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实验室培育的大脑类器官具有意识吗?

时间:2020-11-17 09:56:46 来源:科技时尚界 浏览次数:18 我来说两句(0) 字号: T T

实验室培育的大脑类器官具有意识吗?

北京时间11月17日消息,据国外媒体报道,部分科学实验产生一些问题:一堆细胞和“无实体”的大脑是否具有感知能力?科学家如何知道它们具有感知能力?

更直接地讲,许多科学家希望知道实验室培育的大脑组织是否具有意识?在阿里森·穆特里的实验室,数百个芝麻粒大小的人类大脑微结构漂浮在培养皿中,伴随通电产生火花。

这些被称为大脑类器官的微小结构是从人类干细胞中培育出来的,现已成为许多研究大脑特性的实验室目标。穆特里是美国加州大学圣地亚哥分校神经科学家,他发现了一些不同寻常的方法进行验证分析。他将大脑类器官连接至行走机器人,使用尼安德特人的基因修改了大脑类器官的基因组,然后将行走机器人发送至国际空间站,使用它们作为模型开发更像人类的人工智能系统。和许多科学家一样,穆特里暂时将研究重点转向了新冠病毒,利用大脑类器官来测试药物对抗新冠病毒的效果。

但是一项实验非常重要,2019年8月,穆特里研究小组在《干细胞》杂志上发表一篇论文,指出大脑类器官能产生协调的活动波,类似于早产儿的脑波活动,并且该现象持续了几个月,直到研究小组停止了该实验。

这种全脑范围、协调性的电活动是有意识大脑的特性之一,伦理学家和科学家领导研究小组的发现引发一系列关于是否大脑类器官应该达到这种先进程度的道德和哲学问题,是否“有意识”类器官有权获得特殊待遇,以及是否给予其他细胞“一定权利”,使意识从头开始创建成为可能。

许多神经科学家和生物伦理学家已经开始思考无形体、有自我意识的大脑概念,就在几个月前,美国耶鲁大学一支研究小组宣称,我们已至少部分恢复了几个小时前被宰杀猪的大脑。通过将猪脑从头骨中取出,并注入一种化学混合物,研究人员恢复了神经元的细胞功能和传输电信号的能力。

其他一些实验,例如:在老鼠大脑中加入人类神经元,也引发了诸多争议,一些科学家和伦理学家认为这样的实验应当禁止。

目前这些研究已为一场辩论奠定了基础,辩论一方希望避免创造有意识的类器官,而另一方希望将复杂的类器官作为研究人类致命疾病的一种手段。穆特里和其他许多神经科学家认为,人类大脑类器官可能是理解自闭症和精神分裂症等特殊人群的关键,这些情况不可能在实验老鼠身体上展开详细研究。为了达到这个目标,他和其他研究人员可能需要有意地创造“人类意识”。

当前研究人员呼吁制定一套指导方案,类似于在动物研究中使用的准则,指导人们对大脑类器官的“人道使用”,以及进行其他可以创造人类意识的实验。今年6月,美国国家科学、工程和医学科学院开始一项研究,目的是分析大脑类器官和人-兽杂合体相关的潜在法律和伦理问题。

对实验室培育的大脑类器官的担忧也凸显一个盲点:神经科学家还没有将定义和测量意识达到一致,如果没有一个有效的定义,伦理学家担心在获得突破性进展之前很难阻止实验室进行各种试验。

当前一系列实验可能会推动该问题的解决,英国苏塞克斯大学认知神经科学家安尼尔·赛斯说:“如果科学家确信有机生物体能获得意识,他们可能需要加快研究速度,并就该实验如何发生形成一套理论方案。”

但是他强调称,如果某人倾向认为类器官有意识的理论,而另一些人不这样认为,那么类器官有意识的任何信心将产生动摇,信心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

创建一个有意识的有机生物系统可能比定义该概念更简单,研究人员和临床医师出于不同目的,用许多不同方式来定义意识,但却很难将它们综合成一个简单、可操作的定义,用于决定实验室培育大脑的状态。

医生通常依据病人对疼痛等其他刺激是否会眨眼或者畏惧来评优点植物人的意识水平,例如:利用脑电图读数,研究人员还可以测量大脑在受到电脉冲冲击时的反应,有意识的大脑会比无意识的大脑表现出更复杂、更不可预测的电活动,而无意识的大脑会以简单、有规律的模式做出反应。

但这样的测试可能无法充分探测某人是否缺少意识,在对昏迷或者植物人的大脑成像研究中,科学家表明,没有反应的人大脑中会出现一些让人产生意识的活动,例如:当被要求思考行走时,大脑运动区域开始活跃。

