科學(xué)家培育出“迷你大腦”，最終會產(chǎn)生意識嗎？

科學(xué)家正在培養(yǎng)皿中培育“迷你大腦”（也稱腦類器官），希望通過這些大腦神經(jīng)細胞集群來模擬部分大腦功能，并加深和改變我們對大腦神經(jīng)發(fā)育和疾病的理解。

他們努力使它們變得更像人腦，近幾年的進展尤其快，更是發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝的現(xiàn)象，如體外生長的神經(jīng)元會自發(fā)激發(fā)，這是神經(jīng)元在人腦中生長和建立新連接的方式之一；在腦類器官中觀察到類似于早產(chǎn)兒腦中出現(xiàn)的活動腦波，這種全腦協(xié)調(diào)性電活動是大腦有意識的特征之一等。

因此，一個問題變得緊迫，就是這些腦類器官會最終產(chǎn)生意識嗎？科學(xué)家在尋找答案。

撰文 | 小葉

上世紀(jì)80年代，美國哲學(xué)家希拉里·普特南提出了著名的“缸中之腦”思想實驗。而過了不到半世紀(jì)的時間，生物學(xué)家們已經(jīng)能在實驗室培養(yǎng)皿中培育出了現(xiàn)實版的“缸中迷你大腦”——腦類器官（brain organoids）。

雖然這是只有幾毫米寬的大腦神經(jīng)細胞集群，但已能模擬部分大腦功能。并且，我們很快迎來了一個重要問題：這樣的腦類器官會產(chǎn)生意識嗎？

腦類器官研究進展迅速

類器官（organoid）也稱作微器官（mini-organ），顧名思義，即類似于真實器官的微型模型，通過對多能干細胞或者成體細胞進行體外三維培養(yǎng)，自組織形成，與人體器官結(jié)構(gòu)高度相似，并能復(fù)現(xiàn)被模仿器官的部分功能。

類器官的起源最早可追溯回1907年，美國北卡羅來納大學(xué)的動物學(xué)教授H. V. Wilson發(fā)表論文[1]，揭示了通過機械分離的海綿細胞可以重新聚集，并自組織成同樣具有正常生命功能的全新海綿。

到了20世紀(jì)50年代，其他科學(xué)家紛紛利用其他動物細胞展開相同的實驗，表明脊椎動物細胞都擁有自組織能力，由此奠定了日后類器官培育技術(shù)不可或缺的重要特征：自組織能力，就好像給細胞上了發(fā)條，只要提供合適的培養(yǎng)環(huán)境，細胞們各司其職，自組織形成類器官[2]。

而干細胞技術(shù)，則是類器官得以蓬勃發(fā)展的另一關(guān)鍵。上世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家A. J. Friedenstein團隊展開一系列前沿實驗，在骨髓中發(fā)現(xiàn)了一種成骨干細胞[3]或骨髓基質(zhì)干細胞[4]，可通過體內(nèi)實驗生成多種骨骼組織[5]。到了90年代，美國凱斯西儲大學(xué)生物學(xué)教授Arnold Caplan將其重命名為間充質(zhì)干細胞（Mesenchymal Stem Cell, MSC）[6]，最終這一稱呼為學(xué)界普遍接受。MSC被證實[7]是一種具有自我更新和多向分化能力的多潛能干細胞，可轉(zhuǎn)化成各種細胞類型，具有廣泛的臨床應(yīng)用價值。

同樣在80年代，美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的發(fā)育生物學(xué)家James Thomson教授也長期潛心于這一領(lǐng)域，探索靈長類動物身上干細胞的潛能。直到1998年，他使用捐贈的人類胚胎，構(gòu)建出世界上首份人類胚胎干細胞系[8]。2007年，他與日本京都大學(xué)的山中伸彌團隊合作，成功將人類成體細胞誘導(dǎo)成多能性干細胞（iPSC）[9]。iPSC細胞在體外擁有無限增殖的潛能，不僅能夠表達胚胎干細胞中的干細胞標(biāo)志物，還具有分化為三個胚層細胞或組織的潛力[10]。

