PNAS: Wissenschaftler haben erstmals die Wiederherstellung der neuronalen Funktion eines "gefrorenen Gehirns" erreicht.

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

Eine kürzlich in der Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlichte Studie hat erstmalig in tiefgefrorenem Mausgehirngewebe die Schlüsselneuronfunktionen wiederhergestellt, was diesen lange in der Science-Fiction verankerten Gedanken im Labor um einen kleinen Schritt voran bringt.

Seit langem können Wissenschaftler Nervengewebe in einem gewissen Maße konservieren. Beispielsweise zeigen einige Experimente, dass Neuronen nach dem Einfrieren und Wiedererwärmen auf zellstruktureller Ebene überleben können und sogar teilweise ihre Funktionen wiederherstellen können. Das eigentliche Funktionieren des Gehirns hängt jedoch von einem komplexen Prozess ab – Neuronentätigkeit, Zellmetabolismus und synaptische Plastizität usw. Wenn diese Prozesse nicht wiederhergestellt werden können, kann das Gehirn nicht wieder funktionieren. Somit wird die Kernfrage: Kann das Gehirn nach einem vollständigen Stopp der molekularen Bewegung bei sehr niedrigen Temperaturen wieder gestartet werden?

Der deutsche Neurologe Alexander German und sein Team versuchen diese Frage zu beantworten. Die Schlüsselherausforderung, der sie sich widmen, ist die durch Eiskristalle verursachte Schäden während des Einfrierprozesses. Bei der herkömmlichen Kryokonservierung bilden Wassermoleküle Eiskristalle, und diese winzigen Kristalle können die nanoskaligen Strukturen innerhalb der Zellen durchstechen oder zusammenpressen, was die Zellmembranen und synaptischen Verbindungen zerstört. Für das hochpräzise neuronale Netzwerk ist diese strukturelle Zerstörung fast tödlich. Neben den Eiskristallen selbst bringen das Einfrieren auch Probleme wie osmotische Druckänderungen und die Toxizität von Kryoprotektiva mit sich, was es dem Gehirngewebe nach der Wiedererwärmung schwer macht, seine Funktionen wiederherzustellen.

Um die Bildung von Eiskristallen zu vermeiden, verwendete das Forschungs-Team eine Kryotechnik namens Vitrifikation. Diese Technologie erreicht durch eine extrem schnelle Abkühlung, 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 schlugen sie Gewebeschnitte von etwa 350 Mikrometern Dicke aus dem Mausgehirn aus, die den Hippocampus enthielten – eine Schlüsselregion des Gehirns, die eng mit Gedächtnis und räumlicher Navigation verbunden ist. Das Gewebe wurde in einer Lösung mit Kryoprotektivum vorbehandelt und schnell auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff abgekühlt (etwa –196 °C), und anschließend in einem glasartigen Zustand bei etwa –150 °C für Zeiträume zwischen zehn Minuten und sieben Tagen aufbewahrt. Danach wärmten die Forscher diese Gewebeschnitte langsam in einer warmen Lösung wieder auf und überprüften, ob ihre Struktur und Funktion noch vorhanden waren.

Mikroskopische Beobachtungen zeigten, dass die Strukturen der Neuronen und synaptischen Membranen im Wesentlichen intakt blieben. Die Messung 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 nahezu normale Reaktionen zeigten. Obwohl es im Vergleich zur Kontrollgruppe gewisse Abweichungen gab, konnten die Neuronen immer noch entladen und Signale übertragen.

Das Forschungs-Team testete weiter die Funktionen auf neuronalem Netzwerkebene. Sie fanden heraus, dass der neuronale Pfad im Hippocampus immer noch eine Langzeitpotenzierung (long-term potentiation, LTP) erzeugen konnte – dies ist ein Synapsenverstärkungsmechanismus, der als Grundlage für Lernen und Gedächtnis angesehen wird. Mit anderen Worten, nach der tiefen Kryokonservierung behielten diese neuronalen Kreise immer noch die Fähigkeit, Gedächtnis-relevante Plastizität zu bilden. Da die Gewebeschnitte unter den experimentellen Bedingungen allmählich degenerierten, konnten diese Funktionen nur einige Stunden aufrechterhalten werden. Daher konnten die Forscher diese Phänomene nur in einer begrenzten Zeit beobachten.

Nachdem sie die Gewebeschnitte erfolgreich getestet hatten, versuchte das Forschungs-Team, die Methode auf das gesamte Mausgehirn auszuweiten. Sie hielten das komplette Gehirn in einem glasartigen Zustand bei etwa –140 °C für bis zu acht Tage. Während dieses Prozesses mussten die Forscher jedoch wiederholt das Experimentieren anpassen, um die Toxizität der Kryoprotektiva zu reduzieren und die Schrumpfung des Gehirngewebes während des Abkühlens zu vermeiden. Nach der Wiedererwärmung nahmen die Forscher erneut Hippocampus-Schnitte aus diesen Gehirnen für elektrophysiologische Aufzeichnungen, und die Ergebnisse zeigten, dass der relevante neuronale Pfad immer noch LTP erzeugen konnte, was bedeutet, dass die Schlüsselneuronalen Netzwerkstrukturen während des Einfrierprozesses erhalten blieben.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass das Mausgehirn auf ganzer Ebene "wiederbelebt" werden kann. Da das Experiment an Gewebeschnitten durchgeführt wurde, konnten die Forscher nicht überprüfen, ob die Gedächtnisse, die das Tier vor dem Einfrieren gebildet hatte, noch vorhanden waren. 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 glauben, 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 einen bemerkenswerten Fortschritt in der Kryokonservierungstechnologie für Gehirngewebe zeigt, aber der praktischen Anwendung noch immer ziemlich weit entfernt ist. Insbesondere auf der Ebene großer Organe oder sogar des gesamten menschlichen Körpers werden die Probleme wie Wärmeleitung, mechanische Spannungen und Gewebespaltung noch gravierender.

Das Forschungs-Team versucht derzeit, diese Technologie auf menschliches Gehirngewebe auszuweiten. Laut ihren ersten Daten zeigte menschliches Kortexgewebe unter ähnlichen Bedingungen auch ein gewisses Maß an Lebensfähigkeit. Gleichzeitig erkunden die Forscher auch die Möglichkeit, die Vitrifikationstechnik auf andere Organe wie das Herz anzuwenden. 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, sind fortschrittlichere Kryoprotektiva, gleichmäßigere Abkühlung- und Wiedererwärmungstechniken sowie ein tieferes Verständnis der thermodynamischen Prozesse in großen Geweben erforderlich. In der gegenwärtigen Phase ist diese Studie eher eine Machbarkeitsstudie: Sie zeigt, dass es möglich ist, dass die extrem komplexe biologische Struktur des Gehirns nach einem vollständigen Stopp der Aktivität teilweise ihre Funktionen wiederherstellen kann.

In Science-Fiction-Geschichten steht die Kryokapsel für eine Reisen durch die Zeit. In der realen Wissenschaft wird diese Technologie eher zunächst die medizinische Praxis verändern, beispielsweise bei schweren Gehirnverletzungen, ischämischen Krankheiten oder während des Wartezeitraums für Organtransplantationen, um das Schlüsselgewebe zu schützen. Obwohl der Weg zur echten "Kryoschläft" noch sehr weit 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 Schlüsselneuronale 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 „Neurale Realität“ (ID: neureality), Autor: NR. Veröffentlicht von 36Kr mit Genehmigung.