Neuer Durchbruch in PNAS: Sind wir einem "Wiederbeleben" gefrorener Gehirne näher?

In Science-Fiction-Filmen ist es fast eine klassische Erzählung, dass Menschen in Kryokapseln gelegt werden und nach Jahrzehnten oder sogar Jahrhunderten wieder erwachen. Von "Alien" bis "Drei Körper" ist dieser "Tiefkühlschlaf" seit jeher ein Symbol für zukünftige Technologien. In der realen Wissenschaft ist das eigentliche Problem jedoch nicht das Einfrieren von Leben, sondern ob die Gehirnfunktionen nach einem vollständigen Stopp der Aktivität wiederhergestellt werden können.

Eine kürzlich in der PNAS veröffentlichte Studie hat erstmalig in tiefgefrorenen Mäusegehirngeweben die wichtigen neuronalen Funktionen wiederhergestellt, was diesen seit langem in der Science-Fiction verankerten Gedanken im Labor um einen kleinen Schritt voran bringt.

Seit langem können Wissenschaftler Nervengewebe in einem gewissen Maß konservieren. Einige Experimente haben beispielsweise gezeigt, dass Neuronen nach dem Einfrieren und Auftauen auf zellstruktureller Ebene überleben können und sogar teilweise ihre Funktionen wiederherstellen können. Das eigentliche Funktionieren des Gehirns hängt jedoch von einem komplexen Prozess ab - neuronalen Entladungen, Zellmetabolismus und synaptischer Plastizität. Wenn diese Prozesse nicht wiederhergestellt werden können, kann das Gehirn nicht wieder funktionieren. Somit wird die zentrale Frage: Kann das Gehirn nach einem vollständigen Stopp der molekularen Bewegung bei extrem niedrigen Temperaturen wieder gestartet werden?

Der deutsche Neurologe Alexander German und sein Team versuchen diese Frage zu beantworten. Die zentrale Herausforderung, der sie sich widmen, ist die durch Eiskristalle verursachte Schäden beim Einfrieren. Beim herkömmlichen Einfrieren bilden Wassermoleküle Eiskristalle, und diese winzigen Kristalle können die nanoskaligen Strukturen innerhalb der Zellen durchstechen oder zusammenpressen, was Zellmembranen und synaptische Verbindungen zerstört. Für das hochgradig präzise neuronale Netzwerk ist eine solche strukturelle Zerstörung fast tödlich. Neben den Eiskristallen selbst bringen das Einfrieren auch Probleme wie osmotische Veränderungen und die Toxizität von Kryoprotektiva mit sich, wodurch es für das Gehirngewebe nach dem Auftauen schwierig ist, seine Funktionen wiederherzustellen.

Um die Bildung von Eiskristallen zu vermeiden, hat das Forschungsunternehmen eine Einfriertechnik namens Vitrifikation eingesetzt. Diese Technologie sorgt durch eine extrem schnelle Abkühlung dafür, dass die Flüssigkeit in eine glasähnliche, ungeordnete feste Struktur übergeht, bevor Kristalle entstehen können. In diesem Zustand stoppt die molekulare Bewegung fast vollständig, aber die Gewebestruktur kann insgesamt "eingefroren" werden. Die Forscher hoffen, zu überprüfen, ob die Gehirnfunktionen nach diesem vollständigen Stillstand wieder gestartet werden können.

Zunächst haben sie Gewebeschnitte von etwa 350 Mikrometern Dicke aus Mäusehirnen entnommen, die den Hippocampus enthielten - eine Schlüsselregion des Gehirns, die eng mit Gedächtnis und räumlicher Navigation verbunden ist. Nach einer Vorbehandlung des Gewebes in einer Lösung mit Kryoprotektiva wurde es schnell auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff abgekühlt (etwa -196°C) und anschließend in einem glasartigen Zustand bei etwa -150°C zwischen zehn Minuten und sieben Tagen gelagert. Anschließend wurden diese Gewebe in einer warmen Lösung schrittweise aufgetaut, und es wurde überprüft, ob ihre Struktur und Funktion noch vorhanden waren.

Mikroskopische Beobachtungen zeigten, dass die Strukturen der Neuronen und Synapsenmembranen im Wesentlichen intakt blieben. Die Untersuchung der mitochondrialen Aktivität ergab, dass das Zellmetabolismusystem nicht deutlich geschädigt war. Am wichtigsten war, dass die elektrophysiologischen Aufzeichnungen zeigten, dass diese Neuronen bei elektrischer Stimulation immer noch annähernd normale Reaktionen zeigten. Obwohl es im Vergleich zur Kontrollgruppe gewisse Abweichungen gab, konnten die Neuronen immer noch entladen und Signale übertragen.

