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“三体”照进现实，科学家首次唤醒冷冻的“大脑”

學顾舒晨约 10 分钟

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长期以来，如何在极低温下完美封存大脑并重启生命，一直是科幻与现实之间最难跨越的鸿沟之一。从20世纪30年代瑞士科学家Basile J. Luyet提出的“玻璃化”构想，到2000年代兔肾实验中的“升温瓶颈”，科学家们在冰晶与死亡的边缘徘徊了近百年。近期，一项关于成年小鼠海马体复苏的突破性研究发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS），首次证明了深低温暂停后的神经组织仍能找回学习与记忆的“火种”。这项突破性研究具有现实意义，当然它距离人们幻想的冷冻复活，还有非常遥远的距离。

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撰文 | 顾舒晨
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“只送大脑。”

——托马斯·维德
在科幻小说《三体》中，“阶梯计划”可谓最为精彩的篇章之一。身患绝症的云天明在生命尽头选择捐献出自己的大脑，经低温冷冻后，他的大脑被送入深空以获取三体人的情报。最终大脑被三体文明捕获，并通过其高度发达的技术重建意识，将其克隆复活，反而最终保留了人类文明的火种。
类似为了穿越宇宙而将人类低温休眠的桥段在科幻作品里屡见不鲜，这样的幻想并非完全没有科学基础。此前，研究人员已尝试对人类和其他动物（主要是幼年脊椎动物）的脑组织进行低温冷冻和解冻，证实神经组织能在细胞层面存活，且解冻后能在一定程度上发挥功能。但一个关键瓶颈始终存在：人们无法完全恢复大脑正常运转所需的核心生理过程——神经元放电、细胞代谢以及大脑可塑性。
最近，一项突破性研究让人类离科幻场景又近了一小步。今年3月发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的论文“Functional recovery of the adult murine hippocampus after cryopreservation by vitrification”中，德国埃尔朗根-纽伦堡大学的研究团队研发出一种玻璃化冷冻技术，搭配能保护活组织的解冻流程，成功保留了大脑的部分生理功能。该研究首次证明，成年小鼠大脑的海马体组织经玻璃化冷冻后，能够在复温后恢复多种关键神经功能，包括学习和记忆的关键功能——长时程增强（Long-term potentiation，LTP）[1]。
冷冻技术发展小史
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要理解这项研究的意义，我们先简要回顾一下冷冻技术走过的漫长道路。冷冻复苏的概念源于自然界中一些具有特殊能力的生物，它们可以在零下的环境温度中长期存活。例如，木蛙（Rana sylvatica）可以随着环境温度的变化一起冻结和解冻。早在1938年，瑞士科学家Basile J. Luyet首次复苏了没有冷冻剂保护的青蛙精子[2]。随后，他在其著作《低温下的生命与死亡》（Life and Death at Low Temperatures）中提出了一个大胆设想：如果能让水在低温下不形成冰晶，而是以玻璃态固化，生命或许能在-196°C的液氮中暂停[3]。这一"玻璃化冷冻"概念开启了现代低温生物学的大门。
1949年，英国科学家Christopher Polge等人在研究精子冷冻时，偶然发现利用甘油作为冷冻剂能显著提高冷冻后精子的存活率，证明了冷冻保护剂的可行性[4]。然而，早期技术受限于样本体积和热传导效率，仅能处理精子、红细胞等微小样本。对于心脏、肾脏等实体器官，冰晶对器官中的微血管依然会造成机械损伤。这个致命问题使器官移植的冷冻保存长期停留在梦想阶段。
1984年，美国科学家Gregory Fahy提出“平衡玻璃化冷冻”方案：使用高浓度冷冻保护剂完全抑制冰核形成，使组织进入无冰晶的玻璃态[5]。2000年，Fahy团队在约-3°C下用高浓度冷冻保护剂VS4灌注兔肾，10只受体兔移植后全部长期存活，证明了高浓度冷冻保护剂毒性的可耐受性[6]。他们首次证明完整实体器官可以在玻璃化状态下保存并实现长期功能恢复，打破了“玻璃化仅适用于细胞和小型组织”的传统认知边界。此后他们进一步实验，将兔肾玻璃化冷冻至-130°C后成功移植，这是人类首次让实体器官在“深度暂停”后重新启动，论文于2009年发表[7]。
然而，这一成功依赖于极短的冷冻时间和特定的灌注压力，且肾功能存在严重受损。由于传统升温依赖对流换热，速率仅约1-5°C/min，导致玻璃化冷冻器官在复苏时因“脱玻璃化”（devitrification）形成致命冰晶，这一"升温速率瓶颈"又导致相关技术停滞近20年。
2015年，Gregory Fahy领导的21st Century Medicine团队成功玻璃化冷冻保存猪和兔脑，无可见结构损伤，证明复杂神经组织也能完整保存[8]。真正的革命来自纳米技术：2017年起，明尼苏达大学John Bischof团队将磁性纳米粒子灌注至器官，通过交变磁场实现均匀超快速升温，器官升温速率提升至 100°C/min 以上[9]。2023年，他们成功将玻璃化冷冻的大鼠肾脏保存100天，然后进行纳米升温后移植，受体存活30天且肾功能完全恢复，其功能远超2009年的水平[10]。2024年，该技术已扩展至接近人体器官的尺度，猪肝脏在40%乙二醇方案下玻璃化冷冻后，通过120 kW射频线圈实现88°C/min升温，细胞存活率超80%[11]。这标志着“按需解冻”的器官银行逐渐从科幻走向现实。
