21st Century Medicine團(tuán)隊(duì)用醛類固定聯(lián)合玻璃化冷凍技術(shù)保存豬和兔腦，這一成果還被MIT Technology Review評(píng)為年度十大突破，但它僅解決了“結(jié)構(gòu)保存”問(wèn)題，并未真正解決大腦冷凍的“功能復(fù)蘇”難點(diǎn)。

而在今年這篇PNAS研究中，德國(guó)團(tuán)隊(duì)則是解答了成為玻璃狀的大腦在解凍后，大腦功能是否能重新啟動(dòng)這一關(guān)鍵性問(wèn)題。

研究團(tuán)隊(duì)首先在350微米厚的小鼠腦切片上進(jìn)行了測(cè)試，這些腦切片均包含了大腦中負(fù)責(zé)記憶和空間導(dǎo)航的核心樞紐——海馬體（hippocampus）。研究人員先將小鼠腦切片存放在含有冷凍保存化學(xué)物質(zhì)的溶液進(jìn)行預(yù)處理，然后用液氮快速冷卻至-196℃。切片在-150℃深低溫冰箱中以玻璃態(tài)保存 10 分鐘至 7 天不等。隨后，研究團(tuán)隊(duì)將腦切片在溫?zé)崛芤褐薪鈨?，并分析了組織是否保留了相關(guān)的功能活性。實(shí)驗(yàn)證明，海馬體的關(guān)鍵特征得以保留，包括結(jié)構(gòu)完整性、代謝響應(yīng)性、神經(jīng)元興奮性，以及突觸傳遞和可塑性。更重要的是，研究者發(fā)現(xiàn)海馬神經(jīng)通路仍然能夠產(chǎn)生突觸強(qiáng)化，即“長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)”（LTP），這表明學(xué)習(xí)和記憶的細(xì)胞機(jī)制仍保持運(yùn)作。雖然實(shí)驗(yàn)中有部分神經(jīng)元的興奮性有小幅度的下降，但結(jié)果展示出整體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能獲得了重建，抑制性神經(jīng)元的活動(dòng)未受到損傷，這也表明冰凍后再?gòu)?fù)蘇的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是可以達(dá)到基本平衡的。

團(tuán)隊(duì)的研究并未止步于此，他們進(jìn)一步對(duì)完整的腦組織進(jìn)行了玻璃化冷凍保存實(shí)驗(yàn)。通過(guò)主動(dòng)脈灌注，研究人員將冷凍保護(hù)劑注入小鼠大腦中，為防止由于血腦屏障引發(fā)的脫水損傷，他們采用了“交替平衡”策略（interleaved equilibration）。該策略是作者針對(duì)全腦原位玻璃化冷凍開(kāi)發(fā)的一種創(chuàng)新灌注方案，通過(guò)交替灌注全濃度玻璃化溶液和載體溶液達(dá)到中等程度脫水狀態(tài)，這樣既能維持大腦凸面形態(tài)，又能在后續(xù)冷凍保護(hù)劑洗脫階段避免致命性腦水腫。經(jīng)探索和優(yōu)化，部分大腦在復(fù)溫和保護(hù)劑清除后仍能維持結(jié)構(gòu)完整。保存 1 至 8 天后的海馬體腦片仍能夠顯示正常的線粒體呼吸功能，顆粒細(xì)胞也保持了興奮性和突觸可塑性。

但論文作者謹(jǐn)慎指出：腦切片在復(fù)溫后10-15小時(shí)會(huì)發(fā)生自然降解，目前采用的傳導(dǎo)冷卻和復(fù)溫方法已接近組織尺寸極限。若要應(yīng)用于更大系統(tǒng)，需采用體積冷卻和復(fù)溫方法克服傳熱限制。因此，結(jié)果“不應(yīng)被解釋為可直接應(yīng)用于大型器官的冷凍保存”。

研究團(tuán)隊(duì)透露，他們已有初步數(shù)據(jù)顯示，玻璃化冷凍方案在人類皮質(zhì)組織上同樣具有可行性。這意味著從小鼠模型向人類醫(yī)學(xué)應(yīng)用跨越，已經(jīng)不再只是遙遠(yuǎn)的假設(shè)。但挑戰(zhàn)依然嚴(yán)峻：一是冷凍保護(hù)劑的毒性問(wèn)題，劑量越大、暴露時(shí)間越長(zhǎng)，細(xì)胞損傷風(fēng)險(xiǎn)越高；二是厘米級(jí)以上厚實(shí)組織的內(nèi)外同步均勻冷卻與復(fù)溫，至今仍是工程難題；三是記憶能否在冷凍后完整保留，目前僅能驗(yàn)證突觸機(jī)制存活，更高層次的記憶信息是否完好，仍是神經(jīng)科學(xué)的深層謎題。

低溫技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義

目前，這項(xiàng)研究仍處于早期階段，未來(lái)要進(jìn)入更深入的探索階段，需要建立更長(zhǎng)期和更完整的體系，以進(jìn)一步解決研究的局限性。但該技術(shù)依然具有多維度的意義，它首次證實(shí)成年哺乳動(dòng)物的大腦組織可以在深低溫玻璃態(tài)下保存，并在復(fù)蘇后恢復(fù)核心功能，這本身就大幅提升了人類對(duì)大腦低溫耐受極限的認(rèn)知。對(duì)基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)而言，過(guò)去研究人員需要使用新鮮的大腦切片，通常實(shí)驗(yàn)做完后就扔掉，并且不同時(shí)間、不同團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以直接進(jìn)行比較?，F(xiàn)在，若新方法得以應(yīng)用，可保存同一批腦組織，并在需要時(shí)進(jìn)行重新“復(fù)活”。這不僅有利于大幅度提升實(shí)驗(yàn)的可靠性和再現(xiàn)性，同時(shí)也能減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用。

更長(zhǎng)遠(yuǎn)地來(lái)看，該研究還為藥物研發(fā)、更復(fù)雜器官的保存以及神經(jīng)疾病研究提供了一種新的路徑。最直接的應(yīng)用場(chǎng)景是器官保存。目前全球每年有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的患者因等不到匹配器官而死亡，核心瓶頸之一就是捐獻(xiàn)器官的保存窗口極短，心臟通常只有4到6小時(shí)，腎臟也不超過(guò)36小時(shí)，稍有延誤就面臨功能損傷。如果玻璃化冷凍技術(shù)能成功應(yīng)用于完整器官，將從根本上打破時(shí)間與距離的限制，使器官在全球范圍內(nèi)調(diào)配成為可能。此外，在某些復(fù)雜手術(shù)中，需要短暫阻斷腦部供血，這段時(shí)間內(nèi)大腦極易因缺血缺氧受到不可逆損傷。玻璃化冷凍保護(hù)技術(shù)若能在臨床中實(shí)現(xiàn)，將為外科醫(yī)生贏得寶貴的操作窗口，同時(shí)把大腦損傷風(fēng)險(xiǎn)壓到最低。

參考文獻(xiàn)

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