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科学家培育出“迷你大脑”，最终会产生意识吗？

人工智能学家 · 公众号 · AI · 2024-08-22 17:19

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科学家正在培养皿中培育“迷你大脑”（也称脑类器官），希望通过这些大脑神经细胞集群来模拟部分大脑功能，并加深和改变我们对大脑神经发育和疾病的理解。

他们努力使它们变得更像人脑，近几年的进展尤其快，更是发现了一些令人惊讶的现象，如体外生长的神经元会自发激发，这是神经元在人脑中生长和建立新连接的方式之一；在脑类器官中观察到类似于早产儿脑中出现的活动脑波，这种全脑协调性电活动是大脑有意识的特征之一等。

因此，一个问题变得紧迫，就是这些脑类器官会最终产生意识吗？科学家在寻找答案。

撰文 | 小叶

上世纪80年代，美国哲学家希拉里·普特南提出了著名的“缸中之脑”思想实验。而过了不到半世纪的时间，生物学家们已经能在实验室培养皿中培育出了现实版的“缸中迷你大脑”——脑类器官（brain organoids）。

虽然这是只有几毫米宽的大脑神经细胞集群，但已能模拟部分大脑功能。并且，我们很快迎来了一个重要问题：这样的脑类器官会产生意识吗？

脑类器官研究进展迅速

类器官（organoid）也称作微器官（mini-organ），顾名思义，即类似于真实器官的微型模型，通过对多能干细胞或者成体细胞进行体外三维培养，自组织形成，与人体器官结构高度相似，并能复现被模仿器官的部分功能。

类器官的起源最早可追溯回1907年，美国北卡罗来纳大学的动物学教授H. V. Wilson发表论文 ^[1] ，揭示了通过机械分离的海绵细胞可以重新聚集，并自组织成同样具有正常生命功能的全新海绵。

到了20世纪50年代，其他科学家纷纷利用其他动物细胞展开相同的实验，表明脊椎动物细胞都拥有自组织能力，由此奠定了日后类器官培育技术不可或缺的重要特征：自组织能力，就好像给细胞上了发条，只要提供合适的培养环境，细胞们各司其职，自组织形成类器官 ^[2] 。

而干细胞技术，则是类器官得以蓬勃发展的另一关键。上世纪80年代，前苏联科学家A. J. Friedenstein团队展开一系列前沿实验，在骨髓中发现了一种成骨干细胞 ^[3] 或骨髓基质干细胞 ^[4] ，可通过体内实验生成多种骨骼组织 ^[5] 。到了90年代，美国凯斯西储大学生物学教授Arnold Caplan将其重命名为间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cell, MSC） ^[6] ，最终这一称呼为学界普遍接受。MSC被证实 ^[7] 是一种具有自我更新和多向分化能力的多潜能干细胞，可转化成各种细胞类型，具有广泛的临床应用价值。

同样在80年代，美国威斯康星大学麦迪逊分校的发育生物学家James Thomson教授也长期潜心于这一领域，探索灵长类动物身上干细胞的潜能。直到1998年，他使用捐赠的人类胚胎，构建出世界上首份人类胚胎干细胞系 ^[8] 。2007年，他与日本京都大学的山中伸弥团队合作，成功将人类成体细胞诱导成多能性干细胞（iPSC） ^[9] 。iPSC细胞在体外拥有无限增殖的潜能，不仅能够表达胚胎干细胞中的干细胞标志物，还具有分化为三个胚层细胞或组织的潜力 ^[10] 。

至此万事俱备，自组织特性与干细胞领域的飞速发展为类器官研究注入全新活力，21世纪最初的十多年迎来百花齐放的成果展示：肝类器官 ^[11] 、肠类器官 ^[12] 、视网膜、前列腺、肺、肾、乳腺、脑类器官等纷纷成功培育而出，类器官以其迅猛的态势成为了热点研究。2013年，类器官被《科学》（ Science ）期刊评为年度十大技术 ^[13] 。又10年后，《麻省理工科技评论》在2023年“全球十大突破性技术”预测中，预言随着研究人员探索如何从头开始设计复杂组织，在工厂里培育定制器官，工程化器官制造技术将在未来10-15年走向成熟。