至此萬事俱備，自組織特性與干細胞領(lǐng)域的飛速發(fā)展為類器官研究注入全新活力，21世紀(jì)最初的十多年迎來百花齊放的成果展示：肝類器官[11]、腸類器官[12]、視網(wǎng)膜、前列腺、肺、腎、乳腺、腦類器官等紛紛成功培育而出，類器官以其迅猛的態(tài)勢成為了熱點研究。2013年，類器官被《科學(xué)》（Science）期刊評為年度十大技術(shù)[13]。又10年后，《麻省理工科技評論》在2023年“全球十大突破性技術(shù)”預(yù)測中，預(yù)言隨著研究人員探索如何從頭開始設(shè)計復(fù)雜組織，在工廠里培育定制器官，工程化器官制造技術(shù)將在未來10-15年走向成熟。

在眾多類器官中，腦類器官是尤為濃墨重彩的一章。數(shù)百年來，解開人類大腦發(fā)育和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的奧秘一直是腦科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)，學(xué)界付出了各種努力，不僅建立了各種體內(nèi)外細胞以及動物模型，還嘗試利用二維方法培養(yǎng)人腦神經(jīng)元來解析相關(guān)疾病發(fā)生機制。然而，對于動物模型，由于物種差異，實驗室的模式動物大腦模型無法完全真實模擬人類大腦的復(fù)雜性，實驗結(jié)果可能并不完全適用于人類大腦。培養(yǎng)皿中生長出來的二維神經(jīng)元，其空間結(jié)構(gòu)、細胞類型復(fù)雜程度、互作以及微環(huán)境等，也與三維人腦相差甚遠[14]。

腦類器官恰好彌補了上述缺陷。2008年，日本干細胞生物學(xué)家笹井芳樹（Yoshiki Sasai）團隊發(fā)現(xiàn)[15]，來源于干細胞自發(fā)組織的神經(jīng)球中可以產(chǎn)生皮層樣結(jié)構(gòu)，包含有皮層祖細胞和功能神經(jīng)元，這便是首個初級腦類器官模型。2013年，奧地利科學(xué)院分子生物技術(shù)研究所的Jürgen Knoblich和英國劍橋大學(xué)發(fā)育生物學(xué)家Madeline Lancaster 在《自然》（Nature）發(fā)表論文文[16]，報告了首個人類多能干細胞衍生的三維腦類器官，團隊利用生物凝膠matrigel來模擬大腦周圍組織，并使用旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器來幫助營養(yǎng)的吸收和氧氣擴散，在這樣持續(xù)的三維懸浮培養(yǎng)中添加促進神經(jīng)發(fā)育的生長因子，最終獲得了進一步完善的腦類器官培養(yǎng)物，它包含類似于前腦、脈絡(luò)叢、海馬、前額葉等多個獨立又相互依賴的腦區(qū)結(jié)構(gòu)。

隨后，世界各地的科學(xué)家不斷摸索各種具有腦區(qū)特異性的腦類器官，他們組合不同小分子和生長因子，成功得到了包括中腦、丘腦、小腦、紋狀體等腦類器官。還有的科學(xué)家嘗試將兩個甚至多個腦區(qū)類器官組裝起來，形成“類組裝體”（assembloids），進一步模擬真實情況下人類大腦發(fā)育、神經(jīng)元遷移等過程。例如，2019年一篇發(fā)表在《細胞干細胞》（Cell Stem Cell）期刊上的論文[17]將丘腦類器官與皮層類器官融合，以模擬丘腦-皮層之間的神經(jīng)元雙向投射過程。除了多個腦區(qū)組裝，也有研究[18]將腦類器官與肌肉組織等非神經(jīng)類器官組裝起來，觀察神經(jīng)對其他組織的支配作用，得到了與真實人體內(nèi)相似的結(jié)果。

