大腦是一個特別容易腐爛的器官。在失去血液和氧氣供應後的幾分鐘內，脆弱的神經系統機制開始遭受不可逆轉的損害。大腦是我們身體中最耗能的部分，死後數小時內，其酶開始從內部吞噬它。隨著細胞膜破裂，大腦液化。幾天之內，微生物在惡臭的腐敗過程中消耗掉殘餘物。幾年後，顱骨就變成了一個空腔。
然而，在某些情況下，大腦比所有其他軟組織都持久，並完整地儲存數百年甚至數千年。考古學家們對在古代墓地、墳墓、萬人坑甚至沉船中發現的自然儲存的大腦感到困惑。在最近的一項研究中，牛津大學的研究人員調查了跨越幾個世紀的科學文獻，並統計了 4400 多例儲存完好的大腦，這些大腦的歷史可追溯到 12000 年前。
牛津大學的亞歷山德拉·莫頓-海沃德是這項研究的主要作者，她說：“大腦腐爛得非常快，我們發現它被儲存下來真的很奇怪。“我最主要的問題是：這怎麼可能？為什麼它會發生在大腦中而不是其他器官中？”
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這種不尋常的儲存現象似乎與蛋白質（細胞構建塊）的“錯誤摺疊”有關，並且與導致某些神經退行性疾病的病理具有有趣的相似之處。正如每個生物學專業的學生所知，蛋白質是由氨基酸分子鏈串聯而成，就像項鍊上的珠子一樣。每種蛋白質都有獨特的氨基酸序列——人體內有 20 種常見型別——這決定了它如何摺疊成其正確的三維結構。但是細胞環境中的干擾可能會導致摺疊出錯。大腦蛋白質的錯誤摺疊和聚集是數十種神經退行性疾病的根本原因，包括阿爾茨海默病、帕金森病、肌萎縮側索硬化症和牛疾病牛海綿狀腦病，也稱為瘋牛病。現在科學家們發現，一些錯誤摺疊的蛋白質可能會在死後形成團塊——而這些團塊可以持續數百年或數千年。
直到最近幾年，科學家才開始認真研究這些奇異的案例。2008 年發生了一項重大突破，當時考古學家發現了在英格蘭赫斯靈頓的一個灌溉渠中被絞死、斬首並拋棄的男子的2500 年曆史的頭骨。所有其他軟組織早已消失，但調查人員震驚地發現頭骨中仍然包含一個萎縮的大腦。由倫敦大學學院神經科學家團隊領導的分析得出結論，大腦是透過蛋白質聚集儲存下來的。
當蛋白質摺疊出錯時
在生物體中，蛋白質摺疊非常依賴於環境，細胞環境中的干擾可能會使其誤入歧途。
一個經典的例子是蛋白。通常，它是透明的液體，但當條件發生變化時——例如當雞蛋被煎炸或煮沸時——其蛋白質會解開、纏結並形成團塊。“那是一個聚集體，”德國馬丁斯里德馬克斯·普朗克生物化學研究所蛋白質摺疊疾病的首席研究員烏爾裡希·哈特爾說。“同樣的事情也發生在你的大腦中，只是在微觀層面上。”許多疾病都有相似的潛在機制：蛋白質放棄其健康的天然狀態，展開並與其他錯誤摺疊的蛋白質纏結成一團。
在疾病中，錯誤摺疊的版本成為蛋白質最熱力學穩定的狀態，通常使聚集不可逆轉。哈特爾說，如果古代大腦儲存背後存在類似的機制，他不會感到驚訝。“大腦可以在死後儲存這麼長時間，這很令人著迷，”他說。“我感興趣的問題是：這是否在某種程度上反映了神經退行性變過程中發生的事情？”
持久的大腦
赫斯靈頓大腦的發現刺激了對大腦儲存的新研究。牛津大學是這項工作的中心，其首席研究員是莫頓-海沃德，她是一位前殯儀業者，後來成為法醫人類學家。現在是博士候選人的她收集了世界上最大的古代大腦收藏，分析了來自英國、比利時、瑞典、美國和秘魯等地點的 600 多個標本，這些標本的歷史最長可達 8000 年——她正在分析它們是如何儲存下來的。（標本的收集符合牛津大學的研究倫理指南。）
為了瞭解這些大腦為何沒有腐爛，莫頓-海沃德用強大的顯微鏡觀察了古代大腦組織。她將小鼠大腦放入裝有水或沉積物的罐子中，以測量它們隨時間的分解情況。她採用了質譜法來識別古代大腦中持續存在的蛋白質和氨基酸。她已經識別出 400 多種儲存完好的蛋白質。（其中最豐富的是髓鞘鹼性蛋白，它有助於在我們神經線路上的形成絕緣鞘。）她切開了古代大腦組織，並將樣本帶到鑽石光源同步加速器（英國的國家粒子加速器），用接近光速的電子轟擊它們，以瞭解儲存過程中涉及的金屬、礦物質和分子。