在众多类器官中，脑类器官是尤为浓墨重彩的一章。数百年来，解开人类大脑发育和神经系统疾病的奥秘一直是脑科学和医学领域的重大挑战，学界付出了各种努力，不仅建立了各种体内外细胞以及动物模型，还尝试利用二维方法培养人脑神经元来解析相关疾病发生机制。然而，对于动物模型，由于物种差异，实验室的模式动物大脑模型无法完全真实模拟人类大脑的复杂性，实验结果可能并不完全适用于人类大脑。培养皿中生长出来的二维神经元，其空间结构、细胞类型复杂程度、互作以及微环境等，也与三维人脑相差甚远 ^[14] 。

脑类器官恰好弥补了上述缺陷。2008年，日本干细胞生物学家笹井芳树（Yoshiki Sasai）团队发现 ^[15] ，来源于干细胞自发组织的神经球中可以产生皮层样结构，包含有皮层祖细胞和功能神经元，这便是首个初级脑类器官模型。2013年，奥地利科学院分子生物技术研究所的Jürgen Knoblich和英国剑桥大学发育生物学家Madeline Lancaster 在《自然》（ Nature ）发表论文文 ^[16] ，报告了首个人类多能干细胞衍生的三维脑类器官，团队利用生物凝胶matrigel来模拟大脑周围组织，并使用旋转生物反应器来帮助营养的吸收和氧气扩散，在这样持续的三维悬浮培养中添加促进神经发育的生长因子，最终获得了进一步完善的脑类器官培养物，它包含类似于前脑、脉络丛、海马、前额叶等多个独立又相互依赖的脑区结构。

随后，世界各地的科学家不断摸索各种具有脑区特异性的脑类器官，他们组合不同小分子和生长因子，成功得到了包括中脑、丘脑、小脑、纹状体等脑类器官。还有的科学家尝试将两个甚至多个脑区类器官组装起来，形成“类组装体” （assembloids），进一步模拟真实情况下人类大脑发育、神经元迁移等过程。例如，2019年一篇发表在《细胞干细胞》（ Cell Stem Cell ）期刊上的论文 ^[17] 将丘脑类器官与皮层类器官融合，以模拟丘脑-皮层之间的神经元双向投射过程。除了多个脑区组装，也有研究 ^[18] 将脑类器官与肌肉组织等非神经类器官组装起来，观察神经对其他组织的支配作用，得到了与真实人体内相似的结果。

脑类器官技术发展简易图，来源：10.1038/s41392-022-01024-9 ^[19]

与真实大脑的差异

实际上，脑类器官只有几毫米宽，是一团类似于大脑的细胞集群。它作为实验室培养出来的迷你模型，却拥有其他大脑研究方式所不具备的优势。例如，当将电极与脑类器官连接起来时，能触发神经元之间的信号传递，自发模仿真实大脑。

那么，脑类器官就是微缩版的真实大脑了吗？实际情况并非如此，目前的脑类器官并不完全匹配真实大脑。

首先，脑类器官最显著的缺陷是它们长到几毫米之后就会停止生长，原因是没有提供氧气和营养的血管。不同于自然生物组织，脑类器官的生长依赖于渗透入培养皿内的营养液，长到一定大小后，一旦营养不够，生长就停止了，并且从中心部位细胞开始死亡，早在长到像真正大脑那样之前就不幸夭折了。因此，各团队想方设法，或在脑类器官中生长出血管，或培养血管化类器官并将其与脑类器官融合，或人为在脑类器官中打开通道，让更多营养液灌注入其中，产生更多成熟的神经突触 ^[20] 。

其次，不同于真实大脑，脑类器官缺少来自周围环境的感知输入，而感知输入是大脑回路发育不可或缺的关键之一。脑类器官没有眼睛去看，没有耳朵去听，没有鼻子去辨别气味，更没有嘴巴去品尝味道。孤立于培养皿中的脑类器官，在没有感知输入的情况下，无法自主编码经验和信息。 ^[21]

2020年发表在《自然》期刊上的论文提出了一个相对克制的观点 ^[22] ，表示目前广泛使用的脑类器官模型尚无法复制真正大脑发育和组织的基本特征，更不用说模拟复杂脑部疾病和正常认知所需的复杂脑回路。研究人员发现其背后的一个原因是，类器官细胞的“身份危机”：脑类器官细胞无法正常分化成独特的细胞亚型，在类型完全不同的细胞中能够发现各种基因“大杂烩”，让发育程序陷入混乱。另一个原因则是实验室的培养方式导致细胞“压力山大”：所有脑类器官模型都表达了异常高水平的细胞应激反应基因，导致细胞行为异常，生成异常蛋白，最终导致类器官细胞无法正常发育 ^[23, 24] 。

