Ein häufiges Motiv in der Science-Fiction ist der kryokonservierte Zeitreisende, dessen Körper in einem gefrorenen Zustand des Winterschlafs gehalten wird, der dann aufgetaut und in einem späteren Jahrzehnt oder Jahrhundert wieder erweckt wird, wobei seine kognitiven und physischen Fähigkeiten intakt bleiben.

Durch Experimente mit dem kryogenen Einfrieren und Auftauen von Hirngewebe von Menschen und anderen Tieren, vor allem jungen Wirbeltieren, haben Forscher bereits nachgewiesen, dass Neuronen das Einfrieren auf zellulärer Ebene überleben können und nach dem Auftauen bis zu einem gewissen Grad funktionsfähig bleiben. Es konnte jedoch noch nicht nachgewiesen werden, dass es tatsächlich möglich ist, die für eine ordnungsgemäße Gehirnfunktion erforderlichen Prozesse - neuronale Aktivität, Zellstoffwechsel und Plastizität des Gehirns - vollständig wiederherzustellen.

Ein deutsches Forscherteam hat jedoch kürzlich eine Methode zur kryogenen Konservierung und zum Auftauen von Mäusegehirnen vorgestellt, mit der diese Funktionen mit Sicherheit teilweise erhalten werden können. Die Ergebnisse, über die die Experten in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences berichten, sind eine Methode namens Vitrifikation, bei der das Gewebe in einem glasartigen Zustand konserviert wird und beim Auftauen das lebende Gewebe intakt bleibt.

"Wenn das Funktionieren des Gehirns eine emergente Eigenschaft seiner physikalischen Struktur ist, wie können wir es dann nach einer vollständigen Abschaltung wiederherstellen?" - fragt Alexander German, Neurowissenschaftler an der Universität Erlangen-Nürnberg und Erstautor der Studie. Er sagt, dass die Ergebnisse darauf hindeuten, dass es eines Tages möglich sein könnte, das Gehirn im Falle einer Krankheit oder schweren Verletzung zu schützen, Organbanken anzulegen und sogar den gesamten Körper eines Säugetiers kryokonservieren zu können.

Die vollständige Wiederherstellung des Gehirns nach dem Einfrieren ist vor allem wegen der Schäden, die durch die Bildung von Eiskristallen entstehen, schwierig. Diese verschieben oder beschädigen die empfindliche Nanostruktur des Gewebes, wodurch wichtige Prozesse gestört werden. "Zusätzlich zum Eis müssen wir mehrere Faktoren berücksichtigen, darunter osmotischen Stress und die Toxizität von Kryoprotektoren", sagt German.

Um die Gehirnfunktion zu erhalten, wandten German und seine Kollegen eine eisfreie Kryokonservierungsmethode namens Vitrifikation an. Bei der Vitrifikation wird die Flüssigkeit so schnell abgekühlt, dass die Moleküle in einem ungeordneten, glasartigen Zustand bleiben, bevor sie Eiskristalle bilden können. "Wir wollten sehen, ob die Moleküle, nachdem sie sich nicht mehr bewegt haben, ihre Funktionen aus diesem glasartigen Zustand heraus wieder aufnehmen können", sagt German.

Sie testeten die Methode zunächst an 350 mikrometerdicken Gehirnschnitten von Mäusen, die den Hippocampus enthielten - den zentralen Teil des Gehirns, der für Gedächtnis und räumliche Navigation zuständig ist. Die Hirnschnitte wurden durch Eintauchen in eine Lösung von Kryokonservierungschemikalien vorbehandelt und dann schnell mit flüssigem Stickstoff auf -196ºC abgekühlt. Anschließend wurden sie in einem Gefrierschrank bei -150 ºC für einen Zeitraum zwischen zehn Minuten und sieben Tagen verglast.

Nachdem die Scheiben in warmen Lösungen aufgetaut waren, analysierte das Team die Gewebe, um zu sehen, ob sie ihre funktionelle Aktivität beibehielten. Die mikroskopische Untersuchung zeigte, dass die Neuronen und synaptischen Membranen intakt blieben, und eine Untersuchung der mitochondrialen Aktivität ergab keine metabolischen Schäden. Die Analyse der elektrischen Aktivität der Nervenzellen zeigte, dass es zwar mäßige Unterschiede in den Reaktionen auf elektrische Reize im Vergleich zu den Kontrollzellen gab, die Funktion aber im Wesentlichen normal war. Die neuronalen Bahnen im Hippocampus zeigten weiterhin Anzeichen einer synaptischen Verstärkung (Langzeitpotenzierung), die dem Lernen und dem Gedächtnis zugrunde liegt. Da sich solche Schnitte jedoch schnell abbauen, waren die Beobachtungen auf einige Stunden beschränkt.

Das Team testete die Methode dann an ganzen Mäusegehirnen, indem es die Organe bis zu acht Tage lang in einem glasähnlichen Zustand bei -140 °C hielt. Das Protokoll musste jedoch mehrmals geändert werden, um die Schrumpfung des Gehirns und die toxischen Auswirkungen der Kryoprotektoren zu minimieren. Nach dem Auftauen der Gehirne wurden Scheiben entnommen, und Untersuchungen des Hippocampus bestätigten, dass die Nervenbahnen intakt blieben und immer noch zu einer Langzeitpotenzierung fähig waren. Da sie dieses Mal jedoch auch Scheiben untersuchten, konnten sie nicht untersuchen, ob die Erinnerungen der Tiere nach der Kryokonservierung erhalten blieben.

German und sein Team planen als nächstes, menschliches Hirngewebe zu untersuchen. "Wir haben bereits erste Daten, die die Lebensfähigkeit von menschlichem Kortikalgewebe nach dem Einfrieren belegen", sagt er. Das Team untersucht auch, wie die Verglasungsmethode für die Kryokonservierung ganzer Organe, insbesondere des Herzens, eingesetzt werden kann. Es ist jedoch zu beachten, dass die Erfolgsquote bei der Kryokonservierung ganzer Gehirne in Mausexperimenten gering war und die Ergebnisse möglicherweise nicht direkt auf größere menschliche Organe übertragbar sind, die allein aufgrund ihrer Größe ganz neue Herausforderungen darstellen.