屍體可以透過防腐、冷凍、鞣製或脫水來避免分解，但莫頓-海沃德專注於大腦是唯一剩餘軟組織的案例。通常儲存完好的大腦來自缺氧的浸水埋葬環境，例如低窪墓地，或者在赫斯靈頓大腦的案例中，來自灌溉溝渠。人腦由約 80% 的水組成，其餘部分分為蛋白質和脂質：不溶於水的脂肪、蠟狀或油性化合物。莫頓-海沃德的實驗表明，大腦透過一種稱為分子交聯的過程得以持久儲存，在該過程中，大腦蛋白質殘餘物和降解的脂質形成海綿狀聚合物。這個過程可能由金屬，尤其是鐵催化。聚合物強大的共價鍵（其中電子是共享的）和高分子量可能使萎縮的大腦極其耐用和化學抗性——因此能夠抵抗數百年的分解。這些聚合物不是被稱為澱粉樣蛋白的線狀原纖維，澱粉樣蛋白是蛋白質摺疊疾病（如阿爾茨海默病和帕金森病）的特徵。“當我開始這段旅程時，我想知道我們是否會發現澱粉樣蛋白，”她說。“但似乎我們沒有。”相反，她說，來自其他分解蛋白質的氨基酸“透過相同的機制交聯——這似乎是我們在這些古代大腦中看到的：聚集，但型別不同。”
牛津大學儲存的一個大腦。
克米特·帕蒂森
然而，她說，大腦儲存的某些方面“與神經退行性變非常相似”。在古代大腦組織和她的小鼠大腦腐爛實驗中，她都發現了氧化損傷的證據，這會產生交聯的前體成分。這種由鐵失調引起的損害與大腦衰老和一系列神經退行性疾病有關。
莫頓-海沃德建議說：“也許這些過程在我們自然衰老的過程中正在發生，“然後在死後，它們會繼續下去。”
這項新研究推翻了一個古老的假設，即大腦透過變成屍蠟或“墓蠟”來儲存，屍蠟或“墓蠟”是在身體脂肪轉化為牛脂色的肥皂狀物質時形成的（通常在屍體浸沒時）。儘管大腦富含脂質，但僅含有少量通常會變成屍蠟的甘油三酯脂肪。“屍蠟在脂肪組織中形成——那是臀部、手臂、臉頰，”英國布拉德福德大學的考古學家兼古代大腦的先驅研究員索尼婭·奧康納說。“大腦中沒有脂肪組織。這是錯誤的化學成分。”
但是，由於大腦中富含蛋白質和脂質，因此它具有適合交聯的正確化學成分。它在生命中的可塑性可能使其在死後具有韌性。
永恆的紊亂
直到本世紀初，蛋白質通常被描述為以可預測的“鎖和鑰匙”方式結合在一起，但在過去二十年中，很明顯，有些蛋白質用途更廣泛。具有內在無序區域的蛋白質，包括內在無序蛋白質 (IDP)，約佔所有人類蛋白質的三分之一，並且可以採取多種構型和結合夥伴——這是一個關鍵屬性，使其能夠調整其結構和功能。髓鞘鹼性蛋白是無序蛋白的一個主要例子。這種脂肪絕緣鞘中神經元周圍的“分子膠水”必須能夠適應在每個人中形成獨特的神經迴路，並在整個生命週期中不斷變化。
與正常蛋白質不同，IDP 缺乏穩定的 3D 結構，可以呈現多種形狀。它們因其與許多夥伴結合的能力而臭名昭著。不幸的是，這種多功能性使無序蛋白質容易發生錯誤摺疊，並且它們在諸如阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病、ALS、人類朊病毒病和牛的 BSE 等病理學中發揮著重要作用。
南佛羅里達大學生物物理學家弗拉基米爾·烏弗斯基是無序蛋白質的首席研究員，他立即懷疑 IDP 在赫斯靈頓大腦中發揮了作用。當他分析提取蛋白質的資料集時，他證實最豐富的儲存蛋白質以高水平的無序為特徵。他假設 IDP 充當“分子砂漿”，透過將分子粘合成剛性聚集體，從而起到“持久的防腐劑”的作用。烏弗斯基稱這種現象為“不穩定性的穩定性”，它有助於解釋為什麼蛋白質聚集在神經退行性疾病中以及甚至在死者中變得如此持久。與牛津大學的研究人員一樣，他認為分子交聯增強了這些遺骸的耐久性。
蛋白質聚集的另一個陰險特徵是，它成為病理增長的種子。“它會吸入一切，”烏弗斯基說。“這些東西會像黑洞一樣。”
在生命中，我們有防禦蛋白質錯誤摺疊的機制，但隨著年齡的增長，這些機制會減弱，並在死後完全停止。在死後的大腦中，交聯和聚集可以肆虐，僅受化學和物理定律的限制。
可以肯定的是，古代大腦中頑固的分子與在活體患者中看到的蛋白質病理學不同。即便如此，研究人員對令人毛骨悚然的相似之處感到好奇。許多儲存完好的大腦來自莫頓-海沃德所說的“苦難之地”，例如萬人坑、暴力死亡地點以及維多利亞時代濟貧院和精神病院共用的墓地。她懷疑生命中的氧化應激可能會釋放出在墳墓中繼續進行的分子過程。“在那種情況下，”她說，“我們可以研究比人類壽命更長軌跡的衰老。”
本文的一個版本題為“大腦耐力”，改編後收錄在 2025 年 2 月號的大眾科學雜誌中。本文反映了該版本，並增加了一些為印刷而刪節的材料。