真实大脑的发育过程好比交响乐，各种乐器同时演奏，在指挥的协调下相互配合，演绎出优美和谐的复杂乐章。而脑类器官要达到这样复杂的程度，类器官科学家们才刚刚迈出了第一步。

脑类器官会产生意识吗？

尽管脑类器官距离真实大脑还很遥远，但这不妨碍科学家超前思索一个问题：“培养皿中的类大脑”会最终产生意识吗？

根据目前的研究形势，大多数脑类器官科学家都认为脑类器官不会、也不能发展出意识形式。

首位培育出脑类器官的 Lancaster认为，目前的脑类器官仍然太原始，无法产生意识，它们缺乏创造复杂脑电图模式所必须的解剖结构。尽管脑类器官“在没有输入和输出的情况下，其中的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。” ^[25] 在Lancaster与大多数科研人员看来，让死亡的猪脑“恢复活力”反而比脑类器官更有可能产生意识。

今年6月，加州大学圣芭芭拉分校的神经科学家Kenneth Kosik在《模式》（ Patterns ）期刊上发表了一篇观点性文章 ^[26] ，提出脑类器官研究最终有可能在实验室中创造出意识，但根据目前技术甚至不久将来的技术条件，这种可能性并不存在。

首先，正如前文所述，尽管脑类器官不容忽视的缺陷表明，它们尚不符合意识的任何操作性定义，科学家要克服这些缺陷仍有很多障碍需要克服。现在讨论类器官会不会产生意识，仍为时尚早。

其次，对于“什么是意识”这问题，千百年来哲学家和科学家们都在不断探索，理论五花八门，至今仍缺乏大家普遍认可的定义。现代科学将意识划入科学问题的范畴，从神经机制的角度来解释，可分为四类理论：高阶理论（HOT），全局神经工作空间理论（GNWT）、整合信息理论（IIT）以及再入和预处理理论。这些理论不仅围绕大脑探讨意识问题，还强调了主体身体与环境之间相互作用的重要性，影响着意识产生所要求的各种能力：表征、感官、感知等等。而脑类器官最明显的特征之一，恰恰是它完全脱离身体，无论是运动还是感知，没有任何躯体经验历史。虽然已有实验表明脑类器官的神经放电活动类似于大脑编码经验相关的模式，但仍然存在一个问题：一个能够编码经验但没有经验历史的框架（脑类器官）能否产生意识？没有内容，意识会存在吗？

早在2022年，Kosik在 Nautilus 杂志上发表的长文 ^[27] 就提出，脑类器官没有意识的重要原因就是它们并不拥有核心性质——抽象提取能力。意识需要抽象过程，而这一过程基于我们对感官世界的印象和运动反馈之间的相关性。当我们看到餐桌上的红色苹果，就会触发如下过程：物体反射的光激活了视网膜中的光感受器，向大脑传送了一个信号；信号中包含着丰富的关于物体颜色、大小和环境等信息。经过世间多年生活经验，与单词“红色”和“苹果”这两个概念对应的放电模式已产生，最终我们“意识”到桌上放的是红苹果。而脑类器官的神经放电活动却不与任何现实中的东西相关联。

当然，也有科学家持肯定意见，英国苏塞克斯大学认知神经科学家Anil Seth在一次《自然》播客 ^[28] 中表示，自己并不排除脑类器官产生意识的可能性，随着脑类器官的复杂性和与人类大脑相似性的不断提升，即便结构不完全等同于人脑，它们也完全有可能拥有意识体验。

尽管持否定观点的科学家居多，但一些有趣的实验表明，产生意识的基本要素可能已经逐渐显现。

在加州大学圣地亚哥分校神经科学家Alysson Muotri的实验室内，陈列着数百个培养皿——里面漂浮着芝麻大小的脑类器官。他用各种不同寻常的方法来操控脑类器官，其中一项实验成果引起了广泛关注。2019年，Moutri团队在《细胞干细胞》上发表的论文 ^[29] 报告创造出能产生协调活动波的脑类器官，类似于早产儿脑中看到的活动脑波。这种全脑协调性电活动是大脑有意识的特征之一，因此团队认为脑类器官基本上模拟了人类大脑初期的发育过程。然而，对于该结果也有质疑，主要在于类似早产儿的脑电波并不意味着可以将脑类器官与婴儿大脑划等号。而且婴儿的脑电波与成人不同，往往呈现出非常杂乱、无规律的波动。