腦類器官技術(shù)發(fā)展簡易圖，來源：10.1038/s41392-022-01024-9[19]

與真實大腦的差異

實際上，腦類器官只有幾毫米寬，是一團類似于大腦的細胞集群。它作為實驗室培養(yǎng)出來的迷你模型，卻擁有其他大腦研究方式所不具備的優(yōu)勢。例如，當(dāng)將電極與腦類器官連接起來時，能觸發(fā)神經(jīng)元之間的信號傳遞，自發(fā)模仿真實大腦。

那么，腦類器官就是微縮版的真實大腦了嗎？實際情況并非如此，目前的腦類器官并不完全匹配真實大腦。

首先，腦類器官最顯著的缺陷是它們長到幾毫米之后就會停止生長，原因是沒有提供氧氣和營養(yǎng)的血管。不同于自然生物組織，腦類器官的生長依賴于滲透入培養(yǎng)皿內(nèi)的營養(yǎng)液，長到一定大小后，一旦營養(yǎng)不夠，生長就停止了，并且從中心部位細胞開始死亡，早在長到像真正大腦那樣之前就不幸夭折了。因此，各團隊想方設(shè)法，或在腦類器官中生長出血管，或培養(yǎng)血管化類器官并將其與腦類器官融合，或人為在腦類器官中打開通道，讓更多營養(yǎng)液灌注入其中，產(chǎn)生更多成熟的神經(jīng)突觸[20]。

其次，不同于真實大腦，腦類器官缺少來自周圍環(huán)境的感知輸入，而感知輸入是大腦回路發(fā)育不可或缺的關(guān)鍵之一。腦類器官沒有眼睛去看，沒有耳朵去聽，沒有鼻子去辨別氣味，更沒有嘴巴去品嘗味道。孤立于培養(yǎng)皿中的腦類器官，在沒有感知輸入的情況下，無法自主編碼經(jīng)驗和信息。[21]

2020年發(fā)表在《自然》期刊上的論文提出了一個相對克制的觀點[22]，表示目前廣泛使用的腦類器官模型尚無法復(fù)制真正大腦發(fā)育和組織的基本特征，更不用說模擬復(fù)雜腦部疾病和正常認知所需的復(fù)雜腦回路。研究人員發(fā)現(xiàn)其背后的一個原因是，類器官細胞的“身份危機”：腦類器官細胞無法正常分化成獨特的細胞亞型，在類型完全不同的細胞中能夠發(fā)現(xiàn)各種基因“大雜燴”，讓發(fā)育程序陷入混亂。另一個原因則是實驗室的培養(yǎng)方式導(dǎo)致細胞“壓力山大”：所有腦類器官模型都表達了異常高水平的細胞應(yīng)激反應(yīng)基因，導(dǎo)致細胞行為異常，生成異常蛋白，最終導(dǎo)致類器官細胞無法正常發(fā)育[23, 24]。

真實大腦的發(fā)育過程好比交響樂，各種樂器同時演奏，在指揮的協(xié)調(diào)下相互配合，演繹出優(yōu)美和諧的復(fù)雜樂章。而腦類器官要達到這樣復(fù)雜的程度，類器官科學(xué)家們才剛剛邁出了第一步。

腦類器官會產(chǎn)生意識嗎？

盡管腦類器官距離真實大腦還很遙遠，但這不妨礙科學(xué)家超前思索一個問題：“培養(yǎng)皿中的類大腦”會最終產(chǎn)生意識嗎？

根據(jù)目前的研究形勢，大多數(shù)腦類器官科學(xué)家都認為腦類器官不會、也不能發(fā)展出意識形式。

首位培育出腦類器官的 Lancaster認為，目前的腦類器官仍然太原始，無法產(chǎn)生意識，它們?nèi)狈?chuàng)造復(fù)雜腦電圖模式所必須的解剖結(jié)構(gòu)。盡管腦類器官“在沒有輸入和輸出的情況下，其中的神經(jīng)元可能彼此交流溝通，但這并不一定意味著任何類似人類思想意識的狀態(tài)?！盵25]在Lancaster與大多數(shù)科研人員看來，讓死亡的豬腦“恢復(fù)活力”反而比腦類器官更有可能產(chǎn)生意識。