无论如何,对于意识的标准医学测试都很难应用于培养皿中的脑细胞,或者脱离身体的动物大脑组织,当穆特里提出类器官放电模式就像早产儿一样复杂时,人们不确定这是怎么回事。一些研究人员认为,早产儿的大脑活动不够复杂,不足以归类为有意识体。有机器官在痛苦的刺激下不能眨眼或者退缩,所以它们不能通过意识的临床测试。

相比之下,一头刚宰杀猪的完整大脑更有可能拥有必要的意识结构,以及由它活着时的记忆和经历所创建的回路。哈佛大学哲学家、神经伦理学家珍宁·伦舒夫说:“考虑到动物生前大脑充满意识,很难想象它们死后大脑会变成一片空白,我不知道它们在思考方面能做些什么,但肯定不会是零。像耶鲁大学研究小组所做的那样,将一个死亡生物的大脑恢复到类似生命状态,或许有可能恢复一定程度的意识,尽管科学家费尽心思地通过化学阻断剂阻止大脑活动性。”

研究人员表示,他们需要认真对待这些研究提出的可能性。2019年10月,加州大学圣地亚哥分校召开一次专题会议,与会人员包括12名神经科学家、哲学家,以及学生和民众,会议主旨是为未来实验建立和发布一个伦理框架。但是该研究论文推迟了几个月,部分原因是几位作者未对意识概念的基本要求达成一致。

越来越复杂

当科学家和伦理学家被问及实验室培育出生物意识需要注意什么,以及相关的理论概念时,几乎所有的科学家和伦理学家都表示,没有人能在实验室里创造意识。例如:依据整合信息理论观点,意识是大脑神经元网络密集连接的产物。相互作用的神经元越多,意识程度就越高,这个数值等级被称为“phi”,如果phi数值大于0,这个有机体就被认为是有意识的。

依据该理论,许多动物可达到这一阈值。华盛顿州艾伦脑科学研究所所长克里斯多夫·科赫怀疑现有的任何有机体都不能达到这个阈值,但他承认更先进的有机体可能达到该阈值。

其他关于意识的竞争理论则需要感觉输入或者协调大脑多个区域的电模式,例如:一种被称为“全球工作空间理论”的观点认为,大脑前额叶皮层就像一台电脑,处理感觉输入信息,并将其解释为一种存在感。由于类器官没有前额叶皮层,无法正常接收信息,所以它们不具备意识。英国剑桥大学发展生物学家玛德琳·兰卡斯特说:“在没有输入和输出的情况下,神经元可能彼此交流沟通,但这并不一定意味着任何类似人类思想意识的状态。”

然而,将类器官与人体器官连接起来可能是一项非常简单的任务,2019年,伦舒夫带领研究团队在老鼠脊柱和背部肌肉旁培育了人类大脑类器官,当该类器官的神经与脊柱连接时,背部肌肉就会自发地收缩。

事实上,大多数培育的类器官只是为了复制大脑的一部分——皮层组织,但是,如果人类干细胞发育时间足够长,并且拥有合适的生长因子,它们就会自发地重建大脑不同部位,然后这些部位就会开始协调它们的电活动。2017年发表的一项研究表明,哈佛大学分子生物学家保拉·阿罗塔诱导干细胞发展成多种不同细胞类型组成的大脑类器官,包括视网膜中光敏细胞,当接触光时,类器官中的神经元开始放电。但事实上,这些细胞处于活跃状态,并不意味着类器官能够看到和处理视觉信息,这仅仅意味着它们可以必要的电路。

阿罗塔和兰卡斯特认为,他们的类器官太原始,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,兰卡斯特承认,对于高级有机物而言,这取决于意识的定义。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,兰卡斯特和大多数研究人员认为,通过“恢复活力”的猪脑比类器官更有可能产生意识,由神经科学家内纳德·塞斯坦带领研究小组进行猪脑分析,他们试图找到恢复器官活力的新方法,而不是创造意识。研究人员能将单个神经元或者神经元群激活,并小心地尝试避免产生分布较广的脑波。然而,当塞斯坦的研究小组在其中一个大脑中观察到类似协调脑电波活跃度时,他们立即中断试验。甚至在神经学专家确认该工作模式与意识不一致时,研究小组对猪脑进行麻醉,以此作为预防措施。

