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復(fù)旦團(tuán)隊(duì)重大突破登Cell，破紀(jì)錄復(fù)活「冰封」18個(gè)月人腦！三體云天明計(jì)劃成真？

新智元整合編輯：龔震發(fā)布于：2024-05-21 15:30

就在剛剛，科學(xué)家們成功地復(fù)活了冷凍的人類大腦！

這項(xiàng)技術(shù)，是低溫技術(shù)領(lǐng)域的重大突破，為改進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究方法鋪平了道路。

本月，復(fù)旦大學(xué)邵志成博士團(tuán)隊(duì)的這篇工作，也正式登上了Cell子刊。

論文地址：https://www.cell.com/cell-reports-methods/pdfExtended/S2667-2375(24)00121-8

以前，腦組織是無法在冷凍和解凍過程中存活下來的。這個(gè)問題，給醫(yī)學(xué)研究造成了巨大的障礙。

當(dāng)然，這依然阻擋不了有錢人的腳步——他們前赴后繼地投入巨資，把自己的大腦乃至整個(gè)身體冷凍起來，以期在未來復(fù)活。

如今，他們的理想可以成真了！

免疫熒光染色成像技術(shù)顯示了解凍的大腦類器官

對(duì)此，英國伯明翰大學(xué)的João Pedro Magalhães教授表示，自己被震撼到了。

要知道，腦細(xì)胞是非常脆弱，對(duì)壓力極其敏感的。而團(tuán)隊(duì)采用的方法卻可以成功防止細(xì)胞死亡，甚至讓它們保留功能，這不得不說是一項(xiàng)奇跡。

Magalhães教授大膽預(yù)言，我們現(xiàn)在完全可以想象這樣的場(chǎng)景——

幾十年或幾個(gè)世紀(jì)后，絕癥患者可以被冷凍保存，等待有治愈方法的那天。

宇航員可以被冷凍，醒來時(shí)就已經(jīng)被送到了其他星系。

這是一場(chǎng)豪賭，賭贏了可能就是永生

至此，看來三體是要成真了，云天明的大腦不用靠三體人攔截，靠我們自己就能讓他復(fù)活。

圖源：知乎「吳牛喘月」

這樣看來，馬斯克大概會(huì)非常喜歡這個(gè)研究，人體冷凍技術(shù)，或?qū)⒊蔀榭尚行跃薮蟮耐顿Y。

總的來說，這個(gè)研究的亮點(diǎn)就是——

團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種全新的冷凍保存方法（MEDY）

MEDY不會(huì)破壞神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)或功能

MEDY可用于保存各種腦類器官和人類腦組織

有趣的問題來了——大腦解凍后，腦中所有的信息/記憶也會(huì)被完好無損地保存嗎？

所以，我們究竟有沒有靈魂？

網(wǎng)友：請(qǐng)讓我在機(jī)器人體內(nèi)醒來

此消息一出，網(wǎng)友們立馬震驚了。

「人類的冰凍世時(shí)代要來了，我們將穿越浩瀚的虛空海洋，那里的每一顆星星，每一個(gè)未曾見過的角落，都將感受人類的觸摸�！�

「太癲狂了，我們不僅能掃描人類大腦，還能把它們冷凍起來�！�

此前，谷歌的十年神經(jīng)科學(xué)成果——人腦圖譜，登上了Science。人們被這張1立方毫米的納米級(jí)人腦皮層圖震撼到了

已經(jīng)有志愿者表示，愿意參加人體試驗(yàn)了。

這位表示，已經(jīng)迫不及待想冷凍自己的大腦，然后在機(jī)器人體內(nèi)醒來了。

一覺睡過奇點(diǎn)，醒來就會(huì)身處一個(gè)嶄新的紀(jì)元。

「等我老了，把我冰凍，推送到一艘殖民船上，讓我的大腦在罐子里操作機(jī)器人�！�

所以，如果當(dāng)初有人冷凍愛因斯坦的大腦，我們或許就能讓它復(fù)活了。

評(píng)論區(qū)被提到最多的科幻，就是三體和波比宇宙。

「現(xiàn)在我們只需要一個(gè)1%光速行進(jìn)的探針，就可以依靠自身動(dòng)力運(yùn)行數(shù)百萬年，同時(shí)還要避免空間碎片。三體艦隊(duì)已經(jīng)走了200年了�！�

