Nature：實驗室培育的大腦可以擁有意識嗎？

出品｜大數據文摘

來源｜nature

編譯 | 朱科錦、lin

一直以來，對於科學家來說，人腦都是一個神奇的存在，關於人腦的研究也層出不窮。

近幾年，隨着人工智能的發展，很多科學家都在努力探索，未來機器人是否能擁有意識？未來或許可以，這就需要我們先對人腦進行更進一步的研究。

加州大學聖地亞哥分校（UCSD）的神經科學家Alysson Muotri 提出了這樣兩個問題：細胞團和離體的大腦是否是有意識的；科學家該如何判斷它們是否有意識。

Muotri發現了一些不尋常的方式來培育人腦器官。他將腦器官與行走的機器人連接起來，用尼安德特人（Neanderthal ）的基因修改器官的基因組，將它們發射到國際空間站的軌道上，並將它們作爲模型來開發更類似人類的人工智能系統。和許多科學家一樣，Muotri暫時轉而研究COVID-19，他利用腦器官來測試藥物對SARS-CoV-2冠狀病毒的表現。

 

但有一項實驗比他的其他實驗引起了更多的關注。2019年8月，Muotri的小組在《細胞幹細胞》（Cell Stem Cell）上發表了一篇論文，文中提到他們創建了一種能產生類似於在早產兒中看到的協調的活動波的人類大腦器官體（1）。在該團隊結束實驗之前，這種波持續了幾個月。

這種全腦協調的電活動是有意識的大腦的特性之一。該團隊的發現導致倫理學家和科學家提出了一系列道德和哲學問題，即是否應該允許有機體達到這種程度的發展水平，"有意識 "的有機體是否有權獲得其他細胞團所沒有的特殊待遇和權利，以及意識是否可以被人類創造出來。

無身體、有自我意識的大腦的想法已經存在於許多神經科學家和生物倫理學家的腦海中。就在幾個月前，位於康涅狄格州紐黑文市的耶魯大學的一個團隊宣佈，他們讓幾個小時前被殺死的豬的大腦恢復了部分生命。通過從豬的頭骨中取出大腦，注入一種化學混合試劑，研究人員恢復了神經元的細胞功能和傳遞電信號的能力（2）。

 

其他實驗，如在小鼠大腦中添加人類神經元，引起了一些質疑。一部分科學家和倫理學家認爲不應允許這些實驗的存在。

這些研究爲那些希望避免創造意識的人和那些將複雜的器官有機體視爲研究毀滅性人類疾病的工具的人之間的辯論奠定了基礎。Muotri和許多其他神經科學家認爲，人類大腦器官體可能是理解自閉症和精神分裂症等人類獨特病症的關鍵，這些病症不可能在小鼠模型中進行詳細研究。Muotri說，爲了實現這一目標，他和其他人可能需要刻意創造意識。

研究人員現在呼籲制定一套類似於動物研究中使用的指南，以指導大腦器官的人性化使用以及其他可以實現意識的實驗。6月，美國國家科學、工程和醫學研究院開始了一項研究，目的是概述與腦器官和人獸嵌合體相關的潛在的法律和倫理問題。

對實驗室培育大腦的擔憂也凸顯了一個盲點：神經科學家沒有一致的方法來定義和測量意識。如果沒有一個可行的定義，倫理學家擔心將無法在實驗越線之前阻止這些實驗。

目前的一些實驗可能會放大這個問題。英國布萊頓（ Brighton）附近的蘇塞克斯（Sussex ）大學的認知神經科學家Anil Seth說，如果科學家們確信一個有機體已經獲得了意識，他們可能需要趕緊就意識是如何產生的理論達成一致。但是，他說，如果一個人青睞的理論認爲機體有意識，而另一個人的理論則認爲沒有，那麼任何關於意識已經出現的信心都會消失。"信心在很大程度上取決於我們相信什麼理論。這是一個循環。"

