实验室创造出的大脑会有意识吗?
2020-11-09 15:04

实验室创造出的大脑会有意识吗?

本文来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),原文作者:Sara Reardon,头图来自:Fabio Buonocore | nature


在Alysson Muotri的实验室里,数百个芝麻大小的微型人脑漂浮在培养皿中,闪烁着电活动的火花。


这些微小的结构被称为大脑类器官(brain organoid),是利用人体干细胞培养出来的,已经成为许多实验室研究大脑特性的常见工具。作为加州大学圣迭戈分校的一名神经科学家,Muotri已经找到了一些不同寻常的方式来部署大脑类器官。他将类器官与行走的机器人连接起来,用尼安德特人的基因修饰它们的基因组,将它们发射到国际空间站的轨道上,并将它们作为模型来开发更像人类的人工智能系统。和许多科学家一样,Muotri暂时转而研究新冠肺炎,利用大脑类器官来测试药物对新冠病毒的治疗效果


但有一项实验比其他实验引起了更多的关注。2019年8月,Muotri课题组在《细胞-干细胞》(Cell Stem Cell)上发表了一篇论文,报告创造出了能产生协调活动波的人脑类器官——类似于在早产儿中看到的活动波[1]。这些波持续了几个月,直到课题组停止了实验。


这种全脑协调的电活动是大脑有意识的特性之一。该团队的发现令伦理学家和其他科学家提出了一系列伦理和哲学问题,即是否应该允许类器官达到这种高级发育水平,“有意识”的类器官是否可能有权享有其他细胞团所没有的特殊待遇和权利,以及意识是否存在从零开始被创造的可能性。


许多神经科学家和生物伦理学家已经设想过一个无身体而有自我意识的大脑了。就在几个月前,耶鲁大学的一个团队宣布,他们至少部分恢复了死亡几小时后的猪的大脑的活力。研究人员先取出猪脑,给它们注入化学“鸡尾酒”,最后恢复了神经元的细胞功能和传递电信号的能力[2]


其他的实验,如在小鼠大脑中添加人类神经元,引起了人们的质疑;一些科学家和伦理学家认为,这些实验不应该被允许开展。


这些研究在两群人中间拉开了论战:一方希望避免创造意识,另一方认为复杂的类器官是研究破坏性人类疾病的一种手段。Muotri和许多其他神经科学家认为,人脑类器官可能是理解自闭症和精神分裂症等人类独有病症的关键,这些病症不可能在小鼠模型中进行详细的研究。Muotri说,为了实现这一目标,他和其他人可能需要刻意创造意识。


现在,研究人员呼吁制定一套类似于动物研究所采用的准则,指导研究人员以人道的方式使用大脑类器官,并开展其他可以实现意识的实验。6月,美国国家科学、工程和医学研究院启动了一项研究,目的是概括与大脑类器官和人兽嵌合体(human–animal chimaera)相关的潜在法律及伦理问题。


对于实验室培养的大脑的担忧也凸显了一个盲点:神经科学家没有商定一致的方法来定义和测量意识。如果没有一个可行的定义,伦理学家担心无法在实验越界之前加以阻止。


目前的一批实验可能会迫使科学家们做出决定。英国苏塞克斯大学的认知神经科学家Anil Seth说,如果科学家们确信一个类器官已经获得了意识,他们可能需要赶紧在理论上就意识的产生达成一致意见。但是,他说如果一个人所持的理论推断类器官有意识,而另一个人的理论则推断它没有意识,那么任何关于意识已经被创造出来的信心都会消失。“信心在很大程度上取决于我们相信什么理论。这是一个循环。”


知觉状态


创建一个意识系统可能比定义它要容易得多。研究人员和临床医生根据不同的目的,用许多不同的方式来定义意识,但很难将它们整合成一个齐整的操作性定义,来判定一个实验室培养的大脑的状态。 


医生一般根据患者是否对疼痛或其他刺激作出反应,比如眨眼或退缩,来评估处于植物人状态的患者的意识水平。例如,利用脑电图(EEG)读数,研究人员还可以测量大脑在被电脉冲刺激时的反应。一个有意识的大脑会显示更为复杂、不可预测的电活动,而如果是一个无意识的大脑,它的反应是简单、有规律的模式。


但这种测试可能无法充分探究一个人是否缺乏意识。在对处于昏迷或植物人状态的人进行的脑成像研究中,科学家们已经表明,无反应的人可以显示出一些让人联想到意识的大脑活动——比如运动脑区在被要求思考走路时的活动[3]


在发育中的人脑类器官中,神经元前体细胞(红色)变成了神经元(绿色),神经元连接成网络(白色)。来源:Muotri实验室/加州大学圣迭戈分校。


无论在什么情况下,标准的意识医学测试都很难适用于培养的脑细胞或离体的动物大脑。当Muotri提出他的类器官的放电模式和在早产儿中看到的一样复杂时,人们不知道该如何看待这个问题。一些研究人员认为早产儿的大脑活动并不复杂,不足以被归类为有意识。而类器官不能眨眼,也不能对痛苦的刺激做出反应,所以它们也通不过临床意识测试。


