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每年九月，阿拉斯加、加拿大和西伯利亚的北极地松鼠会撤退到冻原下一米多深的洞穴中，蜷缩在用草、地衣和驯鹿毛筑成的巢穴中，开始冬眠。 随着它们的肺和心脏减速，流经身体的血液河流减少，核心体温骤降，降至水的冰点以下。在许多大脑区域，沿着纵横交错的神经高速公路飞驰的电信号消失了。 七个月后，松鼠醒来并返回地面——饥肠辘辘，渴望交配，并且非常健康。
冬眠哺乳动物如何在如此低的温度下长时间生存，除了储存在自身脂肪中的食物和水之外，没有任何其他食物或水，这让科学家们出于多种原因而着迷。 冬眠是一项惊人的生物学壮举，也是一个学习将人体推向其表面极限的新方法，以及在人体崩溃时治愈它的机会。 北极地松鼠的大脑尤其显得非常具有弹性。 当地松鼠冬眠时，它们的神经元会收缩，神经元之间的许多连接会萎缩。 但是它们的大脑会定期通过大规模的生长突增来补偿这种损失，使神经连接倍增，超出冬眠前的水平。 了解地松鼠的大脑如何恢复不仅可以帮助科学家了解大脑的可塑性，还可以为逆转或预防神经退行性疾病中的细胞损伤提供新的方法。 特别是，最近关于冬眠大脑的研究正在改变一些科学家对畸形 tau 蛋白的看法，tau 蛋白是阿尔茨海默病的标志。
大脑冻结
大多数小型冬眠哺乳动物——仓鼠、刺猬、蝙蝠——在冬眠期间会调低身体的恒温器，放弃所有哺乳动物的定义特征之一：温血。 北极地松鼠是最极端的例子。 1987 年 8 月，阿拉斯加大学费尔班克斯分校 (U.A.F.) 的 Brian Barnes 捕获了 12 只北极地松鼠，并将微小的温度敏感无线电发射器植入动物的腹部。 他将松鼠运送到费尔班克斯的室外围栏中——带有边界的金属丝笼，延伸到地下 1.2 米以上。 到九月，地松鼠已经在围栏内挖了洞穴并开始冬眠。 它们的体温降至 –2.9 摄氏度，几乎比淡水的冰点低三度，可能是活体哺乳动物中记录到的最低核心体温。 尽管如此，地松鼠的血液仍然保持液态，很可能是通过一种称为现象的过冷。
在实验室实验中，Barnes 还测量了当松鼠在保持在 –4.3 摄氏度的房间中冬眠时，身体各个部位的温度。 尽管它们的结肠、脚和腹部都降至零摄氏度以下，但它们的颈部从未低于 0.7 摄氏度，这表明大脑的温度比身体的其他部位略高。 如果大多数哺乳动物的大脑被冷却到如此低的温度，它们会在数小时内死亡，但地松鼠的大脑在接近冰点的温度下存活了数周。 每隔两到三周，松鼠会颤抖着将自己恢复到 36.4 摄氏度的典型体温，它们会保持 12 到 15 个小时，然后再次变成冷冻松鼠。 后来，科学家们证实，这些间歇性的觉醒期对于地松鼠的生存至关重要——没有它们，它们的大脑会在春天到来之前很久就枯萎。
厄运与繁荣
冬眠摧毁了地松鼠的大脑，使大脑细胞之间成千上万甚至数百万个重要连接（称为突触）枯萎。 但是它的大脑已经进化出令人印象深刻的弹性，以惊人的速度反复自我更新，就像森林在几天之内从焦土中爆发出来一样。 俄罗斯细胞生物物理研究所的 Victor Popov 发现了这种可塑性的一些最早证据。 在 1990 年代初期，Popov 和他的同事捕获了野生西伯利亚地松鼠，并将它们保存在温度受控的围栏中进行冬眠。 研究人员在三个不同阶段——冬眠期间； 间歇性觉醒期后两小时； 或从冬眠中醒来后一天——牺牲了不同的动物，并取出它们的大脑进行染色和检查海马体内的神经元，海马体是记忆的关键区域。 与完全清醒和觉醒的松鼠的大脑细胞相比，处于冬眠状态的松鼠的神经元萎缩，树突（接收来自其他神经元的信号的分支）少得多。 冬眠大脑中的树突的树突棘也更少，树突棘像玫瑰茎上的刺一样从主枝上伸出，并增加了与附近细胞形成突触的可能性。
冬眠大脑中的神经元看起来像寒冬中贫瘠的树枝，而刚刚从冬眠中醒来进入觉醒期的松鼠的大脑细胞则长满了茂密的重叠树突。 在短短两个小时内，松鼠的大脑不仅补偿了冬眠期间失去的所有突触——它们的大脑细胞现在拥有的连接比春天或夏天的活跃松鼠还要多。 然而，一天后，它们的大脑修剪掉了许多这些连接，可能认为它们是多余的，很像发育中的哺乳动物大脑修剪其蓬勃发展的神经森林的方式。