Das Forschungsunternehmen hat die Funktionen auf neuronaler Netzebene weiter getestet. Sie fanden heraus, dass der neuronale Pfad im Hippocampus immer noch eine Langzeitpotenzierung (long - term potentiation, LTP) erzeugen konnte - einem synaptischen Verstärkungsmechanismus, der als Grundlage für Lernen und Gedächtnis angesehen wird. Mit anderen Worten, hatten diese neuronalen Kreise nach der Tiefgefrierung immer noch die Fähigkeit, Gedächtnis - verwandte Plastizität zu entwickeln. Da die Gehirnschnitte unter den experimentellen Bedingungen jedoch allmählich degenerierten, konnten diese Funktionen nur einige Stunden aufrechterhalten werden, und die Forscher konnten diese Phänomene nur in einer begrenzten Zeit beobachten.

Nachdem sie die Gehirnschnitte erfolgreich getestet hatten, versuchte das Forschungsunternehmen, die Methode auf das gesamte Mäusehirn auszudehnen. Sie hielten das intakte Gehirn in einem glasartigen Zustand bei etwa -140°C bis zu acht Tage lang. Während dieses Prozesses mussten die Forscher jedoch wiederholt das experimentelle Design anpassen, um die Toxizität der Kryoprotektiva zu verringern und die Schrumpfung des Gehirngewebes während des Abkühlens zu vermeiden. Nach dem Auftauen nahmen die Forscher erneut Hippocampus - Schnitte aus diesen Gehirnen für elektrophysiologische Aufzeichnungen, und die Ergebnisse zeigten, dass die relevanten neuronalen Pfade immer noch LTP erzeugen konnten, was bedeutet, dass die Schlüsselstrukturen des neuronalen Netzwerks während des Einfrierens erhalten blieben.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass das Mäusehirn auf ganzer Ebene "wiederbelebt" werden kann. Da das Experiment an Schnitten durchgeführt wurde, konnten die Forscher nicht überprüfen, ob die vor dem Einfrieren gebildeten Gedächtnisse des Tieres noch vorhanden sind. Ob das Gehirn auf ganzer Ebene Bewusstsein oder Verhaltensfunktionen wiederherstellen kann, bleibt völlig unbekannt.

Trotzdem stellt diese Studie einen wichtigen Fortschritt im Bereich der neuronalen Kryokonservierung dar. Einige Forscher sind der Meinung, dass dieser schrittweise technologische Fortschritt genau der Prozess ist, in dem Science - Fiction - Konzepte allmählich in reale Möglichkeiten umgewandelt werden. Beispielsweise hat der Maschinenbau - Forscher Mrityunjay Kothari von der University of New Hampshire darauf hingewiesen, dass diese Studie deutliche Fortschritte in der Kryokonservierungstechnologie von Gehirngewebe zeigt, aber der praktischen Anwendung immer noch ziemlich weit entfernt ist. Insbesondere bei großen Organen oder sogar am gesamten menschlichen Körper werden Probleme wie Wärmeleitung, mechanische Spannungen und Gewebespaltung noch gravierender.

Das Forschungsunternehmen versucht derzeit, die Technologie auf menschliches Gehirngewebe auszudehnen. Laut ihren ersten Daten zeigt menschliches Kortexgewebe unter ähnlichen Bedingungen auch ein gewisses Maß an Lebensfähigkeit. Gleichzeitig erkunden die Forscher auch die Anwendung der Vitrifikation auf andere Organe, wie das Herz. Theoretisch würde die langfristige Konservierung und Wiederherstellung der Funktion großer Organe in einem glasartigen Zustand eine neue Art von "Organbank" für Organtransplantationen ermöglichen.

Aber um dieses Ziel zu erreichen, werden fortschrittlichere Kryoprotektiva, gleichmäßigere Abkühlungs - und Auftautechniken sowie ein tieferes Verständnis der thermodynamischen Prozesse in großen Geweben benötigt. In der gegenwärtigen Phase ist diese Studie eher eine Machbarkeitsstudie: Sie zeigt, dass es möglich ist, dass das äußerst komplexe biologische Gehirn nach einem vollständigen Stopp seiner Aktivität teilweise seine Funktionen wiederherstellen kann.

In Science - Fiction - Geschichten steht die Kryokapsel für eine Reise durch die Zeit. In der realen Wissenschaft wird diese Technologie eher zunächst die medizinische Praxis verändern, beispielsweise indem sie bei schweren Gehirnverletzungen, ischämischen Krankheiten oder während der Wartezeit auf eine Organtransplantation das Schlüsselgewebe schützt. Obwohl der echte "Kryoschlaf" immer noch sehr weit entfernt ist, beweist diese Studie zumindest, dass selbst wenn das Gehirn in einen scheinbar vollständigen Stillstand gerät, seine Funktionen nicht unbedingt für immer verloren gehen. Einige wichtige neuronale Prozesse können möglicherweise nach dem Auftauen wieder gestartet werden.

Quellen: 1. German, A., Akdaş, E. Y., Flügel - Koch, C., Erterek, E., Frischknecht, R., Fejtova, A., ... & Zheng, F. (2026). Functional recovery of the adult murine hippocampus after cryopreservation by vitrification. Proceedings of the National Academy of Sciences, 123(10), e2516848123. 2. https://www.nature.com/articles/d41586 - 026 - 00756 - w

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat - Account "Neural Reality" (ID: neureality), Autor: NR. Veröffentlicht von 36Kr mit Genehmigung.