同时,塞斯坦还联系了美国国家卫生研究院,从中获取了一定的指导经验,NIH下属神经伦理小组,成员包括:哈佛大学哲学家、神经伦理学家珍宁·伦舒夫、凯斯西储大学生物伦理学家Insoo Hyun,他们对塞斯坦的研究项目进行评估分析,认为塞斯坦应该继续麻醉大脑。但是该小组还没有制定更通用的分析报告,也没有例行性要求对有机化合物的提案进行生物伦理评估,因为小组成员认为实验室的有机生物体不太可能产生意识。NIH也没有对意识进行准确的定义。Insoo Hyun说:“意识的概念非常灵活,每个人的思维意识都不相同,如果不清楚我们谈论的是同一件事,将产生很大的思维差异。”

意识的模糊定义

一些人认为,定义任何类型“实验室大脑”的尝试都是徒劳的,比利时列日大学神经学家史蒂芬·洛雷说:“如果我们不理解意识,我们就不可能对这些细胞的思考和感知做出有意义的解释。”据悉,洛雷首创了一些以图像为基础的测量植物人意识的方法,他指出,关于意识的研究不应该过于主观夸大,我们需要进行谨慎的研究。

洛雷和同事指出,类器官可能与早产儿、成年人或者猪不同,无法直接进行对比。此外,类器官的结构可能太小无法精确测量它们的活动状态,而类器官和早产儿大脑的脑电图模式之间的相似性可能仅是一个巧合。其他研究类器官的科学家也同意洛雷的观点,即一个系统是否有意识的这个问题是无法准确回答的。美国斯坦福大学神经科学家塞尔久·帕斯卡说:“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对比它们,分析它们之间的差别。”

穆特里希望他的类器官系统至少在某些方面能与人类大脑相媲美,这样他就可以研究人类疾病并找到相应的治疗方法。他的动机是出于个人原因:他的14岁儿子患有癫痫和自闭症,儿子生活在痛苦之中,一直在与病魔做斗争,类器官非常有发展前景,因为它能再现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。但在没有一个完全功能性大脑的情况下研究人类大脑疾病,就像研究一个不能产生腺岛素的胰腺,要做到这一点,我需要一个真正像人类大脑的器官模型,我可能需要一个有意识的器官。

穆特里称,他不知道用什么描述来确定一个器官是否符合意识定义,在某种程度上,类器官甚至可以帮助研究人员解答大脑如何产生意识状态的问题。例如:加州大学圣地亚哥分校数学家加布里埃尔·西尔瓦正在研究类器官的神经活动,从而开发一种描述大脑如何产生意识的算法。该项目是由微软公司资助,其目标是创造一个像人类意识一样工作的人工系统。

目前,美国和欧洲并未规定禁止研究人员在实验中创造意识形态,美国国家科学院小组计划2021年初发布一份报告,概述最新研究进展,并就是否需要制定相关法规做出判断。该小组成员计划全面分析研究报告并提出一些问题,例如:是否需要获得人们的同意将他们的细胞发育成大脑类器官,以及如何以人道方式研究处理类器官。同时,国际干细胞研究学会也在研究有机化合物的指导方针,但并没有提到意识,因为该机构认为当前的科学技术还未达到这一水平。

凯斯西储大学生物伦理学家Insoo Hyun表示,美国国立卫生研究院神经伦理小组还没有看到任何关于创造复杂、有意识的有机体的建议,这将需要新的指导方针。穆特里指出,他也不知道还有谁在尝试创造有意识的有机生物体,尽管依据某些定义,一个足够复杂的有机体可能偶然达到意识状态。

不过,穆特里和其他研究人员称,我们欢迎一些指导建议。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,这些类器官只有研究用途,不得用于其他领域,这样将限制对类器官造成的伤害,并对类器官进行人道处理。

提出这样的建议将有助于研究人员权衡创造有意识实体的成本和收益,同时,这样的实验可能获得重要发现。洛雷说:“一些有意识的人出现神经紊乱,却没有相应的治疗方法,如果我们真因为这个哲学思维实验而停止所有研究,那将对真正需要新疗法的患者非常不利。”

然而,治疗方法仍可使用老鼠干细胞培育的大脑类器官或者普通动物进行测试,这样的实验也可以为使用人体器官的伦理讨论提供信息。例如:Insoo Hyun希望看到研究人员将老鼠脑类器官的脑电图模式与活鼠进行对比,这将有助于人类类器官如何复制人脑功能。

对穆特里而言,研究人体器官组织或者实验老鼠没有什么区别,他说:“我们使用的动物模型是有意识的,这是没有问题的,我们需要不断进步,如果结果证明它们有意识形态,老实讲,我不认为这有什么惊讶的。”

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