Мозг Л. Стивена Коулза (L. Stephen Coles) хранится в специальном резервуаре на одной из площадок в Аризоне. Более десяти лет он находится при температуре около −146 °C, почти не тронутый.

За исключением одного случая — чуть больше года назад учёные аккуратно подняли мозг, чтобы сделать фотографии. А ещё раньше они извлекли крошечные фрагменты и отправили их другу Коулза — криобиологу Грегу Фэхи (Greg Fahy). Коулз, исследователь старения, интересовался крионикой — долгосрочным хранением тел и мозга с надеждой на возможное воскрешение в будущем. Перед смертью он попросил Фэхи изучить, как процедура консервации повлияла на его мозг. Особенно его волновало, потрескается ли мозг при охлаждении, рассказывает Фэхи.

Мозг был заморожен вскоре после смерти Коулза в 2014 году, но анализ образцов начался только недавно. По словам Фэхи, мозг сохранился «поразительно хорошо».

«Мы видим каждую деталь структуры биопсий», — говорит Фэхи, главный научный сотрудник биотех-компаний Intervene Immune и 21st Century Medicine (где также является исполнительным директором). Он надеется, что это означает: в будущем мозг Коулза теоретически можно будет «оживить».

Другие криобиологи скептичны. «Этот мозг не жив», — заявляет Джон Бишоф (John Bischof), который работает над криоконсервацией органов в Университете Миннесоты.

Тем не менее, исследование Фэхи может стать инструментом для нейробиологов, ищущих новые способы изучения мозга. А хотя воскрешение людей после заморозки пока выглядит как научная фантастика, использование этой технологии для хранения органов перед трансплантацией — вполне реальная перспектива.

Консервация мозга

Коулз, геронтолог, посвятивший конец своей карьеры изучению долголетия, выбрал криогенное хранение мозга после смерти от рака поджелудочной железы.

После констатации смерти тело доставили в Alcor — крионическую лабораторию в Аризоне. Голову отделили от тела, а мозг пропитали «криозащитными» веществами, предотвращающими образование льда. Затем его извлекли из черепа и охладили до −146 °C.

У Коулза был ещё один запрос. Как учёный, он хотел, чтобы его мозг изучили. Сейчас сотни людей выбрали крионическое хранение — полностью или частично. В Alcor хранятся останки 259 человек — либо целые тела, либо головы. Но науке почти ничего не известно о состоянии этих мозгов, и нет доказательств, что их можно будет оживить. Коулз знал Фэхи по общим интересам в области долголетия и попросил его провести исследование.

«Он считал, что если его собственный мозг заморозят, мы сможем понять, появятся ли трещины или нет», — говорит Фэхи. При охлаждении до −196 °C, например, в жидком азоте, это типичная проблема. Резкое охлаждение создаёт «напряжение в системе», поясняет он. «Достаточно лёгкого удара — и орган рассыпается». При чуть более высоких температурах, как в случае с Коулзом, трещины возникают реже.

Фэхи участвовал с самого начала, ещё на этапе отбора образцов.

«Мы держали Грега Фэхи на связи, он курировал весь процесс, включая выбор мест для биопсии», — рассказывает Ник Ллойеллин (Nick Llewellyn), отвечающий за исследования в Alcor (на момент процедуры он ещё не работал там, но обсуждал её с коллегами). Образцы поместили в жидкий азот и зарезервировали для Фэхи. Остальную часть мозга охладили и поместили в термоконтролируемый контейнер в Alcor.

Восстановление структуры

Изучить образцы Фэхи смог только годы спустя. Его интересовало, как криозащитные вещества — токсичные по своей природе — повлияли на клетки мозга. Ранее было показано, что насыщение тканей этими химикатами может деформировать клетки, буквально сдавливая их.

Это одна из многих трудностей, с которыми сталкиваются криобиологи при работе с тканями при сверхнизких температурах. Хотя вitrификация яйцеклеток и эмбрионов — охлаждение до −196 °C, при котором они превращаются в стекло — стала относительно рутинной процедурой (отчасти благодаря собственным работам Фэхи над эмбрионами мышей в 1980-х), сохранение целых органов таким способом гораздо сложнее. Охладить крупные объекты равномерно трудно, и даже при использовании криопротекторов в них могут образовываться повреждающие кристаллы льда и трещины.

