1979 年的科幻电影《异形》中的“冷冻睡眠舱”。
本报讯 冷冻休眠的时间旅行者是科幻小说中的一个经典套路。他们的身体经过深度冷冻进入休眠状态，在数十年甚至上百年后解冻苏醒，身心机能仍然完好如初。
如今，科学家首次开发出一种冷冻与解冻小鼠大脑的方法，可使其保留部分功能。他们采用玻璃化冷冻法，使组织保持玻璃态，之后再通过解冻复活组织。相关研究成果近日发表于美国《国家科学院院刊》。
研究人员此前已尝试对人类及幼年脊椎动物的脑组织进行冷冻与解冻实验，证实神经元可在细胞层面的冷冻中存活，解冻后也能在一定程度上恢复功能。但要完全恢复大脑正常运作所需的各项过程，如神经元放电、细胞代谢及大脑可塑性等，则是不可能的。
“如果大脑功能是其物理结构的衍生属性，我们该如何让它从完全关闭中恢复？”论文第一兼通讯作者、德国埃尔朗根-纽伦堡大学的Alexander German表示，这项研究预示着未来有可能在疾病期间或重伤后保护大脑、建立器官库，甚至实现哺乳动物的全身冷冻保存。
美国新罕布什尔大学的Mrityunjay Kothari认为，该研究推动了脑组织低温保存技术的发展，正逐步将科幻构想变为科学现实。但他同时指出，长期保存大型器官或哺乳动物仍远超该研究目前的能力范围。
大脑难以从冷冻状态中完全恢复的核心原因在于冰晶造成的损伤。它们会移动或刺穿组织脆弱的纳米结构，破坏关键的细胞过程。“除了冰晶，我们还需考虑渗透压、低温保存剂毒性等多重因素。”German说。
为解决这些问题，German团队采用了一种无冰低温保存技术——玻璃化冷冻法。该技术通过快速降温，让液体中的分子在有机会形成冰晶前被困在无序的玻璃态。“我们想探究在玻璃态下分子运动完全停止后，功能是否可以重新启动。”German解释说。
研究团队在350微米厚、含海马体的小鼠脑切片上进行了实验。海马体是负责记忆与空间导航的核心脑区。他们先将脑切片置于含低温保存剂的溶液中进行预处理，再用零下196摄氏度的液氮快速冷冻，随后放入零下150摄氏度的冷冻室以玻璃态保存10分钟至7天。
将脑切片在温溶液中解冻后，研究人员分析了组织的功能保留情况。显微镜观察显示，神经元与突触膜结构完整；线粒体活性检测未发现代谢损伤；神经元电生理记录显示，尽管相比对照组细胞存在一定偏差，但对电刺激的反应基本正常。
海马体神经元通路仍表现出突触强化，即“长时程增强”，这是学习与记忆的基础机制。但由于脑切片会自然退化，这一观测仅限于几个小时。
团队将该方法扩大至整个小鼠大脑，使其在零下140摄氏度的玻璃态下保存8天。不过，实验方案需要反复调整，以最大限度减少大脑收缩及低温保存剂带来的毒性。
大脑解冻后，研究人员制备了切片。海马体的电生理记录证实，包括与记忆相关的通路在内的神经元通路得以存活，且仍能长时程增强。但由于仅对脑组织切片进行了检测，研究人员无法确定这些小鼠的记忆是否能够完整保留。
Kothari指出，全脑冷冻方案的成功率较低，且无法直接应用于更大的人体器官，后者面临热传递限制，以及可能导致组织开裂的较高热机械应力等挑战。
“要将这些原理应用于大型人体器官，还需研发更好的玻璃化溶液、冷却及复温技术。”German补充说。（王方）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1073/pnas.2516848123
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