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  • 魂魄拷问:实验室创造出的大脑会有认识吗?

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

    在Alysson Muotri的试验室里,数百个芝麻大小的微型人脑漂浮在造就皿中,闪烁着电运动的火花。

    这些细小的构造被称为大脑类器官(brain organoid),是运用人体干细胞造就出来的,已成为很多试验室研讨大脑特征的罕见东西。作为加州大学圣迭戈分校的一位神经科学家,Muotri已找到了一些差别寻常的体式格局来布置大脑类器官。他将类器官与行走的机器人衔接起来,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,并将它们作为模子来开发更像人类的人工智能体系。和很多科学家一样,Muotri临时转而研讨新冠肺炎,运用大脑类器官来测试药物对新冠病毒的治疗效果

    但有一项试验比其他试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)上宣告了一篇论文,报告制造出了能发生谐和运动波的人脑类器官——类似于在早产儿中看到的运动波[1]。这些波延续了几个月,直到课题组住手了试验。

    这类全脑谐和的电运动是大脑有认识的特征之一。该团队的发明令伦理学家和其他科学家提出了一系列伦理和哲学问题,即是不是应当许可类器官到达这类高等发育水平,“有认识”的类器官是不是大概有权享有其他细胞团所没有的特别报酬和权益,以及认识是不是存在从零入手下手被制造的大概性。

    很多神经科学家和生物伦理学家已设想过一个无身材而有自我认识的大脑了。就在几个月前,耶鲁大学的一个团队宣告,他们最少部份恢复了殒命几小时后的猪的大脑的生机。研讨人员先掏出猪脑,给它们注入化学“鸡尾酒”,末了恢复了神经元的细胞功用和通报电信号的才[2]

    其他的试验,如在小鼠大脑中增加人类神经元,引起了人们的质疑;一些科学家和伦理学家认为,这些试验不该当被许可睁开。

    这些研讨在两群人中心拉开了论争:一方愿望防备制造认识,另一方认为庞杂的类器官是研讨破坏性人类疾病的一种手腕。Muotri和很多其他神经科学家认为,人脑类器官多是明白自闭症和精神分裂症等人类独占病症的症结,这些病症不大概在小鼠模子中举行细致的研讨。Muotri说,为了完成这一目标,他和其他人大概须要锐意制造认识。

    如今,研讨人员号令制订一套类似于动物研讨所采纳的原则,指点研讨人员以人性的体式格局运用大脑类器官,并睁开其他可以完成认识的试验。6月,美国国度科学、工程和医学研讨院启动了一项研讨,目标是归纳综合与大脑类器官和人兽嵌合体(human–animal chimaera)相干的潜伏执法及伦理问题。

    关于试验室造就的大脑的忧郁也凸显了一个盲点:神经科学家没有约定一致的要领来定义和丈量认识。假如没有一个可行的定义,伦理学家忧郁没法在试验越界之前加以阻挠。

    现在的一批试验大概会迫使科学家们做出决议。英国苏塞克斯大学的认知神经科学家Anil Seth说,假如科学家们确信一个类器官已获得了认识,他们大概须要赶忙在理论上就认识的发生杀青一致看法。然则,他说假如一个人所持的理论揣摸类器官有认识,而另一个人的理论则揣摸它没有认识,那末任何关于认识已被制造出来的自信心都邑消逝。“自信心在很大水平上取决于我们置信什么理论。这是一个轮回。”

    知觉状况

    竖立一个认识体系大概比定义它要轻易很多。研讨人员和临床大夫依据差别的目标,用很多差别的体式格局来定义认识,但很难将它们整合成一个划一的操作性定义,来剖断一个试验室造就的大脑的状况。 

    大夫平常依据患者是不是对痛楚悲伤或其他刺激作出回响反映,比方眨眼或畏缩,来评价处于植物人状况的患者的认识水平。比方,运用脑电图(EEG)读数,研讨人员还可以丈量大脑在被电脉冲刺激时的回响反映。一个有认识的大脑会显现更加庞杂、不可展望的电运动,而假如是一个无认识的大脑,它的回响反映是简朴、有规律的形式。

    但这类测试大概没法充足探讨一个人是不是缺少认识。在对处于晕厥或植物人状况的人举行的脑成像研讨中,科学家们已表明,无回响反映的人可以显现出一些让人联想到认识的大脑运动——比方运动脑区在被请求思索走路时的运动[3]

    魂魄拷问:实验室创造出的大脑会有认识吗?插图

    在发育中的人脑类器官中,神经元前体细胞(赤色)变成了神经元(绿色),神经元衔接成收集(白色)。泉源:Muotri试验室/加州大学圣迭戈分校。

    不管在什么状况下,规范的认识医学测试都很难适用于造就的脑细胞或离体的动物大脑。当Muotri提出他的类器官的放电形式和在早产儿中看到的一样庞杂时,人们不知道该怎样对待这个问题。一些研讨人员认为早产儿的大脑运动并不庞杂,不足以被归类为有认识。而类器官不能眨眼,也不能对痛楚的刺激做出回响反映,所以它们也通不过临床认识测试。

