实验室培育的大脑会产生意识吗？

在 Alysson Muotri 的实验室里，数百个微型人类大脑，大小如芝麻，漂浮在培养皿中，闪烁着电活动。这些被称为大脑类器官的微小结构，由人类干细胞培育而成，已成为许多研究大脑特性的实验室中常见的装置。加州大学圣地亚哥分校的神经科学家 Muotri 发现了一些不寻常的方法来部署它们。他已将类器官连接到步行机器人，用尼安德特人基因改造它们的基因组，将它们送入轨道，搭载在国际空间站上，并将它们用作模型来开发更像人类的人工智能系统。与许多科学家一样，Muotri 暂时转向研究新冠病毒，使用大脑类器官来测试药物对抗 SARS-CoV-2 冠状病毒的性能。

但一项实验比其他实验受到了更多的关注。2019 年 8 月，Muotri 的团队在《细胞干细胞》杂志上发表了一篇论文，报告称他们创造出了产生协调活动波的人类大脑类器官，这些活动波类似于在早产婴儿中观察到的活动波。在团队停止实验之前，这些波持续了数月。

这种遍布大脑的协调电活动是意识大脑的特性之一。该团队的发现促使伦理学家和科学家们提出了一系列道德和哲学问题，例如是否应该允许类器官达到这种高级发育水平，是否应该给予“有意识”的类器官特殊的待遇和权利，而不是其他细胞团，以及意识是否有可能从零开始创造出来。

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无躯体的、有自我意识的大脑的想法早已在许多神经科学家和生物伦理学家的脑海中。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在数小时前被宰杀的猪的大脑的生命。通过将大脑从猪的头骨中取出，并注入化学混合物，研究人员恢复了神经元的细胞功能及其传递电信号的能力。

其他实验，例如将人类神经元添加到小鼠大脑的努力，也引发了质疑，一些科学家和伦理学家认为不应允许这些实验。

这些研究为那些想要避免创造意识的人和那些将复杂类器官视为研究和测试人类疾病治疗方法手段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，人类大脑类器官可能是理解自闭症和精神分裂症等独特的人类疾病的关键，这些疾病无法在小鼠模型中详细研究。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。

研究人员一直在呼吁制定一套类似于动物研究中使用的指南，以指导人道地使用大脑类器官和其他可能实现意识的实验。2020 年 6 月，美国国家科学、工程和医学院开始一项研究，旨在概述与大脑类器官和人-动物嵌合体相关的潜在法律和伦理问题。

对实验室培育大脑的担忧也凸显了一个问题：神经科学家没有商定的定义和衡量意识的方法。伦理学家们担心，在没有可操作的定义的情况下，将无法在实验越过界限之前阻止它。

目前的实验浪潮可能会迫使这个问题得到解决。英国苏塞克斯大学的认知神经科学家 Anil K. Seth 说，如果科学家们确信类器官获得了意识，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，如果一个人的首选理论认为类器官是有意识的，而另一个人的理论则不然，那么对意识已经获得的任何信心都会消失。“信心很大程度上取决于我们相信哪种理论。这是一个循环论证。”

感知状态

创造一个有意识的系统可能比定义它容易得多。研究人员和临床医生出于各种目的以多种不同的方式定义意识，但很难将它们综合成一个简洁的操作性定义，可以用来决定实验室培育的大脑的状态。

医生通常根据患者是否会对疼痛或其他刺激眨眼或畏缩来评估植物人患者的意识水平。例如，研究人员还可以使用脑电图 (EEG) 读数来测量大脑在受到电脉冲刺激时的反应。有意识的大脑会显示出比无意识的大脑复杂得多、不可预测的电活动，后者会以简单、规则的模式做出反应。

但是，此类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脑成像研究时，科学家们已经表明，无反应的个体可以表现出一些类似于意识的大脑活动——例如，当被要求思考行走时，运动区域的活动。

