實驗室創造出的大腦會有意識嗎?

不少實驗提出了這樣一些問題：細胞團和離體大腦是否可能有意識？科學家們要如何做出判斷？

在Alysson Muotri的實驗室裡，數百個芝麻大小的微型人腦漂浮在培養皿中，閃爍著電活動的火花。

這些微小的結構被稱為大腦類器官（brain organoid），是利用人體幹細胞培養出來的，已經成為許多實驗室研究大腦特性的常見工具。作為加州大學聖地牙哥分校的一名神經科學家，Muotri已經找到了一些不同尋常的方式來部署大腦類器官。他將類器官與行走的機器人連接起來，用尼安德特人的基因修飾它們的基因組，將它們發射到國際空間站的軌道上，並將它們作為模型來開發更像人類的人工智慧系統。和許多科學家一樣，Muotri暫時轉而研究新冠肺炎，利用大腦類器官來測試藥物對新冠病毒的治療效果。

插圖：Fabio Buonocore

但有一項實驗比其他實驗引起了更多的關注。2019年8月，Muotri課題組在《細胞-幹細胞》（Cell Stem Cell）上發表了一篇論文，報告創造出了能產生協調活動波的人腦類器官——類似於在早產兒中看到的活動波[1]。這些波持續了幾個月，直到課題組停止了實驗。

這種全腦協調的電活動是大腦有意識的特性之一。該團隊的發現令倫理學家和其他科學家提出了一系列倫理和哲學問題，即是否應該允許類器官達到這種高級發育水平，「有意識」的類器官是否可能有權享有其他細胞團所沒有的特殊待遇和權利，以及意識是否存在從零開始被創造的可能性。

許多神經科學家和生物倫理學家已經設想過一個無身體而有自我意識的大腦了。就在幾個月前，耶魯大學的一個團隊宣布，他們至少部分恢復了死亡幾小時後的豬的大腦的活力。研究人員先取出豬腦，給它們注入化學「雞尾酒」，最後恢復了神經元的細胞功能和傳遞電信號的能力[2]。

其他的實驗，如在小鼠大腦中添加人類神經元，引起了人們的質疑；一些科學家和倫理學家認為，這些實驗不應該被允許開展。

這些研究在兩群人中間拉開了論戰：一方希望避免創造意識，另一方認為複雜的類器官是研究破壞性人類疾病的一種手段。Muotri和許多其他神經科學家認為，人腦類器官可能是理解自閉症和精神分裂症等人類獨有病症的關鍵，這些病症不可能在小鼠模型中進行詳細的研究。Muotri說，為了實現這一目標，他和其他人可能需要刻意創造意識。

現在，研究人員呼籲制定一套類似於動物研究所採用的準則，指導研究人員以人道的方式使用大腦類器官，並開展其他可以實現意識的實驗。6月，美國國家科學、工程和醫學研究院啟動了一項研究，目的是概括與大腦類器官和人獸嵌合體（human–animal chimaera）相關的潛在法律及倫理問題。

對於實驗室培養的大腦的擔憂也凸顯了一個盲點：神經科學家沒有商定一致的方法來定義和測量意識。如果沒有一個可行的定義，倫理學家擔心無法在實驗越界之前加以阻止。

目前的一批實驗可能會迫使科學家們做出決定。英國蘇塞克斯大學的認知神經科學家Anil Seth說，如果科學家們確信一個類器官已經獲得了意識，他們可能需要趕緊在理論上就意識的產生達成一致意見。但是，他說如果一個人所持的理論推斷類器官有意識，而另一個人的理論則推斷它沒有意識，那麼任何關於意識已經被創造出來的信心都會消失。「信心在很大程度上取決於我們相信什麼理論。這是一個循環。」

知覺狀態

創建一個意識系統可能比定義它要容易得多。研究人員和臨床醫生根據不同的目的，用許多不同的方式來定義意識，但很難將它們整合成一個齊整的操作性定義，來判定一個實驗室培養的大腦的狀態。 

醫生一般根據患者是否對疼痛或其他刺激作出反應，比如眨眼或退縮，來評估處於植物人狀態的患者的意識水平。例如，利用腦電圖（EEG）讀數，研究人員還可以測量大腦在被電脈衝刺激時的反應。一個有意識的大腦會顯示更為複雜、不可預測的電活動，而如果是一個無意識的大腦，它的反應是簡單、有規律的模式。

但這種測試可能無法充分探究一個人是否缺乏意識。在對處於昏迷或植物人狀態的人進行的腦成像研究中，科學家們已經表明，無反應的人可以顯示出一些讓人聯想到意識的大腦活動——比如運動腦區在被要求思考走路時的活動[3]。

