長期以來，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)實之間最難跨越的鴻溝之一。從20世紀30年代瑞士科學家Basile J. Luyet提出的“玻璃化”構想，到2000年代兔腎實驗中的“升溫瓶頸”，科學家們在冰晶與死亡的邊緣徘徊了近百年。近期，一項關于成年小鼠海馬體復蘇的突破性研究發(fā)表于《美國國家科學院院刊》（PNAS），首次證明了深低溫暫停后的神經(jīng)組織仍能找回學習與記憶的“火種”。這項突破性研究具有現(xiàn)實意義，當然它距離人們幻想的冷凍復活，還有非常遙遠的距離。

撰文 | 顧舒晨

“只送大腦?！?/p>

——托馬斯·維德

在科幻小說《三體》中，“階梯計劃”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。最終大腦被三體文明捕獲，并通過其高度發(fā)達的技術重建意識，將其克隆復活，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不鮮，這樣的幻想并非完全沒有科學基礎。此前，研究人員已嘗試對人類和其他動物（主要是幼年脊椎動物）的腦組織進行低溫冷凍和解凍，證實神經(jīng)組織能在細胞層面存活，且解凍后能在一定程度上發(fā)揮功能。但一個關鍵瓶頸始終存在：人們無法完全恢復大腦正常運轉(zhuǎn)所需的核心生理過程——神經(jīng)元放電、細胞代謝以及大腦可塑性。

最近，一項突破性研究讓人類離科幻場景又近了一小步。今年3月發(fā)表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上的論文“Functional recovery of the adult murine hippocampus after cryopreservation by vitrification”中，德國埃爾朗根-紐倫堡大學的研究團隊研發(fā)出一種玻璃化冷凍技術，搭配能保護活組織的解凍流程，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，能夠在復溫后恢復多種關鍵神經(jīng)功能，包括學習和記憶的關鍵功能——長時程增強（Long-term potentiation，LTP）[1]。

冷凍技術發(fā)展小史

要理解這項研究的意義，我們先簡要回顧一下冷凍技術走過的漫長道路。冷凍復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，瑞士科學家Basile J. Luyet首次復蘇了沒有冷凍劑保護的青蛙精子[2]。隨后，他在其著作《低溫下的生命與死亡》（Life and Death at Low Temperatures）中提出了一個大膽設想：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"概念開啟了現(xiàn)代低溫生物學的大門。

1949年，英國科學家Christopher Polge等人在研究精子冷凍時，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，證明了冷凍保護劑的可行性[4]。然而，早期技術受限于樣本體積和熱傳導效率，僅能處理精子、紅細胞等微小樣本。對于心臟、腎臟等實體器官，冰晶對器官中的微血管依然會造成機械損傷。這個致命問題使器官移植的冷凍保存長期停留在夢想階段。

1984年，美國科學家Gregory Fahy提出“平衡玻璃化冷凍”方案：使用高濃度冷凍保護劑完全抑制冰核形成，使組織進入無冰晶的玻璃態(tài)[5]。2000年，F(xiàn)ahy團隊在約-3°C下用高濃度冷凍保護劑VS4灌注兔腎，10只受體兔移植后全部長期存活，證明了高濃度冷凍保護劑毒性的可耐受性[6]。他們首次證明完整實體器官可以在玻璃化狀態(tài)下保存并實現(xiàn)長期功能恢復，打破了“玻璃化僅適用于細胞和小型組織”的傳統(tǒng)認知邊界。此后他們進一步實驗，將兔腎玻璃化冷凍至-130°C后成功移植，這是人類首次讓實體器官在“深度暫?！焙笾匦聠?，論文于2009年發(fā)表[7]。

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

2015年，Gregory Fahy領導的21st Century Medicine團隊成功玻璃化冷凍保存豬和兔腦，無可見結(jié)構損傷，證明復雜神經(jīng)組織也能完整保存[8]。真正的革命來自納米技術：2017年起，明尼蘇達大學John Bischof團隊將磁性納米粒子灌注至器官，通過交變磁場實現(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，然后進行納米升溫后移植，受體存活30天且腎功能完全恢復，其功能遠超2009年的水平[10]。2024年，該技術已擴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120 kW射頻線圈實現(xiàn)88°C/min升溫，細胞存活率超80%[11]。這標志著“按需解凍”的器官銀行逐漸從科幻走向現(xiàn)實。

大腦的“暫?！碧魬?zhàn)

雖然腎臟的玻璃化冷凍在2000年就已實現(xiàn)，但大腦冷凍長期被視為“不可能任務”。與其他器官不同，大腦中含有大量神經(jīng)元，它們對滲透壓和化學毒性極度敏感，高濃度冷凍保護劑會導致突觸連接斷裂，長期以來科學家對于大腦的冷凍依然束手無策。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冰柜后，豆腐中的水分會結(jié)冰，其本身結(jié)構被破壞，變成“千瘡百孔”的凍豆腐。因此，想要解決這一問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團隊用醛類固定聯(lián)合玻璃化冷凍技術保存豬和兔腦，這一成果還被MIT Technology Review評為年度十大突破，但它僅解決了“結(jié)構保存”問題，并未真正解決大腦冷凍的“功能復蘇”難點。

