Nature：实验室培育的大脑可以拥有意识吗？

时间 2021-06-09 标签人工智能大数据编程语言微软 java

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编译 | 朱科锦、lin

一直以来，对于科学家来说，人脑都是一个神奇的存在，关于人脑的研究也层出不穷。

近几年，随着人工智能的发展，很多科学家都在努力探索，未来机器人是否能拥有意识？未来或许可以，这就需要我们先对人脑进行更进一步的研究。

加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的神经科学家Alysson Muotri 提出了这样两个问题：细胞团和离体的大脑是否是有意识的；科学家该如何判断它们是否有意识。

Muotri发现了一些不寻常的方式来培育人脑器官。他将脑器官与行走的机器人连接起来，用尼安德特人（Neanderthal ）的基因修改器官的基因组，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类似人类的人工智能系统。和许多科学家一样，Muotri暂时转而研究COVID-19，他利用脑器官来测试药物对SARS-CoV-2冠状病毒的表现。

但有一项实验比他的其他实验引起了更多的关注。2019年8月，Muotri的小组在《细胞干细胞》（Cell Stem Cell）上发表了一篇论文，文中提到他们创建了一种能产生类似于在早产儿中看到的协调的活动波的人类大脑器官体（1）。在该团队结束实验之前，这种波持续了几个月。

这种全脑协调的电活动是有意识的大脑的特性之一。该团队的发现导致伦理学家和科学家提出了一系列道德和哲学问题，即是否应该允许有机体达到这种程度的发展水平，"有意识 "的有机体是否有权获得其他细胞团所没有的特殊待遇和权利，以及意识是否可以被人类创造出来。

无身体、有自我意识的大脑的想法已经存在于许多神经科学家和生物伦理学家的脑海中。就在几个月前，位于康涅狄格州纽黑文市的耶鲁大学的一个团队宣布，他们让几个小时前被杀死的猪的大脑恢复了部分生命。通过从猪的头骨中取出大脑，注入一种化学混合试剂，研究人员恢复了神经元的细胞功能和传递电信号的能力（2）。

其他实验，如在小鼠大脑中添加人类神经元，引起了一些质疑。一部分科学家和伦理学家认为不应允许这些实验的存在。

这些研究为那些希望避免创造意识的人和那些将复杂的器官有机体视为研究毁灭性人类疾病的工具的人之间的辩论奠定了基础。Muotri和许多其他神经科学家认为，人类大脑器官体可能是理解自闭症和精神分裂症等人类独特病症的关键，这些病症不可能在小鼠模型中进行详细研究。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。

研究人员现在呼吁制定一套类似于动物研究中使用的指南，以指导大脑器官的人性化使用以及其他可以实现意识的实验。6月，美国国家科学、工程和医学研究院开始了一项研究，目的是概述与脑器官和人兽嵌合体相关的潜在的法律和伦理问题。

对实验室培育大脑的担忧也凸显了一个盲点：神经科学家没有一致的方法来定义和测量意识。如果没有一个可行的定义，伦理学家担心将无法在实验越线之前阻止这些实验。

目前的一些实验可能会放大这个问题。英国布莱顿（ Brighton）附近的苏塞克斯（Sussex ）大学的认知神经科学家Anil Seth说，如果科学家们确信一个有机体已经获得了意识，他们可能需要赶紧就意识是如何产生的理论达成一致。但是，他说，如果一个人青睐的理论认为机体有意识，而另一个人的理论则认为没有，那么任何关于意识已经出现的信心都会消失。"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。"

感知状态

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为了各种目的，用许多不同的方式来定义意识。所以，很难把它们综合成一个精简的实际的定义来决定一个实验室培育大脑的状态。

医生一般根据患者对疼痛或其他刺激是否眨眼或退缩来评估处于植物人状态的患者的意识水平。此外，利用脑电图（EEG）读数，研究人员还可以测量大脑对电脉冲的反应。比起无意识大脑的简单，有规律的活动模式，有意识的大脑将显示更复杂且不可预测的电活动。

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，科学家们已经发现，没有反应的人可以显示出一些类似意识的大脑活动 —— 比如当被要求思考走路时，运动区域出现的活动（3）。

