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每年九月，阿拉斯加、加拿大和西伯利亞的北極地松鼠會撤退到凍原下一米多深的洞穴中，蜷縮在用草、地衣和馴鹿毛築成的巢穴中，開始冬眠。 隨著它們的肺和心臟減速，流經身體的血液河流減少，核心體溫驟降，降至水的冰點以下。在許多大腦區域，沿著縱橫交錯的神經高速公路飛馳的電訊號消失了。 七個月後，松鼠醒來並返回地面——飢腸轆轆，渴望交配，並且非常健康。
冬眠哺乳動物如何在如此低的溫度下長時間生存，除了儲存在自身脂肪中的食物和水之外，沒有任何其他食物或水，這讓科學家們出於多種原因而著迷。 冬眠是一項驚人的生物學壯舉，也是一個學習將人體推向其表面極限的新方法，以及在人體崩潰時治癒它的機會。 北極地松鼠的大腦尤其顯得非常具有彈性。 當地松鼠冬眠時，它們的神經元會收縮，神經元之間的許多連線會萎縮。 但是它們的大腦會定期透過大規模的生長突增來補償這種損失，使神經連線倍增，超出冬眠前的水平。 瞭解地松鼠的大腦如何恢復不僅可以幫助科學家瞭解大腦的可塑性，還可以為逆轉或預防神經退行性疾病中的細胞損傷提供新的方法。 特別是，最近關於冬眠大腦的研究正在改變一些科學家對畸形 tau 蛋白的看法，tau 蛋白是阿爾茨海默病的標誌。
大腦凍結
大多數小型冬眠哺乳動物——倉鼠、刺蝟、蝙蝠——在冬眠期間會調低身體的恆溫器，放棄所有哺乳動物的定義特徵之一：溫血。 北極地松鼠是最極端的例子。 1987 年 8 月，阿拉斯加大學費爾班克斯分校 (U.A.F.) 的 Brian Barnes 捕獲了 12 只北極地松鼠，並將微小的溫度敏感無線電發射器植入動物的腹部。 他將松鼠運送到費爾班克斯的室外圍欄中——帶有邊界的金屬絲籠，延伸到地下 1.2 米以上。 到九月，地松鼠已經在圍欄內挖了洞穴並開始冬眠。 它們的體溫降至 –2.9 攝氏度，幾乎比淡水的冰點低三度，可能是活體哺乳動物中記錄到的最低核心體溫。 儘管如此，地松鼠的血液仍然保持液態，很可能是透過一種稱為現象的過冷。
在實驗室實驗中，Barnes 還測量了當松鼠在保持在 –4.3 攝氏度的房間中冬眠時，身體各個部位的溫度。 儘管它們的結腸、腳和腹部都降至零攝氏度以下，但它們的頸部從未低於 0.7 攝氏度，這表明大腦的溫度比身體的其他部位略高。 如果大多數哺乳動物的大腦被冷卻到如此低的溫度，它們會在數小時內死亡，但地松鼠的大腦在接近冰點的溫度下存活了數週。 每隔兩到三週，松鼠會顫抖著將自己恢復到 36.4 攝氏度的典型體溫，它們會保持 12 到 15 個小時，然後再次變成冷凍松鼠。 後來，科學家們證實，這些間歇性的覺醒期對於地松鼠的生存至關重要——沒有它們，它們的大腦會在春天到來之前很久就枯萎。
厄運與繁榮
冬眠摧毀了地松鼠的大腦，使大腦細胞之間成千上萬甚至數百萬個重要連線（稱為突觸）枯萎。 但是它的大腦已經進化出令人印象深刻的彈性，以驚人的速度反覆自我更新，就像森林在幾天之內從焦土中爆發出來一樣。 俄羅斯細胞生物物理研究所的 Victor Popov 發現了這種可塑性的一些最早證據。 在 1990 年代初期，Popov 和他的同事捕獲了野生西伯利亞地松鼠，並將它們儲存在溫度受控的圍欄中進行冬眠。 研究人員在三個不同階段——冬眠期間； 間歇性覺醒期後兩小時； 或從冬眠中醒來後一天——犧牲了不同的動物，並取出它們的大腦進行染色和檢查海馬體內的神經元，海馬體是記憶的關鍵區域。 與完全清醒和覺醒的松鼠的大腦細胞相比，處於冬眠狀態的松鼠的神經元萎縮，樹突（接收來自其他神經元的訊號的分支）少得多。 冬眠大腦中的樹突的樹突棘也更少，樹突棘像玫瑰莖上的刺一樣從主枝上伸出，並增加了與附近細胞形成突觸的可能性。
冬眠大腦中的神經元看起來像寒冬中貧瘠的樹枝，而剛剛從冬眠中醒來進入覺醒期的松鼠的大腦細胞則長滿了茂密的重疊樹突。 在短短兩個小時內，松鼠的大腦不僅補償了冬眠期間失去的所有突觸——它們的大腦細胞現在擁有的連線比春天或夏天的活躍松鼠還要多。 然而，一天後，它們的大腦修剪掉了許多這些連線，可能認為它們是多餘的，很像發育中的哺乳動物大腦修剪其蓬勃發展的神經森林的方式。