相比之下,刚被杀的猪的完整大脑更有可能拥有产生意识的必要结构,并且具备它活着时的记忆和经历所创造的神经连接。“想想一个已经被这些东西填满的大脑,很难想象它会变得空洞无物。”哈佛大学的哲学家和神经伦理学家Jeantine Lunshof说。“它们在思维方面能做什么,我不知道,但肯定不是零。”Lunshof说。像耶鲁大学团队那样,让死掉的大脑恢复部分生机,或许有可能恢复一定程度的意识,尽管科学家们煞费苦心地使用防止全脑活动的化学阻断剂来避免这种情况。


研究人员一致认为,他们需要认真对待这类研究所带来的这种可能性。2019年10月,加州大学圣迭戈分校召开了一场会议,旨在为未来实验建立和发布一个伦理框架,共有十几位神经科学家和哲学家以及一些学生和公众参加。但最终论文已经推迟了几个月,部分原因是几位作者无法就意识的基本要求达成一致意见。


越来越复杂


几乎所有的科学家和伦理学家都认为,到目前为止,还没有人在实验室里创造出意识。但他们都在问自己,要注意什么,哪些意识理论可能最相关。例如,根据一种叫做整合信息理论(integrated information theory)的观点,意识是整个大脑神经元网络连接有多密集的结果。彼此交互的神经元越多,意识的程度就越高,这个量被称为“phi”。如果phi大于零,生物体就被认为是有意识的。 


根据该理论,大多数动物都能达到这个门槛。美国西雅图的艾伦脑科学研究所所长Christof Koch不相信任何已有的类器官能达到这个门槛,但他承认,一个更先进的类器官可能达到。


其他竞争性的意识理论要求感官输入或跨多个脑区的协调电模式。例如,一种被称为全局工作空间理论(global workspace theory)的观点认为,大脑的前额皮质就像一台计算机——处理感觉输入并解释它们,从而形成一种存在感。因为类器官没有前额皮质,不能接受输入,所以不能变得有意识。英国剑桥大学的发育生物学家Madeline Lancaster说:“如果没有输入和输出,神经元之间可能也会有相互作用,但那并不一定意味着任何像人类思想一样的东西。”


然而,将类器官与器官连接起来,可能是一项相当简单的任务。2019年,Lancaster的团队在小鼠脊柱和背部肌肉旁边培养了人脑类器官。当人脑类器官的神经与脊柱连接后,肌肉开始自发收缩[4]


英国剑桥大学的发育生物学家Madeline Lancaster在实验室里使用类器官研究大脑组织和疾病。来源:Felicity McCabe。


大多数类器官只能复制大脑的一个部分——皮质。但如果它们发育的时间足够长,并且使用正确的生长因子,人类干细胞就会自发地重现大脑的许多不同部分,然后开始协调它们的电活动。在2017年发表的一项研究中,哈佛大学的分子生物学家Paola Arlotta诱导干细胞发育成由许多不同类型的细胞组成的大脑类器官,其中包括像视网膜中的那些光敏细胞[5]。暴露在光线下时,类器官中的神经元开始放电。但这些细胞保持活跃的事实并不意味着类器官可以看到和处理视觉信息,Arlotta说。那仅仅意味着它们可以形成必要的电路。


Arlotta和Lancaster认为他们的类器官太原始了,不可能有意识,因为它们缺乏必要的解剖结构来创建复杂的脑电模式。不过,Lancaster还是承认,对于高级的类器官来说,这就要看具体定义了。“如果你认为一只苍蝇是有意识的,那么你可以想象一个类器官也是有意识的。”她说。


不过,Lancaster和其他大多数研究人员认为,复活猪脑这类对象比类器官更容易产生意识。由神经科学家Nenad Sestan领导的猪脑研究小组,目的是找到复活器官的新方法,而不是创造意识。研究人员能够让单个神经元或神经元组放电,并小心翼翼地试图避免产生大范围的脑电波。不过,当Sestan的团队在其中一个大脑中看到貌似协调的脑电活动时,他们立即停止了这个项目。即使在神经学专家确认该模式与意识不一致后,为了以防万一,该小组还是对大脑进行了麻醉。


Sestan还联系了美国国立卫生研究院(NIH),寻求关于后续工作该如何展开的指导意见。研究院的神经伦理学小组,包括Lunshof和俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的生物伦理学家Insoo Hyun,评估了这项工作,并一致认为Sestan应该继续麻醉研究用的大脑。但该评估小组还没有制定更通用的规定,也没有例行要求对类器官课题进行生物伦理学评估,因为其成员认为意识是不太可能产生的。NIH也没有就意识的定义达成一致。“这真的很灵活,每个人都有自己的定义,”Hyun说,“如果不能确定我们说的是同一件事,沟通就成了大问题。” 