在發育中的人腦類器官中，神經元前體細胞（紅色）變成了神經元（綠色），神經元連接成網絡（白色）。來源：Muotri實驗室/加州大學聖地牙哥分校。

無論在什麼情況下，標準的意識醫學測試都很難適用於培養的腦細胞或離體的動物大腦。當Muotri提出他的類器官的放電模式和在早產兒中看到的一樣複雜時，人們不知道該如何看待這個問題。一些研究人員認為早產兒的大腦活動並不複雜，不足以被歸類為有意識。而類器官不能眨眼，也不能對痛苦的刺激做出反應，所以它們也通不過臨床意識測試。

相比之下，剛被殺的豬的完整大腦更有可能擁有產生意識的必要結構，並且具備它活著時的記憶和經歷所創造的神經連接。「想想一個已經被這些東西填滿的大腦，很難想像它會變得空洞無物。」哈佛大學的哲學家和神經倫理學家Jeantine Lunshof說。「它們在思維方面能做什麼，我不知道，但肯定不是零。」Lunshof說。像耶魯大學團隊那樣，讓死掉的大腦恢復部分生機，或許有可能恢復一定程度的意識，儘管科學家們煞費苦心地使用防止全腦活動的化學阻斷劑來避免這種情況。

研究人員一致認為，他們需要認真對待這類研究所帶來的這種可能性。2019年10月，加州大學聖地牙哥分校召開了一場會議，旨在為未來實驗建立和發布一個倫理框架，共有十幾位神經科學家和哲學家以及一些學生和公眾參加。但最終論文已經推遲了幾個月，部分原因是幾位作者無法就意識的基本要求達成一致意見。

越來越複雜

幾乎所有的科學家和倫理學家都認為，到目前為止，還沒有人在實驗室裡創造出意識。但他們都在問自己，要注意什麼，哪些意識理論可能最相關。例如，根據一種叫做整合信息理論（integrated information theory）的觀點，意識是整個大腦神經元網絡連接有多密集的結果。彼此交互的神經元越多，意識的程度就越高，這個量被稱為「phi」。如果phi大於零，生物體就被認為是有意識的。 

根據該理論，大多數動物都能達到這個門檻。美國西雅圖的艾倫腦科學研究所所長Christof Koch不相信任何已有的類器官能達到這個門檻，但他承認，一個更先進的類器官可能達到。

其他競爭性的意識理論要求感官輸入或跨多個腦區的協調電模式。例如，一種被稱為全局工作空間理論（global workspace theory）的觀點認為，大腦的前額皮質就像一臺計算機——處理感覺輸入並解釋它們，從而形成一種存在感。因為類器官沒有前額皮質，不能接受輸入，所以不能變得有意識。英國劍橋大學的發育生物學家Madeline Lancaster說：「如果沒有輸入和輸出，神經元之間可能也會有相互作用，但那並不一定意味著任何像人類思想一樣的東西。」

然而，將類器官與器官連接起來，可能是一項相當簡單的任務。2019年，Lancaster的團隊在小鼠脊柱和背部肌肉旁邊培養了人腦類器官。當人腦類器官的神經與脊柱連接後，肌肉開始自發收縮[4]。

英國劍橋大學的發育生物學家Madeline Lancaster在實驗室裡使用類器官研究大腦組織和疾病。來源：Felicity McCabe。　

大多數類器官只能複製大腦的一個部分——皮質。但如果它們發育的時間足夠長，並且使用正確的生長因子，人類幹細胞就會自發地重現大腦的許多不同部分，然後開始協調它們的電活動。在2017年發表的一項研究中，哈佛大學的分子生物學家Paola Arlotta誘導幹細胞發育成由許多不同類型的細胞組成的大腦類器官，其中包括像視網膜中的那些光敏細胞[5]。暴露在光線下時，類器官中的神經元開始放電。但這些細胞保持活躍的事實並不意味著類器官可以看到和處理視覺信息，Arlotta說。那僅僅意味著它們可以形成必要的電路。

Arlotta和Lancaster認為他們的類器官太原始了，不可能有意識，因為它們缺乏必要的解剖結構來創建複雜的腦電模式。不過，Lancaster還是承認，對於高級的類器官來說，這就要看具體定義了。「如果你認為一隻蒼蠅是有意識的，那麼你可以想像一個類器官也是有意識的。」她說。

不過，Lancaster和其他大多數研究人員認為，復活豬腦這類對象比類器官更容易產生意識。由神經科學家Nenad Sestan領導的豬腦研究小組，目的是找到復活器官的新方法，而不是創造意識。研究人員能夠讓單個神經元或神經元組放電，並小心翼翼地試圖避免產生大範圍的腦電波。不過，當Sestan的團隊在其中一個大腦中看到貌似協調的腦電活動時，他們立即停止了這個項目。即使在神經學專家確認該模式與意識不一致後，為了以防萬一，該小組還是對大腦進行了麻醉。