自从 Popov 的研究以来，其他研究人员也观察到冬眠仓鼠和刺猬大脑中类似的突触损失和恢复。 在 2006 年的一项研究 中，斯坦福大学的 Craig Heller 发现冬眠的大脑总体上具有令人难以置信的可塑性，而不仅仅是在海马体中。 Heller 认为，松鼠和类似的冬眠动物在冬眠期间会失去树突，因为它们的新陈代谢太慢，大脑太冷太闲散，无法保持这些活电线的正常工作状态。
也许让它们像被忽视的盆栽植物一样枯萎，并在间歇性的觉醒期迅速将它们恢复活力更有效率。 这样，哺乳动物可以尽可能地节省能量，同时仍然保留重要的神经连接。 尽管如此，研究人员估计，许多小型冬眠哺乳动物将冬眠期间使用的所有能量的 80% 到 90% 用于维持大脑的存活。
保护性蛋白质？
尽管科学家们已经记录了冬眠松鼠大脑中细胞的结构变化，但他们尚不了解是什么触发了大脑的恢复。 德国莱比锡大学的 Thomas Arendt 认为答案可能与一种名为 tau 的蛋白质有关。 通常，tau 蛋白有助于稳定细胞支架的长绳状成分，称为微管； tau 使绳索中的许多线紧密捆绑在一起。 当 tau 蛋白由于未知原因变得过度磷酸化时（即，负担了过多的磷酸基团），它们会改变形状并开始在神经元内部聚集在一起。 结果，微管变得松弛，细胞失去形状并停止正常运作。 研究人员知道，畸形的 tau 蛋白会在患有各种神经退行性疾病的人的大脑细胞中积聚——尤其是 阿尔茨海默病——但目前尚不清楚扭曲的 tau 蛋白是否部分导致了这些疾病，或者它们是否是真正原因的副作用。
Arendt 和他的同事 发现过度磷酸化的 tau 会在冬眠的欧洲地松鼠 (Spermophilus citellus) 的大脑中积累。 啮齿动物在冬眠期间失去的突触越多，它们神经元中积累的过度磷酸化 tau 就越多。 然而，在从冬眠中醒来进入觉醒期后的几个小时内，松鼠不知何故从它们的大脑中清除了 tau。 作为揭示这一过程的一种方法，Arendt 用一种染料对冬眠和觉醒松鼠的大脑组织切片进行了染色，这种染料专门与携带额外磷酸基团的 tau 蛋白结合。 差异令人震惊。 来自冬眠松鼠的大脑组织通常是深色的，在某些区域像墨水一样黑，而来自觉醒和非冬眠动物的组织则完全没有瑕疵。 Arendt 认为，过度磷酸化的 tau 蛋白在冬眠期间积累是为了防止神经元失去比实际失去的更多的突触，并可能在觉醒期间的突触快速恢复中发挥作用。 过度磷酸化的 tau 也会在发育中的哺乳动物大脑中积累，但在出生后不久就会基本消失，此时大脑正在修剪不必要的连接。 Arendt 提出，也许 tau 通常会保护神经元，但在患有阿尔茨海默病的人的大脑中会发生故障，类似于患有自身免疫性疾病的人的过度活跃的免疫系统。
最近，Arendt 和 Barnes 合作进行了一项 研究，进一步调查了冬眠地松鼠、仓鼠和黑熊中的 tau 蛋白。 在冬眠期间，过度磷酸化的 tau 聚集在熊的大脑中，甚至更让人联想到在阿尔茨海默病患者的神经元中观察到的畸形蛋白簇。 与地松鼠和仓鼠不同，黑熊在冬眠期间体温不会大幅下降，也不会进入周期性的觉醒期。 相反，它们在整个冬天都保持轻度持续冬眠状态。 Arendt 认为，由于没有间歇性觉醒来清除大脑中过度磷酸化的 tau，冬眠的黑熊会危险地接近神经退行性变，但不知何故设法在春天醒来时逆转损伤。 尽管这些关于 tau 的观点存在争议，但 Arendt 和其他科学家正在进行相关研究，因为冬眠动物提供了一个研究阿尔茨海默病和相关疾病的机会，而这种研究如果用人脑复制是不道德的。
冬眠哺乳动物也可能为科学家提供一种研究大脑未开发潜力的方法。 纵观历史，神经科学家从不寻常或受损的大脑中了解了很多关于典型大脑如何运作的知识——这些器官缺乏两个半球之间通常的神经组织桥梁，或者在特定区域有大洞。 相比之下，冬眠的大脑揭示了隐藏在典型哺乳动物大脑中的非凡才能。 U.A.F. 的 Kelly Drew 及其同事最近的一些研究表明，即使在冬眠的哺乳动物在春季和夏季醒来时，它们的大脑 仍然对缺氧具有抵抗力，并且 神经元损伤通常由心脏病发作和中风引起。 当小型哺乳动物首次进化出冬眠时，它们能量需求旺盛的大脑被置于一种不可能的境地：在几乎没有氧气或营养的情况下生存半年，并从整个磨难中毫发无损地脱身。 显然，冬眠并没有杀死大脑——它只是让大脑变得更强大。