01

感知狀態

創建一個意識系統可能比定義它要容易得多。研究人員和臨牀醫生爲了各種目的，用許多不同的方式來定義意識。所以，很難把它們綜合成一個精簡的實際的定義來決定一個實驗室培育大腦的狀態。

醫生一般根據患者對疼痛或其他刺激是否眨眼或退縮來評估處於植物人狀態的患者的意識水平。此外，利用腦電圖（EEG）讀數，研究人員還可以測量大腦對電脈衝的反應。比起無意識大腦的簡單，有規律的活動模式，有意識的大腦將顯示更復雜且不可預測的電活動。

但這種測試可能無法充分探究一個人是否缺乏意識。在對處於昏迷或植物人狀態的人進行的腦成像研究中，科學家們已經發現，沒有反應的人可以顯示出一些類似意識的大腦活動 —— 比如當被要求思考走路時，運動區域出現的活動（3）。

 

▲在發育中的人類大腦器官中，前神經元細胞（紅色）變成了神經元（綠色），並被連接成網絡（白色）。圖片來源：Muotri實驗室/加州大學聖地亞哥分校。

在任何情況下，標準的意識醫學測試都很難適用於生長在培養皿裏的腦細胞，或者是脫胎換骨的動物大腦。當Muotri提出他的有機體的放電模式和早產兒中看到的一樣複雜時，人們不知道該如何看待這個問題。一些研究人員認爲早產兒的大腦活動並不複雜，不足以被歸類爲有意識。而有機體不能眨眼，也不能對痛苦的刺激產生反感，所以它們不會通過意識的臨牀測試。

 

相比之下，最近被殺的豬的完整大腦更有可能擁有意識的必要結構，以及動物活着時的記憶和經歷所創造的神經線路。馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的哲學家和神經倫理學家 Jeantine Lunshof 說：「想想一個已經被這些東西填滿的大腦，很難想象那個大腦會是空的。」 Lunshof補充道：「他們在思維方面能做什麼我不知道，但肯定不是空無一物。」 像耶魯大學團隊那樣，讓死掉的大腦恢復一絲生機，或許有可能恢復一定程度的意識，儘管科學家們煞費苦心地使用化學阻斷劑來防止全腦活動從而避免這種情況。

研究人員同意他們需要認真對待這些研究提出的問題。2019年10月，加州大學聖地亞哥分校召開了一次由十幾位神經科學家和哲學家以及學生和公衆組成的會議，打算爲未來的實驗建立併發佈一個倫理框架。但該論文已經被推遲了幾個月，部分原因是幾位作者無法就意識的基本要求達成一致。

02

 越發複雜的理論

幾乎所有的科學家和倫理學家都認爲，到目前爲止，還沒有人在實驗室裏創造出意識。但他們都在問自己，要注意什麼，哪些關於意識的理論最相關。例如，根據一種叫做整合信息理論的觀點，意識是整個大腦中神經元網絡密集連接的產物。彼此互動的神經元越多，意識的程度就越高——這個量被稱爲phi。如果phi大於零，生物體就被認爲是有意識的。

 

根據該理論，大多數動物都能達到這個標準。位於華盛頓州西雅圖的Allen 腦科學研究所的主席Christof Koch認爲任何現有的有機體都達不到這個門檻，但他承認，一個更先進的有機體可能會達到這個標準。

 

其他競爭性的意識理論提到了感覺輸入或跨多個大腦區域的協調電模式。例如，一種被稱爲全局工作空間理論的想法認爲，大腦的前額葉皮層作爲一臺計算機，處理感覺輸入並解釋它們以形成存在感。因爲有機體沒有前額葉皮層，不能接受輸入，所以不能成爲意識。英國劍橋大學發育生物學家Madeline Lancaster說：「如果沒有輸入和輸出，神經元之間可能會相互交談，但這並不能代表人類的思想。「

  

然而，將類器官與器官連接起來可能是一項相當簡單的任務。2019年，蘭開斯特的團隊在老鼠脊柱和背部肌肉旁邊培育了人類大腦器官。當來自人體器官的神經與脊柱相連時，肌肉就開始自發地收縮。