當(dāng)然從現(xiàn)實(shí)層面講，還需要有一個(gè)巨大的鉛罩，來保護(hù)大腦免受宇宙輻射的影響�！�

總之，這項(xiàng)研究實(shí)在太不可思議了，堪稱是打破了科幻和現(xiàn)實(shí)的壁壘。

討論甚至上升到了玄學(xué)。

言歸正傳，之前的那些低溫冷凍人，他們還好嗎？

目前，美國已有數(shù)百人冰封在-196℃液氮罐中，等待復(fù)活。最小的冷凍人只有2歲，費(fèi)用高達(dá)22萬美金

有懂行的網(wǎng)友解釋說，其實(shí)這些冷凍人也使用了類似的化學(xué)物質(zhì)。

凍整個(gè)人和只凍大腦最大的不同是，在人冷凍后，需要盡快讓化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入大腦的血液系統(tǒng)。冷凍必須逐漸進(jìn)行，以防止冰晶的形成，速度必須很快，因此任務(wù)很緊迫。如果沒有活躍的血液循環(huán)，大腦很快就會(huì)退化了。

而只凍大腦的時(shí)候，因?yàn)槭切颖�，因此不存在這些問題。

從技術(shù)上講，這些人的身體并不是「冷凍」的，而是「玻璃化」的。一旦身體冷卻到零度以下，溶液非但不會(huì)結(jié)晶，反而會(huì)越來越厚。它就像一個(gè)玻璃塊，將所有細(xì)胞固定在原位，沒有任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，因此不會(huì)造成任何損害

為了保證冰凍人們的未來，Alcor公司成立了一個(gè)信托基金，作為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體來管理和保護(hù)冷凍患者的資金，以防幾百年后實(shí)施冰凍公司不在了

冷凍人腦組織，現(xiàn)在可以無損復(fù)蘇

就在最近，著名科學(xué)雜志New Scientist，還針對(duì)這項(xiàng)研究做了一篇專題報(bào)道。

復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用人類胚胎干細(xì)胞，在三周時(shí)間內(nèi)培育出了大腦類器官，這些自組織腦細(xì)胞的小簇，就可以發(fā)育成各種類型的腦細(xì)胞。

然后，研究人員將這些類器官浸入不同的化合物中，包括糖和防凍液，這樣就可以讓它們?cè)谝旱欣鋬鲋辽?4小時(shí)。

樣本解凍后，他們?cè)诮酉聛淼膬芍軆?nèi)，監(jiān)測(cè)它們的生長和細(xì)胞死亡情況。

嘗試了各種不同化合物的組合之后，研究者發(fā)現(xiàn)了一種理想組合，可以讓組織解凍后死亡的細(xì)胞最少、生長得更多。

這種組合，就是由甲基纖維素、乙二醇、DMSO和Y27632組成的化學(xué)混合物，被研究者命名為「MEDY」。

有網(wǎng)友在MEDY的成分中發(fā)現(xiàn)了「華點(diǎn)」——如果喝了有其中3種成分的洗發(fā)水，會(huì)長生不老嗎？

為何MEDY能保存脆弱的腦組織細(xì)胞呢？研究者認(rèn)為，這是因?yàn)镸EDY干擾了一個(gè)通常會(huì)導(dǎo)致腦細(xì)胞死亡的路徑。

隨后，團(tuán)隊(duì)對(duì)MEDY進(jìn)行了一系列測(cè)試，實(shí)驗(yàn)對(duì)象包括從28天到超過100天的腦類器官。

這些器官在冷凍前，都會(huì)被放入MEDY中冷凍48小時(shí)，然后再解凍。

團(tuán)隊(duì)驚喜地發(fā)現(xiàn)，解凍后的類器官，在外觀、生長和功能上與從未冷凍過的同齡類器官非常相似！即使是在MEDY中冷凍了18個(gè)月的類器官，也依然如此。

