培养皿内的大脑类器官有意识吗？ | 生命奥秘
一些实验提出了这样的问题：成群的细胞和无实体的大脑是否有感知能力，以及科学家如何判断它们是否有感知能力。
在Alysson Muotri的实验室里，数百个芝麻大小的人类大脑微结构漂浮在培养皿中，进行着电活动。
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，已经成为许多研究大脑特性的实验室的常见设备。Muotri是加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego，UCSD)的神经科学家，他发现了一些不同寻常的方法来运用他的研究成果。他将类器官与行走机器人连接起来，用尼安德特人的基因修改了它们的基因组，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暂时把研究重点转向新冠病毒，利用脑器官来测试药物对抗SARS-CoV-2冠状病毒的效果。
但有一项实验比其它实验更受关注。2019年8月，Muotri的研究小组在《细胞干细胞》（Cell Stem Cell）杂志上发表了一篇论文，称人类大脑的类器官产生了协调的活动波，类似于早产儿的活动。这种活动波持续了几个月，直到团队停止了实验。
这种全脑范围内协调的电活动是有意识的大脑特性之一。这一发现让伦理学家和科学家提出了一系列道德和哲学问题，如：是否应该允许类器官达到这种程度的发育；具有意识的类器官是否应该区别于细胞团，获得特殊待遇；意识是否可以从头开始创建等。
许多神经科学家和生物伦理学家已经开始思考无形体、有自我意识的大脑的概念。就在几个月前，位于康涅狄格州纽黑文的耶鲁大学（Yale University）的一个研究小组宣布，他们已经至少部分恢复了几小时前被杀死的猪的大脑。通过将猪的大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。
其它一些实验，比如在小鼠大脑中加入人类神经元，也引发了一系列问题。一些科学家和伦理学家认为这些实验不应该被允许。
这些研究已经为一场辩论奠定了基础，辩论的一方是希望避免创造意识的人，另一方是将复杂的类器官视为研究毁灭性人类疾病治疗手段的人。Muotri和其他许多神经科学家认为，人类大脑的类器官可能是理解诸如自闭症和精神分裂症等特殊人类疾病的关键，这些疾病不可能在小鼠模型上进行详细研究。为了达到这个目标，Muotri指出，科研人员可能需要有意识地创造意识。
研究人员现在呼吁制定一套指导原则，类似于在动物研究中使用的准则，以指导对脑器官的人道使用，以及其它可以实现意识的实验。今年6月，美国国家科学、工程和医学科学院（US National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine）开始了一项研究，目的是概述与大脑类器官以及人兽嵌合体相关的潜在法律和伦理问题。
对实验室培育的大脑的担忧也凸显了一个盲点：神经科学家还没有就如何定义和测量意识达成一致。如果没有一个有效的定义，伦理学家担心，在实验越线之前就不可能阻止它。
目前的一系列实验可能会推动这个问题的解决。英国布赖顿附近苏塞克斯大学（University of Sussex）的认知神经科学家Anil Seth表示，如果科学家确信类器官已经获得了意识，他们可能需要加快速度，并就意识的定义达成一致。但是，如果一个人赞成类器官是有意识的，而另一个人认为没有，那么类器官确实有意识这一观点就无法让人觉得可信。可信与否在很大程度上取决于我们相信什么理论。这是一个循环。
有知觉的状态
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出于不同的目的，用许多不同的方式来定义意识，但很难将它们综合成一个简洁的、可操作的定义，用以判断实验室培育的大脑所处的状态。
医生通常根据病人对疼痛或其它刺激是否会眨眼或闪躲来评估植物人的意识水平。例如，利用脑电图(electroencephalogram, EEG)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。
但是这样的测试可能不能充分探测一个人是否缺乏意识。科学家已经表明，在对昏迷或植物人的大脑成像研究中，没有反应的人可以显示一些让人联想到意识的大脑活动——比如当被要求思考走路时运动区域的活动。
在人脑的类器官发育过程中，前神经元细胞(红色)转化为神经元(绿色)，然后连接成网络(白色)。
无论如何，对于意识的标准医学测试都很难应用于培养在培养皿中的脑细胞，或脱离躯体的动物大脑。当Muotri提出他的类器官的放电模式和早产儿一样复杂时，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的。类器官在痛苦的刺激下不能眨眼或闪躲，所以它们不能通过意识的临床测试。
相比之下，一头刚被杀死的猪的完好无损的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神经回路。马萨诸塞州剑桥哈佛大学（Harvard University）的哲学家和神经伦理学家Jeantine Lunshof思考，像这样一个充满了这些结构的大脑，虽然不知道在想些什么，但肯定不会是一片空白。像耶鲁大学（Yale University）的研究小组所做的那样，将一个死去的大脑恢复到类似活着的状态，或许有可能恢复一定程度的意识，尽管科学家费尽心机地使用阻止大脑活动的化学阻断剂来避免这种情况。
研究人员同意，他们需要认真对待这些研究提出的可能性。2019年10月，加州大学圣地亚哥分校（University of California, San Diego）召开了一场由几十名神经科学家和哲学家、学生以及公众成员参加的会议，目的是为未来的实验建立和出版一个伦理框架。但是这篇论文已经被推迟了几个月，部分原因是几个作者无法就意识的基本要求达成一致。
日益复杂
几乎所有的科学家和伦理学家都同意，到目前为止，还没有人在实验室里创造出意识。但他们都在问自己应该注意什么，以及哪些意识理论可能最重要。例如，根据整合信息理论的观点，意识是大脑中神经元网络连接密集程度的产物。相互作用的神经元越多，意识的程度就越高——意识的量化叫phi。如果phi大于0，这个类器官就被认为是有意识的。
根据这个理论，大多数动物都能达到这个水平。华盛顿州西雅图艾伦脑科学研究所（Allen Institute for Brain Science）所长Christof Koch怀疑现有的任何类器官都不能达到这个门槛，但承认更先进的类器官的phi可能会大于0。