▲發育生物學家瑪德琳·蘭開斯特在英國劍橋大學的實驗室裏通過類器官研究大腦組織和紊亂。來源UK.Credit: Felicity McCabe

 

大多數類器官的形成只是爲了複製大腦的一部分——皮層。但是，如果人類幹細胞發育的時間足夠長，並且有了合適的生長因子，它們就會自發地重建大腦的許多不同部位，然後這些部位就會開始協調它們的電活動。在2017年發表的一項研究中，哈佛大學的分子生物學家保拉·阿羅塔(Paola Arlotta)誘導幹細胞發展成由多種不同細胞類型組成的腦器官，包括視網膜中發現的那種光敏細胞。當接觸到光時，類器官中的神經元開始放電。但事實上，這些細胞是活躍的，並不意味着類器官可以看到和處理視覺信息，Arlotta說。這僅僅意味着它們可以形成必要的電路。

 

阿羅塔和蘭開斯特認爲他們的器官體太原始，無法產生意識，因爲他們缺乏創造複雜腦電圖模式所必需的解剖結構。儘管如此，蘭開斯特承認，對於高級類器官來說，這取決於它的定義。她說:「如果你認爲一隻蒼蠅是有意識的，那麼類器官也可能是有意識的。」

 

然而，蘭開斯特和大多數其他研究人員認爲，像活化的豬腦這樣的東西比類器官更有可能獲得意識。由神經科學家Nenad Sestan領導的研究豬大腦的團隊，試圖找到恢復器官活力的新方法，而不是創造意識。研究人員能夠讓單個神經元或神經元羣被**，並小心地嘗試避免產生廣泛的腦電波。然而，當Sestan的團隊在其中一個大腦中看到類似協調的腦電圖活動時，他們立即停止了這個項目。即使在神經學專家確認這種模式與意識不一致之後，研究小組還是對大腦進行了麻醉，作爲預防措施。

 

Sestan還聯繫了美國國家衛生研究院(NIH)以獲得如何進行的指導。該機構的神經倫理小組，包括倫肖夫和俄亥俄州克利夫蘭凱斯西大學(Case Western University)的生物倫理學家因蘇泫(Insoo Hyun)，評估了這項工作，並同意Sestan應該繼續麻醉大腦。但是，該小組還沒有制定出更通用的規定，也沒有例行要求對類器官的提案進行生物倫理評估，因爲其成員認爲意識不太可能產生。美國國家衛生研究院也沒有給意識下一個定義。Hyun說：「它非常靈活，每個人都有自己的意思。」「如果不清楚我們談論的是同一件事，這是一個大問題。」

 

▲神經學家Nenad Sestan使用BrainEx平臺恢復了離體豬大腦的神經活動。
來源:《自然》雜誌的傑西·溫特

03

 模糊的定義

一些人認爲，即使是試圖在任何一種實驗室保存的大腦中識別意識也是徒勞的。「鑑於我們不瞭解意識，就不可能說這些腦細胞所能想到或感知的是一些有關意識的存在」,比利時列日大學的神經學家Steven Laureys說,他開創了一些在人們處於植物人狀態時成像進行措施的意識。「我們不應該太傲慢。」他說，進一步的研究應該非常謹慎地進行。

 

Laureys和其他人指出，類器官的體驗可能與早產兒、成人或豬的體驗非常不同，並不能直接拿來比較。此外，類器的結構可能太小而無法精確測量它們的活動，而類器和早產兒大腦的腦電圖模式之間的相似性可能只是巧合。其他研究類腦器官的科學家也同意Laureys的觀點，即一個系統是否是有意識的這個問題是無法回答的。許多人完全避免這個想法。「我不知道我們爲什麼要問這個問題，因爲這個系統不是人類的大腦，」加利福尼亞州斯坦福大學的神經科學家Sergiu Pasca說。「它們是由神經元組成的，神經元有電活動，但我們必須仔細考慮如何比較它們。」