他們甚至創(chuàng)造了一項(xiàng)紀(jì)錄——在解凍后，大腦類器官可以繼續(xù)生長，存活長達(dá)150天！

這種組合的有效性已經(jīng)得到了證明：研究者從一名9個(gè)月大、患有癲癇的女孩身上取出了3立方毫米的腦組織，腦組織在解凍后至少兩周內(nèi)，仍然保持著活躍狀態(tài)。

冷凍大腦怎樣保存

以下，就是冷凍和解凍大腦的具體步驟。

首先，在進(jìn)行冷凍保存之前，大腦類器官需要在含有10μM Y27632的培養(yǎng)基中培養(yǎng)1.5小時(shí)。

隨后，我們需要將它轉(zhuǎn)移到冷凍保存溶液中，在室溫下靜置1/6-5小時(shí)。

這個(gè)靜置時(shí)間，取決于大腦類器官的直徑，它的直徑每增加1毫米，室溫預(yù)處理時(shí)間就需要延長20分鐘。

之所以要進(jìn)行預(yù)處理，就是為了讓Y27632充分滲透到器官內(nèi)部，從而減少玻璃化現(xiàn)象，增加滲透壓。

預(yù)處理完成后，類器官就就可以放入存儲(chǔ)管中，在−80°C的低溫下保存了。24小時(shí)后，我們需要把它轉(zhuǎn)移到液氮中，進(jìn)行長期保存。

冷凍完成了，該如何解凍呢？過程是這樣的。

首先，把類器官從液氮中取出，盡快在37°C下解凍，這個(gè)速度越快越好。

然后，我們需要小心地將類器官轉(zhuǎn)移到含有10μM Y27632的W4培養(yǎng)基中培養(yǎng)兩天，然后繼續(xù)在37°C下培養(yǎng)。

兩天后，每天都要更換一次培養(yǎng)基。

從第三天起，就要開始使用不含 Y27632的W4培養(yǎng)基，繼續(xù)培養(yǎng)兩天。

最后，將解凍后的類器官用Matrigel包裹起來，并繼續(xù)培養(yǎng)。

掌握了以上步驟，我們就可以順利冷凍自己的大腦了不是。

論文結(jié)果

高效保存皮質(zhì)類器官

為了解決3D腦類器官長期可靠存儲(chǔ)的挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種新的冷凍保存方法，包括對(duì)冷凍介質(zhì)成分和冷凍解凍過程的精確控制（圖 1A）。為了進(jìn)一步提高冷凍保存的效率，團(tuán)隊(duì)測(cè)試了候選試劑與ROCK抑制劑Y27632的不同組合，形成了新的冷凍介質(zhì)（CM1–CM4）。綜合來看，CM1（1% 甲基纖維素 + 10% 乙二醇 + 10% DMSO + 10μM Y27632）是腦類器官的最佳冷凍介質(zhì)——即MEDY。

圖 1. MEDY冷凍保存技術(shù)的建立

維持功能性細(xì)胞結(jié)構(gòu)

腦室區(qū)（VZ）的結(jié)構(gòu)和多個(gè)皮質(zhì)層在維持腦類器官功能方面起著重要作用，能否在冷凍保存后保留這種功能結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

團(tuán)隊(duì)使用MEDY冷凍保存了28天的皮質(zhì)類器官，并在解凍后繼續(xù)培養(yǎng)3周，然后進(jìn)行皮質(zhì)層標(biāo)記物的免疫染色（圖 2A和2B）。

在第50天，解凍后的類器官中Sox2+和Pax6+的VZ樣結(jié)構(gòu)完全保留（圖 2C和2D）。具有正常形態(tài)和神經(jīng)突生長的MAP2+和Tuj-1+神經(jīng)元均勻分布在VZ樣區(qū)域的外層附近（圖 2C和2D）。

不僅如此，團(tuán)隊(duì)還檢查了冷凍保存1年半后復(fù)蘇的類器官。免疫染色顯示，祖細(xì)胞和神經(jīng)元得到了良好的維持，大多數(shù)祖細(xì)胞在解凍后仍在增殖，這與正常組相似。