Sestan還聯繫了美國國立衛生研究院（NIH），尋求關於後續工作該如何展開的指導意見。研究院的神經倫理學小組，包括Lunshof和俄亥俄州克利夫蘭凱斯西儲大學的生物倫理學家Insoo Hyun，評估了這項工作，並一致認為Sestan應該繼續麻醉研究用的大腦。但該評估小組還沒有制定更通用的規定，也沒有例行要求對類器官課題進行生物倫理學評估，因為其成員認為意識是不太可能產生的。NIH也沒有就意識的定義達成一致。「這真的很靈活，每個人都有自己的定義，」Hyun說，「如果不能確定我們說的是同一件事，溝通就成了大問題。」 

神經科學家Nenad Sestan使用BrainEx平臺來恢復離體豬腦的神經活動。來源：Jesse Winter for Nature。

定義模糊

有些人甚至認為，嘗試在任何一種實驗室維護的大腦中識別意識都是徒勞的。比利時列日大學的神經學家Steven Laureys說：「鑑於我們不了解意識，我們根本不可能說出這些腦細胞束能思考或感知什麼。」他率先對植物人進行了一些基於成像的意識測量。「我們不應該太自大。」他說，應該非常謹慎地開展進一步的研究。 

Laureys等人指出，類器官的經歷很可能與早產兒、成年人類或豬的經歷有很大不同，不能直接比較。此外，類器官中的結構可能過小，無法準確測量其活動，而類器官的腦電模式與早產兒大腦的相似性可能只是巧合。其他從事大腦類器官研究的科學家也同意Laureys的觀點，即一個系統是否有意識的問題可能是無法回答的。許多人完全迴避這個觀點。「我不知道為什麼我們要問這個問題，因為這個系統不是人類的大腦，」史丹福大學的神經科學家Sergiu Pasça說，「它們是由神經元組成的，神經元有電活動，但我們必須仔細思考如何比較它們。」

Muotri希望他的類器官系統至少在某些方面可以與人類大腦相媲美，這樣他就可以研究人類的疾病並找到治療方法。他有個人動機：他14歲的兒子患有癲癇和自閉症。「他的生活中充滿困難。」Muotri說。大腦類器官是一個很有前景的研究通道，因為它們再現了大腦連接的最早階段，這在人類胚胎發育時是不可能研究的。但他說，在沒有一個功能完備的大腦的情況下研究人類大腦疾病，就像研究一個不產生胰島素的胰腺一樣。「為了達到這個目的，我需要一個真正類似於人腦的大腦類器官模型。我可能需要一個會變得有意識的類器官。」

Muotri說，他不知道使用哪種定義來判定一個類器官是否達到意識狀態。他說，在某一刻，類器官甚至可能幫助研究人員回答關於大腦如何產生意識狀態的問題。例如，加州大學聖地牙哥分校的數學家Gabriel Silva正在研究Muotri的類器官的神經活動，以開發一種描述大腦如何產生意識的算法[6]。他的項目由微軟提供部分資助，目標是創造一個像人類意識一樣工作的人工系統。

目前，無論是美國還是歐洲，都沒有阻止研究人員創造意識的規定。美國國家科學院評估小組計劃在明年初發布一份報告，概述最新的研究情況，並對是否需要出臺規定做出判斷。成員們計劃考慮的問題包括：是否需要徵得一個人的同意才能將其細胞培養成大腦類器官；如何人道地研究和處置類器官等。國際幹細胞研究學會也在制定類器官指南，但沒有涉及意識問題，因為它認為相關研究還不成熟。 

Hyun說，美國國立衛生研究院神經倫理學小組還沒有看到任何要創造複雜、有意識的類器官的研究計劃——如果出現這類研究，就意味著必須制定新的指南。Muotri說，他不知道還有誰想刻意創造有意識的類器官，雖然根據某些定義，一個足夠複雜的類器官可能會偶然達到意識狀態。

不過，Muotri等人表示，他們還是歡迎一些指導方針——包括要求科學家說明他們使用的人腦類器官的數量；只用於不能以任何其他方式進行的研究；限制可能對它們造成的痛苦程度；人道地處置它們。

提前制定這樣的指南，將有助於研究人員權衡創造意識實體的成本和收益。許多研究人員強調，這種實驗有可能帶來重要的洞察。「有一些真正有意識的人患了神經系統疾病，但沒有治療方法。」Lancaster說。「如果我們真的因為哲學思想實驗而停止了所有這些研究，」她補充道，「那將會對那些確實需要某種新型治療方法的實際人類非常不利。」

然而，治療方法仍可在使用小鼠幹細胞製成的大腦類器官或正常的動物模型中進行測試。這樣的實驗也可以為圍繞人體類器官的倫理應用的討論提供信息。例如，Hyun希望看到研究人員將小鼠大腦類器官的腦電圖模式與活體小鼠的腦電圖模式進行比較，這或許能揭示人體類器官能在多大程度上再現人類大腦。

Muotri認為研究人體類器官和研究實驗室小鼠幾乎沒有區別。「我們在研究中使用的是有意識的動物模型，但這沒有任何問題。」他說，「我們需要向前進，如果最後類器官變得有意識，說實話，我不認為那是一個大問題。」