Muotri希望他的類器官系統至少在某些方面可以與人類大腦相媲美，這樣他就可以研究人類疾病並找到治療方法。他的動機是出於個人原因:他14歲的兒子患有癲癇和自閉症。「他努力地與生活抗爭，」Muotri說。類腦器官是一個很有前途的途徑，因爲它們再現了大腦連接的最早階段，而這在人類胚胎髮育時是不可能研究的。但是他說，在沒有一個完全功能的大腦的情況下研究人類的大腦疾病，就像研究一個不能產生胰島素的胰腺。「要做到這一點，我需要一個真正像人類大腦的大腦器官模型。我可能需要一個有意識的器官。

 

Muotri說他不知道用什麼定義來決定一個類器官是否達到意識。他說，在某種程度上，類器官甚至可以幫助研究人員回答大腦如何產生意識狀態的問題。例如，加州大學聖迭戈分校的數學家Gabriel Silva正在研究Muotri的類器官中的神經活動，以開發一種描述大腦如何產生意識的算法。他的項目部分由微軟資助，其目標是創造一個像人類意識一樣工作的人工系統。

 

目前，美國和歐洲都沒有規定可以阻止研究者創造意識。美國國家科學院小組計劃明年初發布一份報告，概述最新的研究，並就是否需要制定相關法規做出判斷。成員們計劃在一些問題上發表意見，比如是否要獲得人們的同意將他們的細胞發展成腦類器官，以及如何人道地研究和處理類器官。國際幹細胞研究學會也在研究類器官的指導方針，但沒有提到意識，因爲它認爲科學還沒有做到這一點。

 

Hyun說，美國國立衛生研究院的神經倫理小組還沒有看到任何關於創造複雜、有意識的類器官的建議，這將需要新的指導方針。Muotri說，他也不知道還有誰在故意嘗試創造有意識的類器官，儘管根據某些定義，一個足夠複雜的類器官可能偶然地達到這種狀態。

 

不過，Muotri和其他人說，他們歡迎一些指導方針。這可能包括要求科學家證明他們使用的人類大腦器官的數量，只將它們用於無法以任何其他方式進行的研究，限制可能施加在它們身上的痛苦，以及人道地處理它們。

 

提前提出這樣的建議將有助於研究人員權衡創建有意識實體的成本和收益。許多研究人員強調，這樣的實驗有可能產生重要的見解。蘭開斯特說:「有一些真正有意識的人患有神經紊亂，卻沒有治療方法。」「如果我們真的因爲這個哲學思維實驗而停止所有的研究，」她補充說，「那將對真正需要一些新療法的人來說是非常壞的消息。」

然而，治療方法仍然可以在用老鼠幹細胞製成的腦器官組織或常規的動物模型中進行測試。這樣的實驗也可以爲有關使用人體類器官的倫理討論提供信息。例如，Hyun希望看到研究人員將鼠腦類器官的腦電圖模式與活鼠腦類器官的腦電圖模式進行比較，這可能表明人類類器官如何很好地再現人類大腦。

 

在Muotri看來，研究人體類器官組織和實驗小鼠沒有什麼區別。「我們使用的動物模型是有意識的，沒有問題，」他說。「我們需要前進，如果結果證明他們有了意識，老實說，我不認爲這有什麼大不了的。」

相關參考：

1. Trujillo, C. A. et al. Cell Stem Cell 25, 558–569 (2019).

2. Vrselja, Z. et al. Nature 568, 336–343 (2019).

3. Monti, M. M. et al. N. Engl. J. Med. 362, 579–589 (2010).

4. Giandomenico, S. L. et al. Nature Neurosci. 22, 669–679 (2019).

5. Quadrato, G. et al. Nature 545, 48–53 (2017).

6. Silva, G. A., Muotri, A. R. & White, C. Preprint at biorXiv https://doi.org/10.1101/2020.07.28.225631 (2020).

相關報道：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02986-y

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