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2019-07-16

世界首次 | 又一项让生物伦理学家们惊慌失措的科学突破

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本文编辑 | Sushi


1.缸中之脑

有一种关于意识的理论:我们关于自我和他人的内在体验,无论多么丰富、多么有意义,只不过是我们大脑内部的电流和化学物质的活动。

如果你像许多科学家一样认同这一理论,那么一个难题自然会随之而来:体外培养的类脑组织中的电化学活动在什么时候会获得意识?是的,我说的就是经典的“缸中之脑”场景。答案是:不会的,它们绝对不会有意识。

缸中之脑(Brain in a vat),又称桶中之脑(brain in a jar),是知识论中的一个思想实验,由哲学家希拉里·普特南在《理性、真理和历史》(Reason, Truth, and History)一书中提出。

实验的基础是人所体验到的一切最终都要在大脑中转化为神经信号。假设一个疯子科学家、机器或其他任何意识将一个大脑从人体取出,放入一个装有营养液的缸里维持着它的生理活性,超级计算机通过神经末梢向大脑传递和原来一样的各种神经电信号,并对于大脑发出的信号给予和平时一样的信号反馈,则大脑所体验到的世界其实是计算机制造的一种虚拟现实[1],则此大脑能否意识到自己生活在虚拟现实之中?

从生物学的角度讲,个体对于客观存在的认知或判别取决于他所接收的刺激,假设缸中脑生成一系列测试用反应用于检测自身的认知,同时系统又能及时给予相应的刺激作为回应,此时问题的症结就不在于缸中脑对于世界的认知,而在于观察者自身对于世界的认知。自身存在的客观性被质疑,在一个完全由刺激创造的意识世界中将形成一个悖论。

这个思想实验常被引用来论证一些哲学,如知识论、怀疑论、唯我论和主观唯心主义。

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认为自己正在划船的缸中之脑。Credit: Wikipedia


2.日本科学家取得突破

但近日,由日本研究人员主导的一项干细胞研究报告发出了一些严重的警告。这是世界上第一次研究,能够仔细描述从大脑器官中生长出来的神经元的电颤振。他们发现这些神经元自发地形成了长距离的连接,使它们能够同步放电。

“捆绕在一起”是神经科学中学习行为的一个基本条件。因为实验室培育的迷你大脑中的神经元可以同步它们的活动,就像我们大脑中的神经元一样连接起来。所以很有可能,当大脑块更成熟时,它们有能力支持更高的认知功能。

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科学家们现在可以克隆类脑器官。Credit:Sudowoodo / Shutterstock.com

需要说明的是,这并不意味着类有机物是有意识的,甚至能“思考”。研究小组并没有测量整个微型大脑的神经活动,而是在进行任何测试之前,用化学方法对它们进行解剖,以便在培养皿中进一步生长出单个神经元。换句话说,他们从一个微型大脑中取出神经元,把它们的组织“平展”到一个培养皿上,在这个装置中梳理出它们的连接和活动。

谁也不清楚,这些结果将如何最终转化为一个成熟的迷你大脑。但是这种扁平的有机组织的复杂性让整个团队措手不及。神经元不仅形成了长距离的连接,保持各自特有活动,同时还能同步放电。更重要的是,当使用增强或减弱网络强度的药物治疗时,它们也做出了同样的反应。

这些并不意味它们是有意识的。相反,这表明来自培养的微型大脑的神经元有能力自发地形成电信号模式,而这些模式与记忆功能所需的电信号模式有相似性。

这项研究的作者们最大的贡献是提出了一个新的系统,它将鼓励科学家更深地研究他们培养的大脑器官神经元——也许能有助于发现与自闭症或其他复杂发育障碍相关的突变。

京都大学的俊高桥(Jun Takahashi)博士在一场新闻发布会上说:“因为它们可以模仿大脑的发育,所以大脑的类器官可以代替人脑来研究复杂的发育和神经紊乱。使用我们的方法,将有可能分析大脑功能中的细胞活动模式,从而进一步探索这些区域。”

3.他们做了什么

研究小组开始全面研究微型大脑活动的机制。虽然可以使用多种化学传感器来监测整个微型大脑内的神经放电,但要了解哪些神经化学物质负责将电从一个神经元“传播”到另一个神经元并不容易。

这就是为什么研究人员们采用了一种激进的方法:他们没有保持微型大脑的完整,而是将神经元解剖出来,“移栽”到培养皿中,并监控这些神经元如何进一步成熟成簇、建立联系。

研究小组立刻注意到,这些神经元非常健康——它们可以存活一年,比传统的微型大脑培养的存活时间要长得多。这些集群彼此之间形成了长期的联系,并形成了各自的特征。一些神经元变得兴奋,因为它们会释放出化学物质,增加邻近神经元的活动;另一些则变得抑制,因为它们能抑制其他神经元的兴奋。