綜上所述，皮質(zhì)類器官的功能性細(xì)胞結(jié)構(gòu)在MEDY冷凍保存過程中得到了很好的保留。

圖 2. MEDY對(duì)皮質(zhì)類器官功能結(jié)構(gòu)的保護(hù)

細(xì)胞多樣性和細(xì)胞群

為了探討MEDY冷凍保存是否會(huì)影響基因表達(dá)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了整體RNA測(cè)序，檢查了正常和MEDY冷凍保存類器官的基因表達(dá)譜。

結(jié)果顯示，NPC標(biāo)記物的表達(dá)沒有明顯差異（圖 3A和3B）。與神經(jīng)元相關(guān)的基因，包括運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元、多層皮質(zhì)神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞，具有相似的轉(zhuǎn)錄譜，表明冷凍保存過程沒有引起基因表達(dá)的變化（圖 3A–3E）。

為了研究MEDY冷凍保存類器官的細(xì)胞多樣性和細(xì)胞群，團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測(cè)序。

結(jié)果顯示，正常和解凍后的皮質(zhì)類器官都包含主要的神經(jīng)細(xì)胞群體，包括多層皮質(zhì)神經(jīng)元、NPC 和膠質(zhì)細(xì)胞（圖 3F 和 3G）。其中，NPC的數(shù)量沒有減少，這表明MEDY冷凍保存沒有抑制正常類器官的神經(jīng)發(fā)育過程（圖 3H和3I）。

圖 3. 正常和MEDY皮質(zhì)類器官中細(xì)胞多樣性的RNA測(cè)序和單細(xì)胞測(cè)序分析

功能活動(dòng)可得到維持

為了驗(yàn)證解凍后的類器官是否仍具有功能性神經(jīng)活動(dòng)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了鈣成像實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)過約20秒的刺激后，可以在MEDY冷凍保存的類器官中檢測(cè)到強(qiáng)烈的鈣活動(dòng)（圖 4A–4C）。這些結(jié)果表明，冷凍保存后谷氨酸能突觸連接仍然得以維持。

為了進(jìn)一步確認(rèn)類器官的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電生理特性，團(tuán)隊(duì)使用微電極陣列（MEA）檢測(cè)了第114天神經(jīng)元活動(dòng)的同步性（圖 4D）。

在正常和解凍后的類器官中都能檢測(cè)到同步活動(dòng)，表明網(wǎng)絡(luò)爆發(fā)得到了良好的保留（圖 4E–4G）。類器官的尖峰頻率在冷凍保存過程中基本未受影響（圖 4H），120秒內(nèi)激活的電極總數(shù)沒有差異（圖 4I）。網(wǎng)絡(luò)爆發(fā)的數(shù)量也沒有顯著減少，這表明類器官中神經(jīng)元功能連接的復(fù)雜性（圖 4J）。

總的來說，MEDY冷凍保存基本上保護(hù)了冷凍保存類器官的功能連接。

圖 4. 通過鈣成像和MEA技術(shù)檢測(cè)正常和MEDY皮質(zhì)類器官的功能活動(dòng)

多腦區(qū)特異性類器官

為了進(jìn)一步驗(yàn)證MEDY冷凍保存是否可以用于維持各種腦區(qū)特異性類器官，團(tuán)隊(duì)分別誘導(dǎo)了GABA類器官、SP類器官和OVB類器官（圖 5G）。

結(jié)果顯示，每個(gè)類器官的軸突在第6天左右開始生長，且在MEDY冷凍保存后幾乎沒有細(xì)胞碎片從類器官中釋放出來。

此外，解凍后的GABA類器官中，GAD67+抑制性神經(jīng)元得到了良好的保護(hù)，NKX2.1+抑制性祖細(xì)胞也處在相似的水平。

在SP類器官中，Hoxc9+細(xì)胞顯示出與人類胸椎SP相同的結(jié)構(gòu)特征，并在兩組中具有相似的豐度（圖 5I和5K）。NKX6.1+腹側(cè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元祖細(xì)胞和Pax6+細(xì)胞同樣聚集，且豐度相似（圖 5H和5J）。