其他关于意识的理论则认为，意识需要感觉输入或大脑多个区域的协调电模式。例如，一种被称为“全面工作空间理论”(global workspace theory)的观点认为，大脑的前额叶皮层就像一台电脑，处理感觉输入，并解读出信息。因为类器官没有前额叶皮层，不能接收信息，所以它们不能变得有意识。英国剑桥大学（University of Cambridge）的发育生物学家Madeline Lancaster表示，在没有输入和输出的情况下，神经元可能会相互交谈，但这并不一定意味着它们能进行任何类似于人类思想的事情。
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，Lancaster的团队在小鼠脊柱和背部肌肉旁边培育了人类大脑类器官。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。
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(Harvard University)的分子生物学家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。Arlotta提醒，事实上，虽然这些细胞是活跃的，但并不意味着类器官可以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认为他们的类器官太原始，无法产生意识，因为它们缺乏创造复杂脑电图模式所必需的解剖结构。尽管如此，Lancaster承认，对于高级类器官来说，其是否有意识取决于意识的定义。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，Lancaster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激活，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，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NIH以获得如何进行的指导。该机构的神经伦理小组，包括Lunshof和俄亥俄州克利夫兰凯斯西大学(Case Western University)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。但是，该小组还没有制定出更一般的规定，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。NIH也没有给意识下一个定义。Hyun指出吗，这很难定义，每个人的想法都不一样。如果不能明确定义，这将会是一个大问题。
神经学家Nenad Sestan使用BrainEx平台恢复了离体猪大脑的神经活动。
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。比利时列日大学（University of Liège）的神经学家Steven Laureys认为，如果我们不理解意识，就没法断定这些脑细胞到底能不能思考或者感知事物。他开创了一些成像技术，帮助识别植物人的意识状态。Laureys表示，我们不应该太傲慢，进一步的研究应该非常谨慎地进行。
Laureys等人指出，器官体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，类器官的结构可能太小而无法精确测量它们的活动，且类器官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。加利福尼亚州斯坦福大学（Stanford Univerisity）的神经科学家Sergiu Pasca指出，他不知道为什么要问这个问题，因为这个系统不是人类的大脑，它们是由神经元组成的，神经元有电活动，我们需要做的只是仔细考虑如何比较它们。
Muotri希望他的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，生活非常困难。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Muotri还指出，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，他需要一个真正像人类大脑的大脑器官模型，还可能需要一个有意识的类器官。
Muotri说他不知道用什么定义来决定一个器官是否达到意识。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，关于研究者能否创造意识，美国和欧洲都没有规定。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（International Society for Stem Cell Research）也在研究类器官的指导方针，但没有提到意识，因为它认为目前的技术还不足以创造意识。
Hyun表示，NIH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指出，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和其他人表示，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类器官的数量，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。Lancaster表示，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伦理争论而停止所有的研究，那将对真正需要一些新疗法的病人造成很大的伤害。
然而，治疗方法仍然可以在用老鼠干细胞制成的大脑类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，一点问题都没有，科学需要不断推进，如果结果证明类器官有了意识，老实说，他不认为这是一件什么大不了的事。
原文检索：
Sara Reardon. (2020) Can lab-grown brains become conscious? Nature, 586: 658-661.
张洁/编译