科幻作品中一个经典设定是冷冻休眠的时间旅行者。他们的身体经过深度冷冻进入暂停状态，数十年甚至数百年后被解冻唤醒，精神与身体机能完好无损。

研究人员已尝试对人类及其他动物，主要是幼年脊椎动物的脑组织进行低温冷冻与解冻实验，证实神经元组织在细胞层面可经受冷冻考验，解冻后也能在一定程度上发挥功能。但要完全恢复大脑正常运作所需的各项核心过程，如神经元放电、细胞代谢及大脑可塑性等，始终未能实现。

1979 年科幻电影《异形》中的“冷冻睡眠舱”。20TH CENTURY FOX via AJ Pics/Alamy

如今，德国一个研究团队研发了一种针对小鼠大脑的低温冷冻与解冻方法，可使其保留部分功能。这项3月3日发表于美国《国家科学院院刊》的研究，详细介绍了团队采用的玻璃化冷冻法，该方法能使组织保持玻璃态，以及配套的解冻流程，二者共同实现了活体组织的保存。

“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休眠状态恢复？”论文第一兼通讯作者、德国埃尔朗根-纽伦堡大学的Alexander German思考。他表示，这一研究结果预示着未来的潜在可能——在疾病期间或严重损伤后保护大脑、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达勒姆分校的Mrityunjay Kothari认为，该研究推动了脑组织低温保存技术的发展。“这种进步正逐步将科幻构想变为科学可能。”他补充说，但像长期保存大型器官或哺乳动物这类应用，目前仍远超该研究的能力范围。

大脑难以从冷冻状态中完全恢复的核心原因在于冰晶形成造成的损伤。冰晶会挤压甚至刺破组织脆弱的纳米结构，破坏关键细胞过程。“除了冰晶问题，我们还需考虑渗透压胁迫、低温保护剂毒性等多重因素。”German说。

为解决这一问题，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，让液体中的分子在形成冰晶前，被固定在无序的玻璃态。“我们想探究在玻璃态下分子运动完全停止后，功能能否重新启动。”German解释说。

研究团队在厚度350微米、包含海马体的小鼠脑切片上开展实验。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护剂的溶液中预处理，再用零下196摄氏度的液氮快速冷冻，随后在零下150摄氏度的冷冻环境中，以玻璃态保存10分钟至7天不等。

研究人员将脑切片在温溶液中解冻后，通过分析组织检测其功能保留情况。显微镜观察显示，神经元膜与突触膜结构完整；线粒体活性检测未发现代谢损伤；神经元电生理记录显示，尽管与对照组细胞存在一定偏差，但神经元对电刺激的反应基本正常。

海马体神经元通路仍保留着突触强化，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降解，相关观测仅能在数小时内完成。

研究团队将该方法的应用规模扩大至完整小鼠大脑，使其在零下140摄氏度的玻璃态下保存最长8天。不过，实验方案需反复调整，以最大限度减少大脑收缩及低温保护剂带来的毒性。

大脑解冻后，研究人员制备切片，并对海马体进行电生理记录，证实包括记忆相关通路在内的神经元通路得以存活，且仍能发生长时程增强。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在冷冻保存中完好保留。

Kothari指出，全脑冷冻方案的成功率较低，且该结果无法直接套用于更大的人体器官，后者存在额外挑战。“这些挑战包括传热限制、更高的热机械应力，可能引发组织开裂。”

“要将这些原理应用于大型人体器官，还需研发更优的玻璃化溶液、冷却及复温技术。”German补充道。

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2516848123