    相比之下,刚被杀的猪的完整大脑更有大概具有发生认识的必要构造,而且具有它在世时的影象和阅历所制造的神经衔接。“想一想一个已被这些东西填满的大脑,很难设想它会变得空空如也。”哈佛大学的哲学家和神经伦理学家Jeantine Lunshof说。“它们在头脑方面能做什么,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份生机,也许有大概恢复肯定水平的认识,只管科学家们挖空心思地运用防备全脑运动的化学阻断剂来防备这类状况。

    研讨人员一致认为,他们须要认真对待这类研讨所带来的这类大概性。2019年10月,加州大学圣迭戈分校召开了一场集会,旨在为将来试验竖立和宣布一个伦理框架,共有十几位神经科学家和哲学家以及一些门生和民众列入。但终究论文已推迟了几个月,部份原因是几位作者没法就认识的基本请求杀青一致看法。

    愈来愈庞杂

    险些一切的科学家和伦理学家都认为,到现在为止,还没有人在试验室里制造出认识。但他们都在问本身,要注意什么,哪些认识理论大概最相干。比方,依据一种叫做整合信息理论(integrated information theory)的看法,认识是全部大脑神经元收集衔接有多麋集的效果。相互交互的神经元越多,认识的水平就越高,这个量被称为“phi”。假如phi大于零,生物体就被认为是有认识的。 

    依据该理论,大多数动物都能到达这个门坎。美国西雅图的艾伦脑科学研讨所所长Christof Koch不置信任何已有的类器官能到达这个门坎,但他认可,一个更先进的类器官大概到达。

    其他竞争性的认识理论请求感官输入或跨多个脑区的谐和电形式。比方,一种被称为全局事情空间理论(global workspace theory)的看法认为,大脑的前额皮质就像一台计算机——措置惩罚觉得输入并诠释它们,从而构成一种存在感。由于类器官没有前额皮质,不能接收输入,所以不能变得有认识。英国剑桥大学的发育生物学家Madeline Lancaster说:“假如没有输入和输出,神经元之间大概也会有相互作用,但那并不肯定意味着任何像人类头脑一样的东西。”

    但是,将类器官与器官衔接起来,多是一项相称简朴的使命。2019年,Lancaster的团队在小鼠脊柱和背部肌肉旁边造就了人脑类器官。当人脑类器官的神经与脊柱衔接后,肌肉入手下手自觉压缩[4]

    魂魄拷问:实验室创造出的大脑会有认识吗?插图1

    英国剑桥大学的发育生物学家Madeline Lancaster在试验室里运用类器官研讨大脑构造和疾病。泉源:Felicity McCabe。

    大多数类器官只能复制大脑的一个部份——皮质。但假如它们发育的时候充足长,而且运用正确的生长因子,人类干细胞就会自觉地重现大脑的很多差别部份,然后入手下手谐和它们的电运动。在2017年宣告的一项研讨中,哈佛大学的份子生物学家Paola Arlotta引诱干细胞发育成由很多差别范例的细胞构成的大脑类器官,个中包含像视网膜中的那些光敏细胞[5]。暴露在光线下时,类器官中的神经元入手下手放电。但这些细胞坚持活泼的现实并不意味着类器官可以看到和措置惩罚视觉信息,Arlotta说。那仅仅意味着它们可以构成必要的电路。

    Arlotta和Lancaster认为他们的类器官太原始了,不大概有认识,由于它们缺少必要的剖解构造来竖立庞杂的脑电形式。不过,Lancaster照样认可,关于高等的类器官来讲,这就要看详细定义了。“假如你认为一只苍蝇是有认识的,那末你可以设想一个类器官也是有认识的。”她说。

    不过,Lancaster和其他大多数研讨人员认为,回生猪脑这类对象比类器官更轻易发生认识。由神经科学家Nenad Sestan指导的猪脑研讨小组,目标是找到回生器官的新要领,而不是制造认识。研讨人员可以让单个神经元或神经元组放电,并战战兢兢地试图防备发生大范围的脑电波。不过,当Sestan的团队在个中一个大脑中看到貌似谐和的脑电运动时,他们马上住手了这个项目。纵然在神经学专家确认该形式与认识不一致后,为了以防万一,该小组照样对大脑举行了麻醉。

    Sestan还联系了美国国立卫生研讨院(NIH),追求关于后续事情该怎样睁开的指点看法。研讨院的神经伦理学小组,包含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,评价了这项事情,并一致认为Sestan应当继承麻醉研讨用的大脑。但该评价小组还没有制订更通用的划定,也没有例行请求对类器官课题举行生物伦理学评价,由于其成员认为认识是不太大概发生的。NIH也没有就认识的定义杀青一致。“这真的很天真,每个人都有本身的定义,”Hyun说,“假如不能肯定我们说的是统一件事,沟通就成了大问题。” 