移植一周后,解剖的神经簇自发形成多个网络。研究小组利用对神经活动敏感的染料,发现在单个电峰的顶部,整个网络中都存在同步波。作者解释说,这种模式让人想起我们大脑中的神经元在“记录”记忆时是如何协调的。

然后,在多种研究药物的帮助下,他们梳理出神经网络中主要的兴奋性和抑制性化学物质,而这些化学物质恰好与我们的大脑相同。当使用药物人工阻断神经活动时——类似于那些预防癫痫发作的药物——也促使微型大脑神经元安静下来。

尽管之前科学家们怀疑微型大脑神经网络可以编码信号(而不是纯粹的噪音),但在适当的情况下,他们证明了,至少在神经化学层面、在解剖之后,它们是人类大脑最基本的连接。

“我们创造了一个新的功能分析工具,来评估某个特点区域网络活动的综合动态变化,其中涉及到至少1000个细胞的活动,” 现在在索尔克研究所工作的研究作者英也坂口(Hideya Sakaguchi)博士解释说。“我们相信,我们的工作使广泛评估人类细胞衍生神经活动成为可能。

4.微型大脑能连贯地“说话”吗?

这并不是第一次有人试图破译大脑中的微型对话。

从天然或诱导的干细胞中生长出来,这些三维培养物在动态的生长液和氧气桶中迅速膨胀。虽然它们可以被诱导成类似于大脑的许多部分,但最受欢迎的是自组织的微型大脑,它长得像我们大脑的最外层——皮层。

通过复杂的基因组和分子分析,科学家们已经表明,这些微小的碎片最终会产生与怀孕中期胎儿相同的神经元,同时形成皮层特有的层状蛋糕结构。尽管在显微镜下看起来像扭曲的弗兰肯斯坦(Frankensteinein,同名小说里的人造怪兽),但它们仍然形成了活跃的神经网络。

由于它们非常像胎儿的大脑,脑类器官被认为是研究神经发育障碍而不存在伦理难题的完美对象。2018年,来自圣地亚哥的一个团队将人类来源的微型大脑移植到老鼠的头骨中,希望在半自然环境中进一步培育它们。

这个实验让生物伦理学家们惊慌失措:微型大脑不仅成熟了,而且控制了老鼠的循环系统来养活自己;它们还与老鼠自己的神经元在一个混合网络中形成功能突触,并一起激活。

几个月后,另一个团队提供了证据,证明微型大脑的电活动与早产儿的类似。利用脑电图(EEG),研究小组捕捉了6个月大的迷你大脑组织的表面电活动,并在怀孕大约30周后记录了与胎儿异常相似的活动——不可预测的、混沌的同步电活动爆发。

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▲通过大脑器官的切片显示,在结构的外缘有更成熟的皮质神经元。Credit: Muotri Lab/UC San Diego

目前的研究进一步搅乱了科研伦理领域。尽管和之前的研究一样,微型大脑的电活动与人类大脑活动相似,但我们仍然很难判断这两者是否在做同样的事情——也就是说,它们是否都支持构成思维和意识基础的连贯电信号。 

要证明它们是相同的会很困难,部分原因是研究人员对婴儿的大脑是如何连接的知之甚少,主要原因是我们仍然不明白意识是如何产生的。一种想法是使用与学习相关的各种生物化学标记来检查微型大脑在受到新刺激时是否能“学习”。

对于日本团队来说,这个问题没有意义,因为微型大脑缺乏来自环境的输入。坂口说:“意识需要主观体验,没有感觉组织的大脑类器官将不会有感觉输入和运动输出。”

然而,随着技术进步使微型大脑得以进一步发展,这个问题无疑将变得越来越棘手。如果意识确实自发地从我们大脑中复杂的递归连接中产生,我们没有理由相信它不会在足够复杂的脑类器官中产生。

坂口承认说:“如果具有输入和输出系统的脑类器官发展出需要道德考虑的意识,对这些脑类器官的基础和应用研究将成为一个巨大的伦理挑战。”

参考资料:

https://singularityhub.com/2019/07/03/could-lab-grown-brains-develop-consciousness/

https://www.nature.com/articles/d41586-018-07402-0

https://singularityhub.com/2019/06/27/scientists-can-now-clone-brain-organoids-heres-why-that-matters/

https://en.wikipedia.org/wiki/Brain_in_a_vat


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