Фэхи обнаружил, что после разморозки и восстановления влаги структура клеток мозга Коулза частично «восстанавливалась». Во время видеозвонка он продемонстрировал это жестом: «Было вот так», — сложил ладони вместе, — «а стало вот так», — соединил кончики пальцев, образуя треугольник.

По его словам, ткань выглядит довольно целостной, хотя, признаётся он, «чистист» с ожиданием идеальной структуры был бы разочарован. Тем не менее, Фэхи и его коллеги увидели поразительные детали: клетки, синапсы, аксоны. «Ничего мы не упустили», — говорит он. Результаты, ещё не прошедшие рецензирование, опубликованы на сервере препринтов bioRxiv.

Что касается трещин, «как мне сказали, их не наблюдалось [на этапе консервации]», — отмечает Фэхи. Команда Alcor делала фотографии мозга во время биопсии, но изображения позже потерялись из-за сбоя сервера. На новых снимках мозг покрыт инеем, и разглядеть трещины невозможно. Убирать иней рискованно — можно повредить ткань, поэтому решили не трогать, добавляет он.

Вернуть к жизни?

После разморозки Фэхи и его коллеги обработали образцы химикатами, «фиксирующими» ткань. Эта процедура обычно применяется, чтобы остановить разложение свежих образцов, но она же окончательно убивает клетки.

Тем не менее, Фэхи считает, что его результаты показывают: возможно криоконсервировать небольшие участки мозга и в будущем «оживить» их, чтобы изучить работу живой нервной ткани. Восстановление функций уже удалось на мышах: несколько недель назад немецкая команда смогла оживить срезы мозга, хранившиеся при −196 °C. После разморозки в образцах восстановилась электрическая активность.

Если аналогичное удастся с человеческими образцами, это откроет нейробиологам новые горизонты в изучении живого мозга.

«Криоконсервация мозга может сохранить больше его сложных структур», — говорит Шеннон Тессье (Shannon Tessier), криобиолог из Массачусетской общей больницы, разрабатывающая технологии хранения сердец, печени и почек для трансплантации. «Возможность использовать мозг умерших людей добавит ещё один инструмент в арсенал исследователей».

А работа Фэхи показывает, «что происходит, когда мы пытаемся витрифицировать один литр плотной, массивной массы», — говорит Мэтью Пауэлл-Палм (Matthew Powell-Palm), криобиолог из Техасского университета A&M. «Теперь у нас есть веские основания полагать, что можно витрифицировать крупные ткани и органы с помощью перфузии, почти без образования льда», — отмечает он.

Все учёные, с которыми общался корреспондент, включая Фэхи, работают над технологиями хранения органов для пересадки. Сейчас их не хватает, потому что после извлечения орган нужно пересадить в течение нескольких часов.

Криоконсервация может дать время — использовать больше органов, лучше подобрать доноров, а также подготовить иммунную систему реципиента, избавив его от пожизненного приёма иммуносупрессантов, говорит Бишоф, который сам разрабатывает технологии криоконсервации органов.

Учёные уже добились значительных успехов: им удавалось извлекать, замораживать и пересаживать органы у кроликов и крыс. «Мы стоим на пороге криоконсервации органов человеческого размера», — говорит Бишоф.

Но когда речь идёт о мозге, донорство — не цель. Коулз надеялся на собственное воскрешение — гораздо более амбициозную задачу, зависящую от способности восстановить работу мозга.

Оживление мозга

Фэхи признаёт, что, хотя структура клеток мозга Коулза частично восстановилась, нет никаких доказательств, что они могут вернуться к жизни — восстановить электрическую активность и метаболизм. «Вернуть функции… это уже совсем другая история», — говорит он.

Но он считает, что успешная криоконсервация мозга — это «вход в состояние человеческой подвешенной анабиоза», которая однажды позволит людям добираться до звёзд. А возможность «медицинского путешествия во времени» — отложить смерть до тех пор, пока наука не найдёт лекарство от болезни — была бы «окончательной целью», говорит Фэхи.

«Я оцениваю шансы на оживление мозга как очень низкие», — говорит Ллойеллин из Alcor. «Технологии, которые для этого нужны, практически непостижимы».