无论如何，用于意识的标准医疗测试很难应用于在培养皿中生长的大脑细胞或脱离身体的动物大脑。当 Muotri 暗示他的类器官的放电模式与在早产婴儿中观察到的模式一样复杂时，人们不确定该如何理解。一些研究人员不认为早产婴儿的大脑活动足够复杂，可以归类为有意识。而且类器官无法眨眼或因疼痛刺激而退缩，因此它们无法通过意识的临床测试。

相比之下，最近宰杀的猪的完整大脑更有可能具有意识的必要结构，以及动物活着时记忆和经历所创造的连接。“想到一个充满了这一切的大脑，很难想象这个大脑会是空虚的，”哈佛大学的哲学家和神经伦理学家 Jeantine Lunshof 说。“他们在思维方面能做什么，我不知道，但肯定不是零，”Lunshof 说。正如耶鲁大学团队所做的那样，让死亡的大脑恢复到类似生命的状态，可能有可能恢复一定程度的意识，尽管科学家们煞费苦心地通过使用化学阻断剂来避免这种情况，这些阻断剂阻止了遍布大脑的活动。

研究人员一致认为，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举办了一次会议，约有十几位神经科学家和哲学家，以及学生和公众成员参加，目的是为未来的实验建立和发布一个伦理框架。但该论文被推迟了几个月，部分原因是几位作者无法就意识的基本要求达成一致。

日益复杂

研究这个问题的科学家和伦理学家说，到目前为止，还没有人在实验室中创造出意识。但他们正在自问应该注意什么，以及哪种意识理论可能最相关。例如，根据一种名为整合信息理论的观点，意识是大脑中神经元网络连接的密集程度的产物。相互作用的神经元越多，意识程度就越高——这个量被称为 phi。如果 phi 大于零，则该生物被认为是有意识的。

根据该理论，大多数动物都达到了这个标准。《大众科学》顾问委员会成员、艾伦脑科学研究所 MindScope 项目首席科学家 Christof Koch 怀疑任何现有的类器官都能达到这个阈值，但他承认更高级的类器官可能会达到。

其他相互竞争的意识理论需要感官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观点认为，大脑的前额叶皮层充当计算机，处理感官输入并解释它们以形成存在感。由于类器官没有前额叶皮层，也无法接收输入，因此它们无法变得有意识。“如果没有输入和输出，神经元可能在相互交谈，但这并不一定意味着像人类思想那样的东西，”剑桥大学的发育生物学家 Madeline Lancaster 说。

然而，将类器官连接到器官可能是一项相当简单的任务。2019 年，Lancaster 的团队将人类大脑类器官与小鼠脊髓和背部肌肉一起培养。当来自人类类器官的神经与脊髓连接时，肌肉开始自发收缩。

大多数类器官的构建目的只是为了复制大脑的一部分——皮层。但是，如果它们发育足够长的时间，并且使用合适的生长因子，人类干细胞会自发地重新创建大脑的许多不同部分，然后这些部分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细胞类型组成的大脑类器官，包括视网膜中发现的感光细胞。当暴露在光线下时，类器官中的神经元开始放电。但 Arlotta 说，这些细胞活跃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形成必要的回路。

Arlotta 和 Lancaster 认为他们的类器官过于原始，无法产生意识，因为它们缺乏产生复杂脑电图模式所需的解剖结构。不过，Lancaster 承认，对于高级类器官来说，这取决于定义。“如果你认为苍蝇是有意识的，那么类器官也可能是，”她说。

Lancaster 和大多数其他研究人员认为，与类器官相比，复苏的猪脑更有可能获得意识。由神经科学家 Nenad Sestan 领导的猪脑研究团队试图寻找复苏器官的新方法，而不是创造意识。研究人员能够让单个神经元或神经元群放电，并小心翼翼地避免产生广泛的脑电波。尽管如此，当 Sestan 团队成员在一个大脑中看到看起来像协调的脑电图活动时，他们立即停止了该项目。即使在一位神经病学专家证实该模式与意识不符后，该小组还是出于预防措施对大脑进行了麻醉。