在OVB類器官中，Pax6+和RX+視泡樣結(jié)構(gòu)在冷凍保存過程中也得到了保護(hù)，與正常相似。

總的來說，各種腦區(qū)特異性類器官的細(xì)胞多樣性和結(jié)構(gòu)得到了良好的保存，這表明MEDY冷凍保存技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于不同的神經(jīng)類器官。

圖 5. MEDY冷凍保存可用于長期培養(yǎng)的皮質(zhì)類器官和SP類器官的保護(hù)

來自患者的腦組織

為了擴(kuò)展MEDY冷凍保存技術(shù)在臨床上的潛在應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)基于癲癇患者的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）制備了腦類器官（圖 6A）。

解凍后第7天到第14天，軸突生長強(qiáng)勁，超過200μm（圖 6B）。此外，免疫染色顯示，神經(jīng)祖細(xì)胞和神經(jīng)元細(xì)胞的細(xì)胞群體沒有異常（圖 6C–6H）。這些結(jié)果表明，MEDY冷凍保存可用于存儲(chǔ)來自患者的神經(jīng)類器官。

據(jù)此可以推測(cè)，MEDY也能用于冷凍保存具有病理特征的新鮮患者腦組織，這對(duì)基礎(chǔ)研究以闡明腦疾病的發(fā)病機(jī)制至關(guān)重要（圖 6I）。

結(jié)果顯示，大小約為3mm的腦組織在MEDY冷凍保存后存活，因?yàn)榇罅炕罴?xì)胞可以在第14天從組織中遷移出來（圖 6J）。此外，大多數(shù)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞得到了良好的保存（圖 6K和6L）。

總的來說，通過MEDY可以保存來自癲癇患者的腦類器官和具有病理特征的活腦組織。

圖 6. MEDY冷凍保存適用于癲癇兒童來源的皮質(zhì)類器官和活腦組織的保存

對(duì)神經(jīng)的保護(hù)作用

為了了解MEDY冷凍保存對(duì)腦類器官的神經(jīng)保護(hù)機(jī)制，團(tuán)隊(duì)對(duì)使用MEDY冷凍保存后的皮質(zhì)類器官進(jìn)行了整體RNA測(cè)序。

結(jié)果顯示，與未冷凍保存的類器官相比，MEDY在四個(gè)基因（APOL1、IL11、ULBP1、ULBP2）上的表達(dá)水平相似（圖 7G），進(jìn)一步表明MEDY可以通過在冷凍保存或解凍過程中抑制這些基因的表達(dá)來防止類器官細(xì)胞的凋亡。

這些結(jié)果表明，MEDY冷凍保存可以通過抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑來維持類器官的存活和神經(jīng)功能（圖 7H）。

圖 7. RNA測(cè)序揭示了MEDY冷凍保存技術(shù)背后的基因表達(dá)變化

作者介紹

邵志成，博士畢業(yè)于上海交通大學(xué)，先后在中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所，阿拉巴馬大學(xué)以及哈佛大學(xué)進(jìn)行博士后研究。2020年2月加入復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)轉(zhuǎn)化研究院，博士生導(dǎo)師，上海市東方學(xué)者特聘教授，主要從事體細(xì)胞重編程，中樞神經(jīng)系統(tǒng)再生，以及精神疾病發(fā)病機(jī)制研究。

課題組利用特定疾病類型的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，結(jié)合3D類腦器官(Organoid)等技術(shù)，研究精神疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，尋找藥物靶點(diǎn)和建立藥物篩選平臺(tái)。

同時(shí)利用轉(zhuǎn)分化技術(shù)，結(jié)合材料科學(xué)制備類器官芯片，探究3D-organoid移植治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織再生的新策略。

目前，以第一作者和通訊作者在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表多篇論文，其中包括Nature Biomedical Engineering、Nature Neuroscience、Biomaterials、Nature Communications、Cell Reports等。

參考資料：

https://www.newscientist.com/article/2431153-frozen-human-brain-tissue-can-now-be-revived-without-damage/

https://www.cell.com/cell-reports-methods/fulltext/S2667-2375(24)00121-8

文章來源：新智元

冷凍保存大腦復(fù)活

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