神经科学家Nenad Sestan使用BrainEx平台来恢复离体猪脑的神经活动。来源:Jesse Winter for Nature。


定义模糊


有些人甚至认为,尝试在任何一种实验室维护的大脑中识别意识都是徒劳的。比利时列日大学的神经学家Steven Laureys说:“鉴于我们不了解意识,我们根本不可能说出这些脑细胞束能思考或感知什么。”他率先对植物人进行了一些基于成像的意识测量。“我们不应该太自大。”他说,应该非常谨慎地开展进一步的研究。 


Laureys等人指出,类器官的经历很可能与早产儿、成年人类或猪的经历有很大不同,不能直接比较。此外,类器官中的结构可能过小,无法准确测量其活动,而类器官的脑电模式与早产儿大脑的相似性可能只是巧合。其他从事大脑类器官研究的科学家也同意Laureys的观点,即一个系统是否有意识的问题可能是无法回答的。许多人完全回避这个观点。“我不知道为什么我们要问这个问题,因为这个系统不是人类的大脑,”斯坦福大学的神经科学家Sergiu Pasça说,“它们是由神经元组成的,神经元有电活动,但我们必须仔细思考如何比较它们。”


Muotri希望他的类器官系统至少在某些方面可以与人类大脑相媲美,这样他就可以研究人类的疾病并找到治疗方法。他有个人动机:他14岁的儿子患有癫痫和自闭症。“他的生活中充满困难。”Muotri说。大脑类器官是一个很有前景的研究通道,因为它们再现了大脑连接的最早阶段,这在人类胚胎发育时是不可能研究的。但他说,在没有一个功能完备的大脑的情况下研究人类大脑疾病,就像研究一个不产生胰岛素的胰腺一样。“为了达到这个目的,我需要一个真正类似于人脑的大脑类器官模型。我可能需要一个会变得有意识的类器官。”


Muotri说,他不知道使用哪种定义来判定一个类器官是否达到意识状态。他说,在某一刻,类器官甚至可能帮助研究人员回答关于大脑如何产生意识状态的问题。例如,加州大学圣迭戈分校的数学家Gabriel Silva正在研究Muotri的类器官的神经活动,以开发一种描述大脑如何产生意识的算法[6]。他的项目由微软提供部分资助,目标是创造一个像人类意识一样工作的人工系统。


目前,无论是美国还是欧洲,都没有阻止研究人员创造意识的规定。美国国家科学院评估小组计划在明年初发布一份报告,概述最新的研究情况,并对是否需要出台规定做出判断。成员们计划考虑的问题包括:是否需要征得一个人的同意才能将其细胞培养成大脑类器官;如何人道地研究和处置类器官等。国际干细胞研究学会也在制定类器官指南,但没有涉及意识问题,因为它认为相关研究还不成熟。 


Hyun说,美国国立卫生研究院神经伦理学小组还没有看到任何要创造复杂、有意识的类器官的研究计划——如果出现这类研究,就意味着必须制定新的指南。Muotri说,他不知道还有谁想刻意创造有意识的类器官,虽然根据某些定义,一个足够复杂的类器官可能会偶然达到意识状态。


不过,Muotri等人表示,他们还是欢迎一些指导方针——包括要求科学家说明他们使用的人脑类器官的数量;只用于不能以任何其他方式进行的研究;限制可能对它们造成的痛苦程度;人道地处置它们。


提前制定这样的指南,将有助于研究人员权衡创造意识实体的成本和收益。许多研究人员强调,这种实验有可能带来重要的洞察。“有一些真正有意识的人患了神经系统疾病,但没有治疗方法。”Lancaster说。“如果我们真的因为哲学思想实验而停止了所有这些研究,”她补充道,“那将会对那些确实需要某种新型治疗方法的实际人类非常不利。”


然而,治疗方法仍可在使用小鼠干细胞制成的大脑类器官或正常的动物模型中进行测试。这样的实验也可以为围绕人体类器官的伦理应用的讨论提供信息。例如,Hyun希望看到研究人员将小鼠大脑类器官的脑电图模式与活体小鼠的脑电图模式进行比较,这或许能揭示人体类器官能在多大程度上再现人类大脑。


Muotri认为研究人体类器官和研究实验室小鼠几乎没有区别。“我们在研究中使用的是有意识的动物模型,但这没有任何问题。”他说,“我们需要向前进,如果最后类器官变得有意识,说实话,我不认为那是一个大问题。”


参考文献:

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).


原文以Can lab-grown brains become conscious?为标题发表在 2020年10月27日的《自然》评论版块


本文来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),原文作者:Sara Reardon

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