▲在发育中的人类大脑器官中，前神经元细胞（红色）变成了神经元（绿色），并被连接成网络（白色）。图片来源：Muotri实验室/加州大学圣地亚哥分校。

在任何情况下，标准的意识医学测试都很难适用于生长在培养皿里的脑细胞，或者是脱胎换骨的动物大脑。当Muotri提出他的有机体的放电模式和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。而有机体不能眨眼，也不能对痛苦的刺激产生反感，所以它们不会通过意识的临床测试。

相比之下，最近被杀的猪的完整大脑更有可能拥有意识的必要结构，以及动物活着时的记忆和经历所创造的神经线路。马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的哲学家和神经伦理学家 Jeantine Lunshof 说：“想想一个已经被这些东西填满的大脑，很难想象那个大脑会是空的。” Lunshof补充道：“他们在思维方面能做什么我不知道，但肯定不是空无一物。” 像耶鲁大学团队那样，让死掉的大脑恢复一丝生机，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化学阻断剂来防止全脑活动从而避免这种情况。

研究人员同意他们需要认真对待这些研究提出的问题。2019年10月，加州大学圣地亚哥分校召开了一次由十几位神经科学家和哲学家以及学生和公众组成的会议，打算为未来的实验建立并发布一个伦理框架。但该论文已经被推迟了几个月，部分原因是几位作者无法就意识的基本要求达成一致。

越发复杂的理论

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，哪些关于意识的理论最相关。例如，根据一种叫做整合信息理论的观点，意识是整个大脑中神经元网络密集连接的产物。彼此互动的神经元越多，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标准。位于华盛顿州西雅图的Allen 脑科学研究所的主席Christof Koch认为任何现有的有机体都达不到这个门槛，但他承认，一个更先进的有机体可能会达到这个标准。

其他竞争性的意识理论提到了感觉输入或跨多个大脑区域的协调电模式。例如，一种被称为全局工作空间理论的想法认为，大脑的前额叶皮层作为一台计算机，处理感觉输入并解释它们以形成存在感。因为有机体没有前额叶皮层，不能接受输入，所以不能成为意识。英国剑桥大学发育生物学家Madeline Lancaster说：“如果没有输入和输出，神经元之间可能会相互交谈，但这并不能代表人类的思想。“

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，兰开斯特的团队在老鼠脊柱和背部肌肉旁边培育了人类大脑器官。当来自人体器官的神经与脊柱相连时，肌肉就开始自发地收缩。

▲发育生物学家玛德琳·兰开斯特在英国剑桥大学的实验室里通过类器官研究大脑组织和紊乱。来源UK.Credit: Felicity McCabe

大多数类器官的形成只是为了复制大脑的一部分——皮层。但是，如果人类干细胞发育的时间足够长，并且有了合适的生长因子，它们就会自发地重建大脑的许多不同部位，然后这些部位就会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保拉·阿罗塔(Paola Arlotta)诱导干细胞发展成由多种不同细胞类型组成的脑器官，包括视网膜中发现的那种光敏细胞。当接触到光时，类器官中的神经元开始放电。但事实上，这些细胞是活跃的，并不意味着类器官可以看到和处理视觉信息，Arlotta说。这仅仅意味着它们可以形成必要的电路。

阿罗塔和兰开斯特认为他们的器官体太原始，无法产生意识，因为他们缺乏创造复杂脑电图模式所必需的解剖结构。尽管如此，兰开斯特承认，对于高级类器官来说，这取决于它的定义。她说:“如果你认为一只苍蝇是有意识的，那么类器官也可能是有意识的。”

然而，兰开斯特和大多数其他研究人员认为，像活化的猪脑这样的东西比类器官更有可能获得意识。由神经科学家Nenad Sestan领导的研究猪大脑的团队，试图找到恢复器官活力的新方法，而不是创造意识。研究人员能够让单个神经元或神经元群被**，并小心地尝试避免产生广泛的脑电波。然而，当Sestan的团队在其中一个大脑中看到类似协调的脑电图活动时，他们立即停止了这个项目。即使在神经学专家确认这种模式与意识不一致之后，研究小组还是对大脑进行了麻醉，作为预防措施。

Sestan还联系了美国国家卫生研究院(NIH)以获得如何进行的指导。该机构的神经伦理小组，包括伦肖夫和俄亥俄州克利夫兰凯斯西大学(Case Western University)的生物伦理学家因苏泫(Insoo Hyun)，评估了这项工作，并同意Sestan应该继续麻醉大脑。但是，该小组还没有制定出更通用的规定，也没有例行要求对类器官的提案进行生物伦理评估，因为其成员认为意识不太可能产生。美国国家卫生研究院也没有给意识下一个定义。Hyun说：“它非常灵活，每个人都有自己的意思。”“如果不清楚我们谈论的是同一件事，这是一个大问题。”