    魂魄拷问:实验室创造出的大脑会有认识吗?插图2

    神经科学家Nenad Sestan运用BrainEx平台来恢复离体猪脑的神经运动。泉源:Jesse Winter for Nature。

    定义隐约

    有些人以至认为,尝试在任何一种试验室保护的大脑中辨认认识都是白费的。比利时列日大学的神经学家Steven Laureys说:“鉴于我们不相识认识,我们基础不大概说出这些脑细胞束能思索或感知什么。”他领先对植物人举行了一些基于成像的认识丈量。“我们不该当太自豪。”他说,应当异常郑重地睁开进一步的研讨。 

    Laureys等人指出,类器官的阅历很大概与早产儿、成年人类或猪的阅历有很大差别,不能直接比较。另外,类器官中的构造大概太小,没法正确丈量其运动,而类器官的脑电形式与早产儿大脑的相似性大概只是偶合。其他措置大脑类器官研讨的科学家也赞同Laureys的看法,即一个体系是不是有认识的问题多是没法回覆的。很多人完整逃避这个看法。“我不知道为何我们要问这个问题,由于这个体系不是人类的大脑,”斯坦福大学的神经科学家Sergiu Pasça说,“它们是由神经元构成的,神经元有电运动,但我们必需细致思索怎样比较它们。”

    Muotri愿望他的类器官体系最少在某些方面可以与人类大脑相媲美,如许他就可以研讨人类的疾病并找到治疗要领。他有个人效果:他14岁的儿子得了癫痫和自闭症。“他的生活中充溢难题。”Muotri说。大脑类器官是一个很有远景的研讨通道,由于它们再现了大脑衔接的最早阶段,这在人类胚胎发育时是不大概研讨的。但他说,在没有一个功用完整的大脑的状况下研讨人类大脑疾病,就像研讨一个不发生胰岛素的胰腺一样。“为了到达这个目标,我须要一个真正类似于人脑的大脑类器官模子。我大概须要一个会变得有认识的类器官。”

    Muotri说,他不知道运用哪一种定义来剖断一个类器官是不是到达认识状况。他说,在某一刻,类器官以至大概协助研讨人员回覆关于大脑怎样发生认识状况的问题。比方,加州大学圣迭戈分校的数学家Gabriel Silva正在研讨Muotri的类器官的神经运动,以开发一种形貌大脑怎样发生认识的算法[6]。他的项目由微软供应部份赞助,目标是制造一个像人类认识一样事情的人工体系。

    现在,不管是美国照样欧洲,都没有阻挠研讨人员制造认识的划定。美国国度科学院评价小组设计在明年初宣布一份报告,概述最新的研讨状况,并对是不是须要出台划定做出推断。成员们设计斟酌的问题包含:是不是须要征得一个人的赞同才将其细胞造就成大脑类器官;怎样人性地研讨和措置类器官等。国际干细胞研讨学会也在制订类器官指南,但没有触及认识问题,由于它认为相干研讨还不成熟。 

    Hyun说,美国国立卫生研讨院神经伦理学小组还没有看到任何要制造庞杂、有认识的类器官的研讨设计——假如涌现这类研讨,就意味着必需制订新的指南。Muotri说,他不知道另有谁想锐意制造有认识的类器官,虽然依据某些定义,一个充足庞杂的类器官大概会有时到达认识状况。

    不过,Muotri等人示意,他们照样迎接一些指点方针——包含请求科学家申明他们运用的人脑类器官的数目;只用于不能以任何其他体式格局举行的研讨;限定大概对它们形成的痛楚水平;人性地措置它们。

    提早制订如许的指南,将有助于研讨人员衡量制造认识实体的本钱和收益。很多研讨人员强调,这类试验有大概带来主要的洞察。“有一些真正有认识的人得了神经体系疾病,但没有治疗要领。”Lancaster说。“假如我们真的由于哲学头脑试验而住手了一切这些研讨,”她补充道,“那将会对那些确切须要某种新型治疗要领的现实人类异常不利。”

    但是,治疗要领仍可在运用小鼠干细胞制成的大脑类器官或一般的动物模子中举行测试。如许的试验也可认为缭绕人体类器官的伦理运用的议论供应信息。比方,Hyun愿望看到研讨人员将小鼠大脑类器官的脑电图形式与活体小鼠的脑电图形式举行比较,这也许能展现人体类器官能在多大水平上再现人类大脑。

    Muotri认为研讨人体类器官和研讨试验室小鼠险些没有区分。“我们在研讨中运用的是有认识的动物模子,但这没有任何问题。”他说,“我们须要向前进,假如末了类器官变得有认识,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?为标题宣告在 2020年10月27日的《天然》批评版块

    本文来自微信民众号:Nature天然科研(ID:Nature-Research),原文作者:Sara Reardon

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