Мозги, уже хранящиеся в Alcor и других центрах, были консервированы «способами, не проверенными на возможность оживления», говорит Тессье. Надежда на то, что их когда-нибудь воскресят, — это «огромный скачок веры и надежды, не основанный на науке», считает она.

Как выразился Пауэлл-Палм: «Существует столько способов, при которых нейроны могут быть полностью уничтожены».

L. Stephen Coles’s brain sits cushioned in a vat at a storage facility in Arizona. It has been held there at a temperature of around −146 degrees °C for over a decade, largely undisturbed.

That is, apart from the time, a little over a year ago, when scientists slowly lifted the brain to take photos of it. Years before, the team had removed tiny pieces of it to send to Coles’s friend. Coles, a researcher who studied aging, was interested in cryogenics—the long-term storage of human bodies and brains in the hope that they might one day be brought back to life. Before he died, he asked cryobiologist Greg Fahy to study the effects of the preservation procedure on his brain. Coles was especially curious about whether his cooled brain would crack, says Fahy.

Coles’s brain was preserved shortly after he died in 2014, but Fahy has only recently got around to analyzing those samples. He says that Coles’s brain is “astonishingly well preserved.”

“We can see every detail [in the structure of the brain biopsies],” says Fahy, who is chief scientific officer at biotech companies Intervene Immune and 21st Century Medicine (where he is also executive director). He hopes this means that Coles’s brain still stands a chance of reanimation at some point in the future.

Other cryobiologists are less optimistic. “This brain is not alive,” says John Bischof, who works on ways to cryopreserve human organs at the University of Minnesota.

Still, Fahy’s research could help provide a tool to neuroscientists looking for new ways to study the brain. And while human reanimation after cryopreservation may be the stuff of science fiction, using the technology to preserve organs for transplantation is within reach.

Banking a brain

Coles, a gerontologist who spent the latter part of his career studying human longevity, opted to have his brain cryogenically preserved when he died of pancreatic cancer.

After he was declared dead, Coles’s body was kept at a low temperature while he was transferred to Alcor, a cryonics facility in Arizona. His head was removed from his body, and a team perfused his brain with “cryoprotective” chemicals that would prevent it from freezing. They then removed it from his skull and cooled it to −146 °C.

Coles had another request. As a scientist, he wanted his cryopreserved brain to be studied. Hundreds of people have opted to have their brains—with or without the rest of their bodies—stored at cryonic facilities (the remains of 259 individuals are currently stored as either whole bodies or heads at Alcor). But scientists know very little about what has happened to those brains, and there’s no evidence to suggest they could be revived. Coles had met Fahy through their shared interest in longevity, and he asked him to investigate.

“He thought that if he had himself cryopreserved, we could learn from his brain whether cracking was going to happen or not,” says Fahy. That’s what typically happens when organs are put into liquid nitrogen at −196 °C, he says. The extreme cooling creates “tension in the system,” he says. “If you tap it, it’ll just shatter.” This cracking is less likely at the slightly warmer temperatures used for preservation. 

Fahy was involved from the time the samples were taken.

“We had Greg Fahy on the phone coordinating the whole thing, [including] where the biopsies were taken,” says Nick Llewellyn, who oversees research at Alcor. (Llewellyn was not at Alcor at the time but has discussed the procedure with his colleagues.) The biopsied samples were stored in liquid nitrogen and earmarked for Fahy. The rest of the brain was cooled and kept in a temperature-controlled storage container at Alcor.

Bouncing back

It wasn’t until years later that Fahy got around to studying those biopsies. He was interested in how the cryoprotectant—which is toxic—might have affected the brain cells. Previous research has shown that flooding tissues with cryoprotectant can distort the structure of cells, essentially squashing them.

It’s one of the many challenges facing cryobiologists interested in storing human tissues at very low temperatures. While the vitrification of eggs and embryos—which cools them to −196 °C and essentially turns them to glass—has become relatively routine (thanks in part to Fahy’s own work on mouse embryos back in the 1980s), preserving whole organs this way is much harder. It is difficult to cool bigger objects in a uniform way, and they are prone to damaging ice crystal formation, even when cryoprotectants are used, as well as cracking.

