科學家讓腦死亡大腦重生：探索生死之間的模糊地帶

在死亡後數小時對豬腦功能進行恢復的實驗，有望給神經科學的進展帶來有力推動。

作為腦細胞當中的組成部分，神經元(綠色)與星形膠質細胞(紅色)會在豬腦死亡之後的10個小時左右開始土崩瓦解(圖左)。但研究人員正在嘗試利用一種所謂BrainEx的灌注技術(圖右)進行搶救。圖片來源：Sestan實驗室與耶魯大學醫學院，Stefano G. Daniele與Zvonimir Vrselja。

作為長久以來被人們認定為無可撼動的兩大死亡定律之一，科學界堅稱大腦功能的停止是一種不可逆轉的過程，這種狀態亦被稱為「腦死亡」。(另一種不可逆轉的過程為循環與呼吸功能的停止。)具體來講，人們普遍認為腦細胞在此過程中會經歷快速且無法逆轉的死亡變性。但就在上周三，《自然》雜誌上發表的一項引人注目的最新研究表明，即使在死亡後數小時，腦部仍然能夠保留或者恢復多種功能。一支主要來自耶魯大學醫學院的研究小組高潮恢復了四小時前屠宰的豬大腦中的一些功能，並成功使這些功能繼續維持了六個小時。

神經科學家兼團隊負責人Nenad Sestan在一次新聞發布會中指出，「簡而言之，如果我們能夠在培養皿當中做到這一點，那麼我們能否在完整的大腦中重現這一效果?」這項工作的基本思路，在於觀察對死亡後大腦中的細胞進行觀察，並收集部分細胞在培養環境中進行研究。Sestan和他的同事們開發出一套名為BrainEx的計算機化系統，其中包含三大要素：泵體、過濾器與儲池。這套系統將替代身體內的血液循環機制，其雖然不含細胞但卻能夠攜帶氧氣，另包含大量用於保護細胞的化合物;此外，耶魯醫學院還提供了強有力的外科手術技術支持。

研究人員們將他們利用BrainEx維持的大腦與利用惰性液體灌注的大腦，以及未接入任何外部系統的大腦進行了橫向比較，用以評估它們在不同時間段內的相對狀態。實驗證明，該系統確實能夠減少細胞死亡率、保持解剖完整性，同時恢復循環、代謝以及一部分細胞功能。該團隊甚至成功通過引入模仿細菌感染的分子來觀察到免疫細胞(即神經膠質細胞)的炎症反應。研究結果顯示，細胞對於血液不流通所造成的損害擁有相當強的彈性，而且這種可能導致大腦缺氧(或者說局部缺血)的狀態並不像人們原本認為的那樣具有極為嚴重的危害。Sestan在採訪中表示，「我們在實驗之前並未抱有任何先驗性假設。但能夠將細胞恢復到這樣的水平，仍然令我們感到相當驚訝。」

這項工作亦代表著科研機構在大腦的研究方法層面實現了重大突破。該項研究由美國國立衛生研究院的BRAIN(全稱為「通過推進創新神經技術進行腦研究」)計劃資助，並由NIH專家向新聞界介紹了實驗的具體情況。來自國家精神衛生研究所的BRAIN計劃團隊負責人Andrea Beckel-Mitchener表示，「這一大腦研究層面的真正突破，代表著一種能夠彌補基礎神經科學與臨床研究間巨大空白的新工具。它為我們帶來了前所未有的實驗性訪問能力;我們也期待著能夠在腦循環、細胞代謝、其它細胞生物學以及遠程連接繪圖等領域實現更多有趣的研究。」

這些直接性發現使得我們人類擁有了更為深刻的腦死亡理解水平。專門研究大腦類器官的專家Madeline Lancaster(他參與到劍橋大學的「幹細胞迷你大腦培養」研究當中，但劍橋方面並未參加此次實驗)指出，「作為科學家兼醫生，我們長久以來都有著這樣一種不容質疑的論斷，即哪怕是僅僅幾分鐘的腦死亡也將帶來無法挽回的損傷。但此次研究的結果令人震驚。即使是從最淺顯的層面進行分析，我認為這也將掀起人們對於腦損傷問題的思考，並激發更多人參與到相關研究當中，最終探索出如何讓已經死亡的大腦恢復活力。」另外，腦死亡時間的延長還將帶來其它一些影響——例如當逝者願意進行器官捐贈時，對應器官也能夠在更長的周期內保持活力。正如《自然》雜誌在一篇評論文章雖所提到，此項研究最直觀的收益就是幫助我們更準確地了解所謂缺血性損傷。Sestan表示，「我們希望更好地了解如果進行干預與救治，已告死亡的腦細胞究竟會做何反應。通過這種方式，我們將有望為中風以及其它可能引起腦細胞死亡的疾病提供更好的治療方法。」