自從 Popov 的研究以來，其他研究人員也觀察到冬眠倉鼠和刺蝟大腦中類似的突觸損失和恢復。 在 2006 年的一項研究 中，斯坦福大學的 Craig Heller 發現冬眠的大腦總體上具有令人難以置信的可塑性，而不僅僅是在海馬體中。 Heller 認為，松鼠和類似的冬眠動物在冬眠期間會失去樹突，因為它們的新陳代謝太慢，大腦太冷太閒散，無法保持這些活電線的正常工作狀態。
也許讓它們像被忽視的盆栽植物一樣枯萎，並在間歇性的覺醒期迅速將它們恢復活力更有效率。 這樣，哺乳動物可以儘可能地節省能量，同時仍然保留重要的神經連線。 儘管如此，研究人員估計，許多小型冬眠哺乳動物將冬眠期間使用的所有能量的 80% 到 90% 用於維持大腦的存活。
保護性蛋白質？
儘管科學家們已經記錄了冬眠松鼠大腦中細胞的結構變化，但他們尚不瞭解是什麼觸發了大腦的恢復。 德國萊比錫大學的 Thomas Arendt 認為答案可能與一種名為 tau 的蛋白質有關。 通常，tau 蛋白有助於穩定細胞支架的長繩狀成分，稱為微管； tau 使繩索中的許多線緊密捆綁在一起。 當 tau 蛋白由於未知原因變得過度磷酸化時（即，負擔了過多的磷酸基團），它們會改變形狀並開始在神經元內部聚集在一起。 結果，微管變得鬆弛，細胞失去形狀並停止正常運作。 研究人員知道，畸形的 tau 蛋白會在患有各種神經退行性疾病的人的大腦細胞中積聚——尤其是 阿爾茨海默病——但目前尚不清楚扭曲的 tau 蛋白是否部分導致了這些疾病，或者它們是否是真正原因的副作用。
Arendt 和他的同事 發現過度磷酸化的 tau 會在冬眠的歐洲地松鼠 (Spermophilus citellus) 的大腦中積累。 齧齒動物在冬眠期間失去的突觸越多，它們神經元中積累的過度磷酸化 tau 就越多。 然而，在從冬眠中醒來進入覺醒期後的幾個小時內，松鼠不知何故從它們的大腦中清除了 tau。 作為揭示這一過程的一種方法，Arendt 用一種染料對冬眠和覺醒松鼠的大腦組織切片進行了染色，這種染料專門與攜帶額外磷酸基團的 tau 蛋白結合。 差異令人震驚。 來自冬眠松鼠的大腦組織通常是深色的，在某些區域像墨水一樣黑，而來自覺醒和非冬眠動物的組織則完全沒有瑕疵。 Arendt 認為，過度磷酸化的 tau 蛋白在冬眠期間積累是為了防止神經元失去比實際失去的更多的突觸，並可能在覺醒期間的突觸快速恢復中發揮作用。 過度磷酸化的 tau 也會在發育中的哺乳動物大腦中積累，但在出生後不久就會基本消失，此時大腦正在修剪不必要的連線。 Arendt 提出，也許 tau 通常會保護神經元，但在患有阿爾茨海默病的人的大腦中會發生故障，類似於患有自身免疫性疾病的人的過度活躍的免疫系統。
最近，Arendt 和 Barnes 合作進行了一項 研究，進一步調查了冬眠地松鼠、倉鼠和黑熊中的 tau 蛋白。 在冬眠期間，過度磷酸化的 tau 聚集在熊的大腦中，甚至更讓人聯想到在阿爾茨海默病患者的神經元中觀察到的畸形蛋白簇。 與地松鼠和倉鼠不同，黑熊在冬眠期間體溫不會大幅下降，也不會進入週期性的覺醒期。 相反，它們在整個冬天都保持輕度持續冬眠狀態。 Arendt 認為，由於沒有間歇性覺醒來清除大腦中過度磷酸化的 tau，冬眠的黑熊會危險地接近神經退行性變，但不知何故設法在春天醒來時逆轉損傷。 儘管這些關於 tau 的觀點存在爭議，但 Arendt 和其他科學家正在進行相關研究，因為冬眠動物提供了一個研究阿爾茨海默病和相關疾病的機會，而這種研究如果用人腦複製是不道德的。
冬眠哺乳動物也可能為科學家提供一種研究大腦未開發潛力的方法。 縱觀歷史，神經科學家從不尋常或受損的大腦中瞭解了很多關於典型大腦如何運作的知識——這些器官缺乏兩個半球之間通常的神經組織橋樑，或者在特定區域有大洞。 相比之下，冬眠的大腦揭示了隱藏在典型哺乳動物大腦中的非凡才能。 U.A.F. 的 Kelly Drew 及其同事最近的一些研究表明，即使在冬眠的哺乳動物在春季和夏季醒來時，它們的大腦 仍然對缺氧具有抵抗力，並且 神經元損傷通常由心臟病發作和中風引起。 當小型哺乳動物首次進化出冬眠時，它們能量需求旺盛的大腦被置於一種不可能的境地：在幾乎沒有氧氣或營養的情況下生存半年，並從整個磨難中毫髮無損地脫身。 顯然，冬眠並沒有殺死大腦——它只是讓大腦變得更強大。