▲神经学家Nenad Sestan使用BrainEx平台恢复了离体猪大脑的神经活动。
来源:《自然》杂志的杰西·温特

模糊的定义

一些人认为，即使是试图在任何一种实验室保存的大脑中识别意识也是徒劳的。“鉴于我们不了解意识，就不可能说这些脑细胞所能想到或感知的是一些有关意识的存在”,比利时列日大学的神经学家Steven Laureys说,他开创了一些在人们处于植物人状态时成像进行措施的意识。“我们不应该太傲慢。”他说，进一步的研究应该非常谨慎地进行。

Laureys和其他人指出，类器官的体验可能与早产儿、成人或猪的体验非常不同，并不能直接拿来比较。此外，类器的结构可能太小而无法精确测量它们的活动，而类器和早产儿大脑的脑电图模式之间的相似性可能只是巧合。其他研究类脑器官的科学家也同意Laureys的观点，即一个系统是否是有意识的这个问题是无法回答的。许多人完全避免这个想法。“我不知道我们为什么要问这个问题，因为这个系统不是人类的大脑，”加利福尼亚州斯坦福大学的神经科学家Sergiu Pasca说。“它们是由神经元组成的，神经元有电活动，但我们必须仔细考虑如何比较它们。”

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疾病并找到治疗方法。他的动机是出于个人原因:他14岁的儿子患有癫痫和自闭症。“他努力地与生活抗争，”Muotri说。类脑器官是一个很有前途的途径，因为它们再现了大脑连接的最早阶段，而这在人类胚胎发育时是不可能研究的。但是他说，在没有一个完全功能的大脑的情况下研究人类的大脑疾病，就像研究一个不能产生胰岛素的胰腺。“要做到这一点，我需要一个真正像人类大脑的大脑器官模型。我可能需要一个有意识的器官。

Muotri说他不知道用什么定义来决定一个类器官是否达到意识。他说，在某种程度上，类器官甚至可以帮助研究人员回答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的类器官中的神经活动，以开发一种描述大脑如何产生意识的算法。他的项目部分由微软资助，其目标是创造一个像人类意识一样工作的人工系统。

目前，美国和欧洲都没有规定可以阻止研究者创造意识。美国国家科学院小组计划明年初发布一份报告，概述最新的研究，并就是否需要制定相关法规做出判断。成员们计划在一些问题上发表意见，比如是否要获得人们的同意将他们的细胞发展成脑类器官，以及如何人道地研究和处理类器官。国际干细胞研究学会也在研究类器官的指导方针，但没有提到意识，因为它认为科学还没有做到这一点。

Hyun说，美国国立卫生研究院的神经伦理小组还没有看到任何关于创造复杂、有意识的类器官的建议，这将需要新的指导方针。Muotri说，他也不知道还有谁在故意尝试创造有意识的类器官，尽管根据某些定义，一个足够复杂的类器官可能偶然地达到这种状态。

不过，Muotri和其他人说，他们欢迎一些指导方针。这可能包括要求科学家证明他们使用的人类大脑器官的数量，只将它们用于无法以任何其他方式进行的研究，限制可能施加在它们身上的痛苦，以及人道地处理它们。

提前提出这样的建议将有助于研究人员权衡创建有意识实体的成本和收益。许多研究人员强调，这样的实验有可能产生重要的见解。兰开斯特说:“有一些真正有意识的人患有神经紊乱，却没有治疗方法。”“如果我们真的因为这个哲学思维实验而停止所有的研究，”她补充说，“那将对真正需要一些新疗法的人来说是非常坏的消息。”

然而，治疗方法仍然可以在用老鼠干细胞制成的脑器官组织或常规的动物模型中进行测试。这样的实验也可以为有关使用人体类器官的伦理讨论提供信息。例如，Hyun希望看到研究人员将鼠脑类器官的脑电图模式与活鼠脑类器官的脑电图模式进行比较，这可能表明人类类器官如何很好地再现人类大脑。

在Muotri看来，研究人体类器官组织和实验小鼠没有什么区别。“我们使用的动物模型是有意识的，没有问题，”他说。“我们需要前进，如果结果证明他们有了意识，老实说，我不认为这有什么大不了的。”