而從長遠角度來看，該系統將能夠提供一種強大的方法，用以研究大腦各細胞間的連接、通路功能與疾病轉變過程。利用腦切片、腦類器官(包括由幹細胞培養生長出的所謂「迷你大腦」)以及死亡後大腦進行的研究，我們已經基本確實這套系統至少擁有兩大優點：第一，完整的大腦能夠提供絕佳的機會以研究大腦中的電信號通路。Lancaster表示，「如果說以往的研究必須要求完整的器官背景，那麼這套系統絕對能夠給研究工作帶來巨大助益。換言之，如果我們能夠證明大腦迴路在某種程度上也具有獨立的功能性，那麼將其對應為完整的迴路結構將實現強大的背景支持。」其次，屍檢研究也將能夠把觀察過程限定在特定的離散時間點上，從而控制對疾病進展的理解。舉例來說，有些人認為神經退化性疾病——例如阿爾茨海默症——涉及毒性蛋白質在大腦當中的傳播。Lancaster解釋稱，「現在我們可以通過多種方式對大腦進行更多研究，例如引入朊病毒蛋白或澱粉樣β蛋白，並觀察其擴散跡象。這種實時觀察能力真的非常關鍵，也將成為一種非常強大的研究方法。」

從實驗計劃階段開始，該團隊就充分考慮到現有倫理框架的約束。之所以涉及倫理問題，主要是因為復甦的大腦可能會、也可能不會表現出存在意識的跡象。在此項研究中，參與人員專門準備了低溫環境並配置有麻醉劑，用以儘可能降低恢復意識的機率，同時在出現相關跡象時及時中止。他們不斷監測大腦表面的電信號記錄，而且沒有看到任何可能與認知活動相關的全局電活動證據。來自西雅圖艾倫腦科學研究所的Christof Koch作為意識神經科學主要研究員指出，「我可以非常有信心地判斷，這些復甦的大腦並不存在意識。我們並沒有發現任何與意識相關的信號——甚至連睡眠狀態都沒有達到，腦電波只是一條直線，意味著其中不存在任何意識活動。」

然而，缺乏腦電波活動的部分原因，也可能是因為灌注所使用的溶液當中含有神經活動阻滯劑。研究人員之所以在溶液當中添加這些阻滯劑，主要是希望保持大腦靜止以最大限度實現細胞恢復。活躍的大腦無疑需要更為可觀的能量供應，而且腦電活動本身也有可能破壞神經元(腦科學中將其稱為「興奮毒性現象」)。研究小組採用的組織樣本顯示，單個神經元仍然具有一定電活動，因此他們必然需要清洗溶液以對樣品實施進一步電生理記錄。

但如果不使用這些阻滯劑，情況又會發生怎樣的變化?研究項目聯合主管Stefano Daniele在採訪當中表示，「我們無法給出具有科學確定性的答案，因為我們還沒有進行這樣的實驗。」如果未來的實驗能夠使得復甦的大腦具有更接近有意識活動的狀態，那麼相關結果也將激發如何對真正的死亡做出定義這一關鍵問題。這些考量因素在另一篇綜述文章中得到評論，該論文由法律學者Nita Farahany參與撰寫，他本身是生物倫理學家、亦是BRAIN計劃的神經倫理學工作組成員。研究人員們在早期實驗階段就已經向他進行過諮詢。

該團隊還諮詢了耶魯大學的動物護理與使用委員會(簡稱IACUC)，並得知此項研究的對象不受動物福利保護指南的約束。最明顯的理由是，這些豬已經死亡：研究人員從一家豬肉加工廠當中採購到這些大腦，因此並不存在為了科學研究而犧牲動物的問題。而且從任何一個角度來看，該項指南也都不適用於作為食物進行飼養的動物。

展望未來，必定會有眾多其它實驗室對此項工作進行重複，這也意味著更多研究人員得慢慢克服系統手動操作所帶來的極高複雜性。團隊本身希望他人的重複能夠弄清一個事實，即大腦活性保持的最長周期究竟有多長。他們在實驗中的灌注階段只持續了六個小時，這是因為作為對照組的BrainEx系統外大腦樣品已經發生嚴重的分解，無法進行任何有意義的進一步比較。

如果大腦能夠長時間保持運轉，而且研究人員得以從首先實現恢復的細胞著手進行電信號功能恢復，那麼後續研究無疑將面臨前所未有的倫理難題。Farahany指出，「這就帶來了一系列必須回答的問題。我們可以恢復腦電圖嗎?如果可以恢復，具體方法上又存在哪些限制?另外，對於動物乃至人類的研究最終又會帶來怎樣的影響?」在法拉漢看來，這些未知因素將最初被認定為死亡組織的對象劃入了全新的倫理範疇。Farahany表示，「這種潛在的復甦能力帶來了一種以往我們不曾考慮過的倫理範疇，同時也要求我們以前所未有的方式加以看待。人們當然可以採取最安全的方法，即給予動物研究對象一定程度的保護。」這類實驗很可能會首先在嚙齒動物當中進行，且初期只需要去除那些可能阻斷電活動的化學物質。但如果要檢測任何與意識相關的腦部活動，我們就必須認真思考一切可能與道德倫理相關的影響因素。Farahany最後總結稱，「到這個時候，實驗對象在很大程度上應該被視為一種活體動物 ，而且我們需要儘可能降低其疼痛感或者承受痛苦的風險。但問題是：直到現在，我們還只是將其視為組織層面的研究，也就是實驗對象似乎談不上到底是活著還是死亡。」

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