Fahy found that when he rewarmed and rehydrated Coles’s brain cells, their structure seemed to bounce back to some degree. Fahy demonstrated the effect over a Zoom call: “It looks like this,” he said with his hands as if in prayer, “and it goes back to this,” he added, connecting his forefingers and thumbs to create a triangle shape.

The structure of the tissue looks pretty intact, too, to him at least, though he admits a purist expecting a pristine structure would be disappointed. He and his colleagues have been able to see remarkable details in the cells and their component parts. “There’s nothing we don’t see,” says Fahy, who has shared his results, which have not yet been peer reviewed, at the preprint server bioRxiv. “It seems that [by taking the cryogenic approach] you can preserve everything.”

As for the cracking, “from what I was told, no cracks were observed [by the team that initially preserved the brain],” says Fahy. The team at Alcor took photographs of the brain when they took the biopsies, but the images were later lost due to a server malfunction, he says. In the more recent photos, the brain is covered in a layer of frost, which makes it impossible to see if there are any cracks, he adds. Attempts to remove the frost might damage the brain, so the team has decided to leave it alone, he says.

Back to life?

Fahy and his colleagues used chemicals to “fix” Coles’s brain samples once they had been rewarmed. That process is typically used to stop fresh tissue samples from decaying, but it also effectively kills them.

But he thinks his results suggest that it might be possible to cryopreserve small pieces of brain tissue and reanimate them to learn more about how they work. Functional recovery seems to be possible in mice—a few weeks ago a team in Germany showed that they were able to revive brain slices that had been stored at −196 °C. Those brain samples showed electrical activity after being cooled and rewarmed.

If cryobiologists can achieve the same feat with human brain samples, those samples could provide neuroscientists with new insights into how living brains work.

Brain cryopreservation “can capture a little bit more of the complexities of the brain,” says Shannon Tessier, a cryobiologist at Massachusetts General Hospital who is developing technologies to preserve hearts, livers, and kidneys for transplantation. “[Being] able to use human brains from deceased individuals [could] add another layer to the research tool kit,” she says.

And Fahy’s paper shows “what happens when we try and vitrify a one-liter, dense, massive goop,” says Matthew Powell-Palm, a cryobiologist at Texas A&M University. “We now have a strong indication that quite large [tissues and organs] can be vitrified by perfusion [without forming too much ice],” he says.

All of the scientists I spoke to, including Fahy, are also working on ways to cool and preserve organs for transplantation. These are in short supply partly because once an organ is removed from a donor, it usually must be transplanted into its recipient within a matter of hours. 

Cryopreservation could buy enough time to make use of more organs, find better organ-donor matches, and potentially even prepare recipients’ immune systems and save them from a lifetime of immunosuppressant drugs, says Bischof, who has also been developing new technologies for organ cryopreservation.

Bischof, Fahy, and others have made huge strides in their attempts so far, and they have managed to remove, cryopreserve, and transplant organs in rabbits and rats, for example. “We’re at the cusp of human-scale organ cryopreservation,” says Bischof.

But when it comes to preserving brains, donation isn’t the aim. Coles had hoped to be reanimated—a far more ambitious goal that hinges on the ability to restore brain function.

Brain reanimation

Fahy acknowledges that while the structure of Coles’s brain samples did bounce back, there is no evidence to suggest the cells could be brought back to life and regain electrical activity and a functioning metabolism. “Restoring it to function … that’s a whole other story,” he says.

But he thinks that successful cryopreservation of the brain “is the gateway to human suspended animation, which [could allow] us to get to the stars someday.” Figuring out human preservation would also allow people to avoid death through what he calls “medical time travel”—journeying to an unspecified time in the future when science will have found a cure for whatever was due to kill that person. “That would be an ultimate goal to pursue,” he says.

“I put the chances [of brain reanimation] at pretty low,” says Alcor’s own Llewellyn. “The kind of technology we need is practically unfathomable.”

The brains already in storage at Alcor and other facilities have been preserved in ways that “have not been validated to work for reanimation,” says Tessier. An expectation that they’ll one day be brought back to life in some form is “quite a jump of faith and hope that’s not based on science,” she says.

As Powell-Palm puts it: “There are so many ways in which those neurons could be toast.”