Muotri实验室中的一盘脑类器官，来源：David Poller/ZUMA Wire, via Alamy Live News

同年，京都大学的坂口秀哉（Hideya Sakaguchi）团队在《干细胞报告》期刊上报告 ^[30] ，成功将皮质球体中单个神经元之间的网络活动和连接可视化。团队检测到了钙离子活动的动态变化，并发现了能够自行组织成簇并与附近其他簇形成网络的细胞之间的综合活动。同步神经活动的表现，可以作为各种相关大脑功能的基础，包括记忆。研究发现的另一个重点是体外生长的神经元会自发激发，这是神经元在人脑中生长和建立新连接的方式之一。

绕不开的伦理问题

学界就意识问题各持己见，但科学家们也共同认识到，创建意识系统要比定义容易得多。因此，脑类器官研究也正凸显了一个盲点：科学家没有商定一致的方法来定义和测量意识。

就连Muotri本人也承认，他不知道使用哪种定义来判定一个类器官是否达到意识状态。于是，对于脑类器官是否产生意识，也成为了科研人员个人的理论偏好，会影响个人的研究方法和目的。

所以，未雨绸缪。Anil Set提出在尚没有任何明确方法来评估类器官意识状态之时，必须先发制人确定伦理框架。美国埃默里大学的神经伦理学项目主任Karen Rommelfanger也赞同，认为脑类器官与其他身体类器官研究的差异不仅涉及生物学方面，而且还包括伦理方面。意大利帕维亚大学的Andrea Lavazza认为，在未来，类器官可能会表现出体验疼痛等基本感觉的能力，从而表现出感知能力，甚至是基本的意识形式。这要求我们考虑是否应该赋予脑类器官道德地位，以及应该引入哪些限制来规范研究 ^[31] 。

参考资料

[1] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jez.1400090305

[2] https://www.360zhyx.com/home-research-index-rid-74706.shtml

[3] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-2184.1987.tb01309.x

[4] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9780470513637.ch4

[5] https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1934590908001148

[6] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jor.1100090504

[7] https://www.science.org/doi/10.1126/science.284.5411.143

[8] https://www.science.org/doi/10.1126/science.282.5391.1145

[9] https://www.science.org/doi/10.1126/science.1151526

[10] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%AF%B1%E5%AF%BC%E6%80%A7%E5%A4%9A%E8%83%BD%E5%B9%B2%E7%BB%86%E8%83%9E

[11] https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ten.2006.12.1627

[12] https://www.nature.com/articles/nature07935

[13] https://www.science.org/content/article/sciences-top-10-breakthroughs-2013

[14] https://m.thepaper.cn/baijiahao_20603927

[15] https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(08)00455-4?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1934590908004554%3Fshowall%3Dtrue

[16] https://www.nature.com/articles/nature12517

[17] https://www.cell.com/cms/10.1016/j.stem.2018.12.015/attachment/3c78ab81-5238-4756-ace6-4b73fa2292d6/mmc1.pdf

[18] https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31534-8?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867420315348%3Fshowall%3Dtrue

[19] https://www.nature.com/articles/s41392-022-01024-9#citeas

[20] http://www.news.cn/health/2023-02/03/c_1211724659.htm

[21] https://www.livescience.com/health/neuroscience/we-can-t-answer-these-questions-neuroscientist-kenneth-kosik-on-whether-lab-grown-brains-will-achieve-consciousness

[22] https://www.nature.com/articles/s41586-020-1962-0

[23 ] https://www.ucsf.edu/news/2020/01/416526/not-brains-dish-cerebral-organoids-flunk-comparison-developing-nervous-system

[24 ] https://theconversation.com/brain-organoids-help-neuroscientists-understand-brain-development-but-arent-perfect-matches-for-real-brains-130178#:~:text=Organoid%20cells%20also%20don't,not%20reflected%20in%20the%20organoids.

[25 ] https://www.kepuchina.cn/more/202011/t20201117_2842435.shtml

[26 ] https://www.cell.com/patterns/fulltext/S2666-3899(24)00136-3#%20

[27 ] https://nautil.us/what-the-tiny-cluster-of-brain-cells-in-my-lab-are-telling-me-246650/

[28 ] https://www.nature.com/articles/d41586-020-03033-6#MO0

[29 ] https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(19)30337-6

[30 ] https://www.cell.com/stem-cell-reports/fulltext/S2213-6711(19)30197-3

[31 ] https://link.springer.com/article/10.1007/s40592-020-00116-y

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