大脑的“暂停”挑战
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虽然肾脏的玻璃化冷冻在2000年就已实现，但大脑冷冻长期被视为“不可能任务”。与其他器官不同，大脑中含有大量神经元，它们对渗透压和化学毒性极度敏感，高浓度冷冻保护剂会导致突触连接断裂，长期以来科学家对于大脑的冷冻依然束手无策。更棘手的是冰晶形成造成的损伤。如果把大脑看作一块豆腐，用传统的冷冻方式将豆腐放进冰柜后，豆腐中的水分会结冰，其本身结构被破坏，变成“千疮百孔”的冻豆腐。因此，想要解决这一问题首先需要解决的就是避免冰晶造成的组织损伤。虽然在2015年，21st Century Medicine团队用醛类固定联合玻璃化冷冻技术保存猪和兔脑，这一成果还被MIT Technology Review评为年度十大突破，但它仅解决了“结构保存”问题，并未真正解决大脑冷冻的“功能复苏”难点。
而在今年这篇PNAS研究中，德国团队则是解答了成为玻璃状的大脑在解冻后，大脑功能是否能重新启动这一关键性问题。
研究团队首先在350微米厚的小鼠脑切片上进行了测试，这些脑切片均包含了大脑中负责记忆和空间导航的核心枢纽——海马体（hippocampus）。研究人员先将小鼠脑切片存放在含有冷冻保存化学物质的溶液进行预处理，然后用液氮快速冷却至-196℃。切片在-150℃深低温冰箱中以玻璃态保存 10 分钟至 7 天不等。随后，研究团队将脑切片在温热溶液中解冻，并分析了组织是否保留了相关的功能活性。实验证明，海马体的关键特征得以保留，包括结构完整性、代谢响应性、神经元兴奋性，以及突触传递和可塑性。更重要的是，研究者发现海马神经通路仍然能够产生突触强化，即“长时程增强”（LTP），这表明学习和记忆的细胞机制仍保持运作。虽然实验中有部分神经元的兴奋性有小幅度的下降，但结果展示出整体神经网络功能获得了重建，抑制性神经元的活动未受到损伤，这也表明冰冻后再复苏的神经网络是可以达到基本平衡的。
团队的研究并未止步于此，他们进一步对完整的脑组织进行了玻璃化冷冻保存实验。通过主动脉灌注，研究人员将冷冻保护剂注入小鼠大脑中，为防止由于血脑屏障引发的脱水损伤，他们采用了“交替平衡”策略（interleaved equilibration）。该策略是作者针对全脑原位玻璃化冷冻开发的一种创新灌注方案，通过交替灌注全浓度玻璃化溶液和载体溶液达到中等程度脱水状态，这样既能维持大脑凸面形态，又能在后续冷冻保护剂洗脱阶段避免致命性脑水肿。经探索和优化，部分大脑在复温和保护剂清除后仍能维持结构完整。保存 1 至 8 天后的海马体脑片仍能够显示正常的线粒体呼吸功能，颗粒细胞也保持了兴奋性和突触可塑性。
但论文作者谨慎指出：脑切片在复温后10-15小时会发生自然降解，目前采用的传导冷却和复温方法已接近组织尺寸极限。若要应用于更大系统，需采用体积冷却和复温方法克服传热限制。因此，结果“不应被解释为可直接应用于大型器官的冷冻保存”。
研究团队透露，他们已有初步数据显示，玻璃化冷冻方案在人类皮质组织上同样具有可行性。这意味着从小鼠模型向人类医学应用跨越，已经不再只是遥远的假设。但挑战依然严峻：一是冷冻保护剂的毒性问题，剂量越大、暴露时间越长，细胞损伤风险越高；二是厘米级以上厚实组织的内外同步均匀冷却与复温，至今仍是工程难题；三是记忆能否在冷冻后完整保留，目前仅能验证突触机制存活，更高层次的记忆信息是否完好，仍是神经科学的深层谜题。
低温技术的现实意义
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目前，这项研究仍处于早期阶段，未来要进入更深入的探索阶段，需要建立更长期和更完整的体系，以进一步解决研究的局限性。但该技术依然具有多维度的意义，它首次证实成年哺乳动物的大脑组织可以在深低温玻璃态下保存，并在复苏后恢复核心功能，这本身就大幅提升了人类对大脑低温耐受极限的认知。对基础神经科学而言，过去研究人员需要使用新鲜的大脑切片，通常实验做完后就扔掉，并且不同时间、不同团队的实验结果难以直接进行比较。现在，若新方法得以应用，可保存同一批脑组织，并在需要时进行重新“复活”。这不仅有利于大幅度提升实验的可靠性和再现性，同时也能减少实验动物的使用。
更长远地来看，该研究还为药物研发、更复杂器官的保存以及神经疾病研究提供了一种新的路径。最直接的应用场景是器官保存。目前全球每年有数以万计的患者因等不到匹配器官而死亡，核心瓶颈之一就是捐献器官的保存窗口极短，心脏通常只有4到6小时，肾脏也不超过36小时，稍有延误就面临功能损伤。如果玻璃化冷冻技术能成功应用于完整器官，将从根本上打破时间与距离的限制，使器官在全球范围内调配成为可能。此外，在某些复杂手术中，需要短暂阻断脑部供血，这段时间内大脑极易因缺血缺氧受到不可逆损伤。玻璃化冷冻保护技术若能在临床中实现，将为外科医生赢得宝贵的操作窗口，同时把大脑损伤风险压到最低。

参考文献

[1] German A, Akdaş 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.
[7] Fahy GM, Wowk B, Pagotan R, Chang A, Phan J, Thomson B, Phan L. Physical and biological aspects of renal vitrification. Organogenesis. 2009 Jul;5(3):167-75. 
[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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