而在今年這篇PNAS研究中，德國團隊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這一關鍵性問題。

研究團隊首先在350微米厚的小鼠腦切片上進行了測試，這些腦切片均包含了大腦中負責記憶和空間導航的核心樞紐——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物質(zhì)的溶液進行預處理，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，研究團隊將腦切片在溫熱溶液中解凍，并分析了組織是否保留了相關的功能活性。實驗證明，海馬體的關鍵特征得以保留，包括結(jié)構完整性、代謝響應性、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)生突觸強化，即“長時程增強”（LTP），這表明學習和記憶的細胞機制仍保持運作。雖然實驗中有部分神經(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)絡功能獲得了重建，抑制性神經(jīng)元的活動未受到損傷，這也表明冰凍后再復蘇的神經(jīng)網(wǎng)絡是可以達到基本平衡的。

團隊的研究并未止步于此，他們進一步對完整的腦組織進行了玻璃化冷凍保存實驗。通過主動脈灌注，研究人員將冷凍保護劑注入小鼠大腦中，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）。該策略是作者針對全腦原位玻璃化冷凍開發(fā)的一種創(chuàng)新灌注方案，通過交替灌注全濃度玻璃化溶液和載體溶液達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，部分大腦在復溫和保護劑清除后仍能維持結(jié)構完整。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，顆粒細胞也保持了興奮性和突觸可塑性。

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

研究團隊透露，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)學應用跨越，已經(jīng)不再只是遙遠的假設。但挑戰(zhàn)依然嚴峻：一是冷凍保護劑的毒性問題，劑量越大、暴露時間越長，細胞損傷風險越高；二是厘米級以上厚實組織的內(nèi)外同步均勻冷卻與復溫，至今仍是工程難題；三是記憶能否在冷凍后完整保留，目前僅能驗證突觸機制存活，更高層次的記憶信息是否完好，仍是神經(jīng)科學的深層謎題。

低溫技術的現(xiàn)實意義

目前，這項研究仍處于早期階段，未來要進入更深入的探索階段，需要建立更長期和更完整的體系，以進一步解決研究的局限性。但該技術依然具有多維度的意義，它首次證實成年哺乳動物的大腦組織可以在深低溫玻璃態(tài)下保存，并在復蘇后恢復核心功能，這本身就大幅提升了人類對大腦低溫耐受極限的認知。對基礎神經(jīng)科學而言，過去研究人員需要使用新鮮的大腦切片，通常實驗做完后就扔掉，并且不同時間、不同團隊的實驗結(jié)果難以直接進行比較?，F(xiàn)在，若新方法得以應用，可保存同一批腦組織，并在需要時進行重新“復活”。這不僅有利于大幅度提升實驗的可靠性和再現(xiàn)性，同時也能減少實驗動物的使用。

更長遠地來看，該研究還為藥物研發(fā)、更復雜器官的保存以及神經(jīng)疾病研究提供了一種新的路徑。最直接的應用場景是器官保存。目前全球每年有數(shù)以萬計的患者因等不到匹配器官而死亡，核心瓶頸之一就是捐獻器官的保存窗口極短，心臟通常只有4到6小時，腎臟也不超過36小時，稍有延誤就面臨功能損傷。如果玻璃化冷凍技術能成功應用于完整器官，將從根本上打破時間與距離的限制，使器官在全球范圍內(nèi)調(diào)配成為可能。此外，在某些復雜手術中，需要短暫阻斷腦部供血，這段時間內(nèi)大腦極易因缺血缺氧受到不可逆損傷。玻璃化冷凍保護技術若能在臨床中實現(xiàn)，將為外科醫(yī)生贏得寶貴的操作窗口，同時把大腦損傷風險壓到最低。

參考文獻

[1] German A, Akda? EY, Flügel-Koch C, et al. Functional recovery of the adult murine hippocampus after cryopreservation by vitrification. Proc Natl Acad Sci U S A. 2026 Mar 10;123(10):e2516848123.

[2] Luyet, B.J. and Hodapp, E.L.Revival of Frog’s Spermatozoa Vitrified in Liquid Air. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine, 1938;39:433-434.

[3] Luyet, B.J. Life and Death at Low Temperatures. Normandy, Missouri: Biodynamica; 1940.

[4] PolgeC, Smith AU, Parkes AS. Revival of spermatozoa after vitrification and dehydration at low temperatures. Nature. 1949 Oct 15;164(4172):666.

[5] Fahy GM, MacFarlane DR, Angell CA, Meryman HT. Vitrification as an approach to cryopreservation. Cryobiology. 1984;21(4):407-426.

[6] Kheirabadi BS, Fahy GM. Permanent life support by kidneys perfused with a vitrifiable (7.5 molar) cryoprotectant solution. Transplantation. 2000 Jul 15;70(1):51-7.

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[8] McIntyre RL, Fahy GM. Aldehyde-stabilized cryopreservation. Cryobiology. 2015 Dec;71(3):448-58.

[9] Manuchehrabadi N, Gao Z, Zhang J, et al. Improved tissue cryopreservation using inductive heating of magnetic nanoparticles. Sci Transl Med. 2017 Mar 1;9(379):eaah4586.

[10] Han Z, Rao JS, Gangwar L, et al.Vitrification and nanowarming enable long-term organ cryopreservation and life-sustaining kidney transplantation in a rat model. Nat Commun. 2023 Jun 9;14(1):3407.

[11] Ramesh S, Rao JS, Namsrai BE, et al. Vitrification and rapid rewarming of precision-cut liver slices for pharmacological and biomedical research. Bioeng Transl Med. 2025 Jul 17;11(1):e70045.

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