位于牛津大学的一个保存完好的大脑（图片来源：Kermit Pattison）
撰文 | 克米特·帕蒂森（Kermit Pattison）
翻译 | 仇艳菲
大脑是个特别容易腐烂的器官。一旦失去血液和氧气供应，它在几分钟内就会开始遭受不可逆损伤。大脑是人体中最耗能的部位，在人死后几小时内，大脑中的酶就会开始从内部将其瓦解。随着细胞膜破裂，大脑会逐渐液化。几天之内，微生物就将在大脑腐败过程中消耗其残余部分，散发恶臭。数年后，颅骨便成了空腔。
但大脑某些情况下能比其他软组织保存得更久，能完好保存数百至数千年。在一些古墓、乱葬坑甚至沉船中发现的大脑，竟然在自然状态下保存得十分完好，这让考古学家感到困惑。在最近的一项研究中，英国牛津大学的研究人员回顾了跨越几个世纪的科学文献，统计出超过4400例保存完好的大脑，历史长达1.2万年。
亚历山德拉·莫顿-海沃德（Alexandra Morton-Hayward，该研究的主要作者）表示：“大脑腐烂的速度非常快，因此发现得以保存的大脑真的很奇怪。我最关心的问题是，究竟为何会出现这种情况？为什么这种现象发生在大脑而非其他器官中？”
这种不寻常的保存现象似乎与蛋白质的错折叠相关，这与一些神经系统变性疾病背后的病理学机制有迷人的相似之处。蛋白质是由氨基酸分子串联而成的链，就像珠子串成的项链一样。人体中构成蛋白质的氨基酸通常有20种，而每种蛋白质都有独特的氨基酸序列，这决定了它如何折叠成正确的三维结构。然而，细胞环境中的干扰可能导致蛋白质折叠出错。大脑蛋白质的错折叠和聚集是数十种神经系统变性疾病的根本原因，包括阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化和牛海绵状脑病（也称“疯牛病”）。科学家现在发现，一些错折叠的蛋白质可以在死后形成团块，而这些团块可以保存数百甚至数千年。
科学家近些年才开始认真研究这些奇怪案例。2008年，考古学家取得了突破：他们在英国赫斯灵顿发现了一颗2500年前的男性颅骨，死者曾被绞死后斩首，并被扔进了灌溉渠。尽管其他所有软组织早已消失，但调查人员惊讶地发现，颅骨内仍然保留着一枚萎缩的大脑。英国伦敦大学学院的神经科学家团队分析后得出结论，是蛋白质聚集使这枚大脑得以保存。
在某些脑部疾病中，蛋白质的错折叠版本会成为其热力学上最稳定的状态，常常导致不可逆的蛋白质聚集。德国马克斯·普朗克生物化学研究所的弗朗茨-乌尔里希·哈特尔（Franz-Ulrich Hartl）是蛋白质折叠疾病领域的顶尖研究者，他表示，如果古代大脑的保存背后也有类似机制，他并不会感到惊讶。“我感兴趣的问题是，这是否在某种程度上反映了神经系统变性过程中发生的事情？”
在赫斯灵顿发现的大脑促使科学家开始对大脑保存进行新研究。在相关研究机构中，牛津大学处于核心地位。而在牛津大学，该领域的主要研究者是莫顿-海沃德，她曾是一名殡葬从业者，后来转行成了法医人类学家，现在是一名博士研究生。她收集了大量古代大脑用于分析，拥有世界上最大的古代大脑藏品库。这600多件样本距今最远已有8000年历史，来自英国、比利时、瑞典、美国和秘鲁等地。莫顿-海沃德运用一系列研究工具，从样本中鉴定出了超过400种得以保存的蛋白质，并揭示了与大脑保存相关的矿物和分子。
奇怪的是，大脑在某些条件下很容易保存。这张照片是显微镜下的脑组织。（图片来源：Thomas Deerinck/NCMIR/Science Source）
保存完好的大脑通常来自低洼墓地等浸水、缺氧的埋葬环境。人脑约80%由水组成，其余部分主要是蛋白质和脂类。莫顿-海沃德的实验表明，这些大脑通过一种名为“分子交联”的过程得以保存。在此过程中，大脑蛋白质的残余物和降解的脂类会形成一种海绵状多聚体，该过程可能受金属（尤其是铁）催化。多聚体中强力的共价键及其高分子量，可能会使萎缩的大脑极其耐久且化学性质稳定，因此能在长达几个世纪的时间内抵抗腐败。莫顿-海沃德表示，这些多聚体并非淀粉样物质（阿尔茨海默病和帕金森病等蛋白质折叠疾病中特征性的丝状纤维），但大脑保存的某些方面“与神经系统变性极为相似”。在古代大脑组织和小鼠大脑腐败实验中，她都发现了由铁失调引起的氧化损伤的证据。而此前的研究表明，这种现象与大脑老化和神经系统变性疾病有关。莫顿-海沃德推测：“随着我们自然衰老，这些过程也许生前就在发生。而在我们死后，它会继续进行。”
这种机制似乎有别于其他身体组织变成尸蜡后的保存方式，尸蜡是身体脂肪转化成的一种肥皂般的蜡黄色物质。古代大脑研究先驱、英国布拉德福德大学的考古学家索尼娅·奥康纳（Sonia O'Connor）说：“尸蜡形成于脂肪组织，这种组织主要分布于臀、手臂和脸颊。大脑中没有脂肪组织，因此化学性质与之不同。”
但大脑具有适合交联的化学性质，因为它富含蛋白质和脂类。生前大脑的可塑性可能在死后为它赋予了韧性。在所有蛋白质中，约三分之一是固有无序蛋白（IDP）或具有无序区域的蛋白质，这两者都能采取多种构型并结合多种分子。与正常蛋白质不同，IDP没有稳定的三维结构，可以呈现多种形状，这使它们成为大脑可塑性的关键，但它们也易于错折叠。
美国南佛罗里达大学的生物物理学家弗拉基米尔·乌韦斯基（Vladimir Uversky）是研究无序蛋白质的领军人物，他怀疑IDP在赫斯灵顿发现的大脑中扮演了重要角色。分析提取蛋白质的数据集后，他证实其中保存最多的蛋白质具有高度无序的特点。IDP可能作为“分子砂浆”，将分子黏合成坚硬的聚集体，充当“长效防腐剂”。
生前，我们有防止蛋白质错折叠的机制；但这些机制会随年龄增长而减弱，并在死亡后完全停止。在死后的大脑中，交联和聚集可以肆意进行，仅受化学和物理定律的限制。
许多保存下来的大脑来自被莫顿-海沃德称为“苦难之地”的地方，例如乱葬坑、暴力死亡场所，以及维多利亚时代一座济贫院和精神病院共用的墓地。莫顿-海沃德怀疑，生前经历的氧化应激可能会引发一些分子过程，人死后它们还会在坟墓中继续进行。她说：“如果是这样，我们就能在一个长得多的轨迹上研究老化，而不仅是在人类寿命范围内。”
本文选自《环球科学》2025年02月刊“前沿”栏目。
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