长期以来，把大脑在深低温中完整封存，再在未来恢复功能，一直被视作介于幻想和现实之间的超级难题。如今，德国团队最新发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）的一项研究，首次证明成年小鼠海马体在玻璃化冷冻后，仍有机会在复温后恢复关键神经功能。距离人类想象中的“冷冻复活”当然还很远，但这一步确实很关键。
作者 | 顾舒晨
“只送大脑。”
——托马斯·维德
在《三体》的“阶梯计划”中，云天明临终前捐出大脑，经低温保存后被送往宇宙深处，最终被三体文明重建意识。类似的设定在科幻作品中并不少见，而现实科学之所以会让人产生联想，正是因为低温保存技术这些年确实在持续推进。
过去，科学家已经能让部分人类或动物脑组织在解冻后维持细胞层面的存活，也能恢复一部分功能。但真正卡住技术前进的，是大脑正常工作最核心的那几项能力，包括神经元放电、细胞代谢以及神经可塑性。换句话说，组织“活着”不等于大脑真的“恢复运转”。
而这次发表在 PNAS 上的研究，正试图突破这一关。德国埃尔朗根-纽伦堡大学团队在论文《Functional recovery of the adult murine hippocampus after cryopreservation by vitrification》中提出了一套玻璃化冷冻和复温流程，成功让成年小鼠海马体在复苏后恢复多项关键神经活动，其中就包括与学习记忆密切相关的长时程增强（LTP）[1]。
冷冻技术发展小史
要看懂这项成果的分量，得先回头看看低温保存技术是怎么一路走到今天的。最早的灵感来自自然界。一些生物能在严寒中冻结后再恢复生命活动，例如木蛙就是典型例子。1938 年，瑞士科学家 Basile J. Luyet 首次成功复苏未加保护剂的青蛙精子[2]。随后，他提出一个影响深远的设想，即让水在低温下以玻璃态固化而不是形成冰晶，这样生命过程也许能够在液氮温度下暂停[3]。这就是后来所谓“玻璃化冷冻”的理论起点。
1949 年，英国科学家 Christopher Polge 等人在精子实验中发现甘油能显著提升冷冻后的存活率，冷冻保护剂由此被证明切实有效[4]。不过当时的技术只能处理精子、红细胞这类微小样本，面对心脏和肾脏等实体器官时，冰晶对血管和组织结构的损伤依旧难以避免。
1984 年，美国科学家 Gregory Fahy 提出“平衡玻璃化冷冻”方案，通过高浓度保护剂抑制冰核生成，让组织直接进入无冰晶的玻璃态[5]。到了 2000 年，Fahy 团队使用 VS4 冷冻保护剂处理兔肾，并让 10 只受体兔在移植后长期存活[6]。这意味着完整器官并非完全不能在玻璃化条件下保存。2009 年，他们又进一步实现了将玻璃化冷冻至 -130°C 的兔肾复苏并移植[7]。
但问题并没有彻底解决。传统复温主要依赖对流换热，速度往往只有每分钟 1 到 5 摄氏度，这使得器官在回温过程中很容易发生“脱玻璃化”，重新长出致命冰晶。这个升温瓶颈让相关技术多年进展缓慢。
转机来自纳米升温技术。2017 年起，明尼苏达大学 John Bischof 团队把磁性纳米粒子引入器官组织，再利用交变磁场实现更均匀、更快速的回温，升温速度提升到每分钟 100 摄氏度以上[9]。2023 年，他们已能让玻璃化冷冻 100 天的大鼠肾脏在纳米升温后恢复功能并完成移植[10]。到 2024 年，这项技术甚至被推进到接近人体器官尺度的猪肝脏实验[11]。
大脑的“暂停”挑战
相比肾脏等器官，大脑一直更难处理。神经元对渗透压变化和化学毒性都异常敏感，稍有不慎，突触连接就可能被破坏。若把大脑比作一块豆腐，用普通方式冷冻后再解冻，组织内部形成的冰晶就像把豆腐扎得千疮百孔，原有结构和功能都会被严重破坏。
2015 年，21st Century Medicine 团队虽然曾通过醛固定结合玻璃化冷冻的方法保存猪脑和兔脑结构，还因此入选 MIT Technology Review 年度十大突破，但那更像是“把结构保存住”，并不等于真正让大脑功能回来。
这次德国团队的工作，重点恰恰在于回答另一个更关键的问题，也就是玻璃化后的脑组织在解冻后，能否重新启动功能。
研究人员先在厚度约 350 微米、含海马体区域的小鼠脑切片上实验。样本先在含冷冻保存化学物质的溶液中预处理，再用液氮迅速降到 -196℃，之后在 -150℃ 的深低温环境中以玻璃态保存 10 分钟到 7 天不等。复温后，团队检测组织是否还能维持活动。结果显示，海马体的结构完整性、代谢反应、神经元兴奋性，以及突触传递和可塑性都被保留下来。尤其关键的是，海马神经回路仍可产生长时程增强，这意味着与学习和记忆相关的细胞机制依旧存在。
研究还进一步扩展到完整脑组织。团队通过主动脉灌注将冷冻保护剂送入小鼠大脑，并设计出一种“交替平衡”策略，以减少血脑屏障引发的脱水损伤。经过优化后，部分大脑在复温和保护剂清除后仍保持结构完整。保存 1 到 8 天后的海马体切片，仍能表现出正常的线粒体呼吸功能，神经元兴奋性和突触可塑性也得以维持。
不过论文作者也强调，现有结果不能被直接理解为大型器官甚至人体大脑已可冷冻保存。眼下采用的冷却和复温方法已经接近当前组织尺寸的极限，若要走向更大尺度，还得依赖体积冷却和体积复温等新方法来解决传热难题。
团队同时透露，他们已有初步数据表明，这套玻璃化冷冻方案在人类皮质组织上也可能具备可行性。但真正迈向医学应用，还绕不开几道关卡，包括冷冻保护剂的毒性、更厚组织如何同步均匀冷却与复温，以及更高层次的记忆信息能否在冷冻后完整保留。
低温技术的现实意义
尽管这项成果还处在早期探索阶段，它的现实意义已经很明确。首先，它首次证明成年哺乳动物脑组织在深低温玻璃态保存后，有机会恢复核心功能，这本身就拓宽了人类对大脑低温耐受能力的认知边界。对神经科学研究来说，未来若能稳定保存同一批脑组织并按需复苏，不仅有望提高实验重复性，也可能减少实验动物的消耗。
从更长远的角度看，这项技术还可能为药物开发、神经疾病研究以及器官保存打开新路。器官移植一直受制于极短的保存窗口，心脏通常只能保存 4 到 6 小时，肾脏也往往难超 36 小时。若玻璃化冷冻能够真正应用于完整器官，就可能让跨区域、跨时间调配器官成为现实。类似技术若未来进入临床，也可能在复杂外科手术中为医生争取更多安全操作时间，降低脑部缺血缺氧造成的伤害。
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.