Sestan 还联系了美国国立卫生研究院，寻求关于如何继续进行的指导。该机构的神经伦理小组，包括 Lunshof 和凯斯西储大学的生物伦理学家 Insoo Hyun，评估了这项工作，并同意 Sestan 应该继续麻醉大脑。但该小组尚未就更普遍的法规达成一致，也没有例行要求对类器官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。美国国立卫生研究院也没有就意识的定义达成一致。“它太灵活了，每个人都声称拥有自己的含义，”Hyun 说。“如果我们不清楚我们谈论的是同一件事，那么对于讨论来说就是一个大问题。”

模糊的定义

有些人认为，即使试图在任何类型的实验室维持的大脑中识别意识也是徒劳的。“鉴于我们不了解意识，要说关于这些成堆的大脑细胞可能思考或感知什么的有意义的事情是不可能的，”比利时列日大学的神经学家 Steven Laureys 说，他率先提出了一些基于成像的植物人意识测量方法。“我们不应该太自大。”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婴儿、成年人或猪的体验非常不同，并且不具有直接可比性。此外，类器官中的结构可能太小而无法准确测量其活动，并且类器官和早产婴儿大脑的脑电图模式之间的相似性可能是巧合。其他研究大脑类器官的科学家也警告不要对类器官中的活动模式与意识之间的联系做出假设。

“这个系统不是人类大脑，”斯坦福大学的神经科学家 Sergiu Pasca 说。“它们是由神经元组成的。神经元具有电活动，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与人类大脑具有可比性，以便他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：他的青少年儿子患有癫痫和自闭症。“他在生活中挣扎得很辛苦，”Muotri 说。大脑类器官是一个很有希望的途径，因为它们概括了大脑布线的最早阶段，而这些阶段在人类胚胎发育过程中是无法研究的。但他说，在没有功能齐全的大脑的情况下研究人类脑部疾病，就像研究不产生胰岛素的胰腺一样。“要实现这一目标，我需要一个真正类似于人类大脑的大脑类器官模型。我可能需要一个变得有意识的类器官。”

Muotri 说，他对使用哪种定义来决定类器官是否达到意识持不可知论态度。他说，在某些时候，类器官甚至可能能够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，加州大学圣地亚哥分校的数学家 Gabriel Silva 正在研究 Muotri 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，目标是创建一个像人类意识一样工作的人工系统。

目前，美国或欧洲都没有任何法规可以阻止研究人员创造意识。美国国家科学院小组于 2021 年 4 月发布了一份报告，概述了最新的研究以及它认为适当的监督。成员们权衡了诸如是否获得人们的同意以将其细胞发育成大脑类器官，以及如何人道地研究和处置类器官等问题。国际干细胞研究学会也发布了类器官指南，但没有涉及意识，因为它认为科学尚未达到那个程度。

Hyun 说，美国国立卫生研究院神经伦理小组尚未看到任何关于创造复杂的、有意识的类器官的提案，这些提案需要制定新的指南。Muotri 说，他也不知道有其他人故意试图创造有意识的类器官，尽管足够复杂的类器官可能会根据某些定义意外地达到那种状态。

尽管如此，Muotri 和其他人表示，他们欢迎更严格的指南。这些指南可能包括要求科学家证明他们使用的人类大脑类器官的数量是合理的，仅将它们用于无法以任何其他方式进行的研究，限制可以施加在它们身上的疼痛量，并人道地处置它们。

提前制定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。许多研究人员强调，此类实验有可能产生重要的见解。“那里确实有患有神经系统疾病但没有治疗方法的有意识的人，”Lancaster 说。“如果我们因为哲学思想实验而停止所有这些研究，”她补充说，“那将对真正需要一些新疗法的人类非常不利。”

然而，治疗方法仍然可以在使用小鼠干细胞制成的大脑类器官或常规动物模型中进行测试。此类实验还可以为关于人道使用人类类器官的讨论提供信息。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，这可能表明人类类器官在多大程度上概括了人类大脑。

Muotri 就个人而言，他认为研究人类类器官和使用实验室小鼠之间没有什么区别。“我们使用有意识的动物模型进行研究，而且没有问题，”他说。“我们需要向前迈进，如果事实证明它们变得有意识，说实话，我不认为这是一件大事。”