今年6月，加州大學(xué)圣芭芭拉分校的神經(jīng)科學(xué)家Kenneth Kosik在《模式》（Patterns）期刊上發(fā)表了一篇觀點性文章[26]，提出腦類器官研究最終有可能在實驗室中創(chuàng)造出意識，但根據(jù)目前技術(shù)甚至不久將來的技術(shù)條件，這種可能性并不存在。

首先，正如前文所述，盡管腦類器官不容忽視的缺陷表明，它們尚不符合意識的任何操作性定義，科學(xué)家要克服這些缺陷仍有很多障礙需要克服?，F(xiàn)在討論類器官會不會產(chǎn)生意識，仍為時尚早。

其次，對于“什么是意識”這問題，千百年來哲學(xué)家和科學(xué)家們都在不斷探索，理論五花八門，至今仍缺乏大家普遍認可的定義?，F(xiàn)代科學(xué)將意識劃入科學(xué)問題的范疇，從神經(jīng)機制的角度來解釋，可分為四類理論：高階理論（HOT），全局神經(jīng)工作空間理論（GNWT）、整合信息理論（IIT）以及再入和預(yù)處理理論。這些理論不僅圍繞大腦探討意識問題，還強調(diào)了主體身體與環(huán)境之間相互作用的重要性，影響著意識產(chǎn)生所要求的各種能力：表征、感官、感知等等。而腦類器官最明顯的特征之一，恰恰是它完全脫離身體，無論是運動還是感知，沒有任何軀體經(jīng)驗歷史。雖然已有實驗表明腦類器官的神經(jīng)放電活動類似于大腦編碼經(jīng)驗相關(guān)的模式，但仍然存在一個問題：一個能夠編碼經(jīng)驗但沒有經(jīng)驗歷史的框架（腦類器官）能否產(chǎn)生意識？沒有內(nèi)容，意識會存在嗎？

早在2022年，Kosik在Nautilus雜志上發(fā)表的長文[27]就提出，腦類器官沒有意識的重要原因就是它們并不擁有核心性質(zhì)——抽象提取能力。意識需要抽象過程，而這一過程基于我們對感官世界的印象和運動反饋之間的相關(guān)性。當(dāng)我們看到餐桌上的紅色蘋果，就會觸發(fā)如下過程：物體反射的光激活了視網(wǎng)膜中的光感受器，向大腦傳送了一個信號；信號中包含著豐富的關(guān)于物體顏色、大小和環(huán)境等信息。經(jīng)過世間多年生活經(jīng)驗，與單詞“紅色”和“蘋果”這兩個概念對應(yīng)的放電模式已產(chǎn)生，最終我們“意識”到桌上放的是紅蘋果。而腦類器官的神經(jīng)放電活動卻不與任何現(xiàn)實中的東西相關(guān)聯(lián)。

當(dāng)然，也有科學(xué)家持肯定意見，英國蘇塞克斯大學(xué)認知神經(jīng)科學(xué)家Anil Seth在一次《自然》播客[28]中表示，自己并不排除腦類器官產(chǎn)生意識的可能性，隨著腦類器官的復(fù)雜性和與人類大腦相似性的不斷提升，即便結(jié)構(gòu)不完全等同于人腦，它們也完全有可能擁有意識體驗。

盡管持否定觀點的科學(xué)家居多，但一些有趣的實驗表明，產(chǎn)生意識的基本要素可能已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)。

在加州大學(xué)圣地亞哥分校神經(jīng)科學(xué)家Alysson Muotri的實驗室內(nèi)，陳列著數(shù)百個培養(yǎng)皿——里面漂浮著芝麻大小的腦類器官。他用各種不同尋常的方法來操控腦類器官，其中一項實驗成果引起了廣泛關(guān)注。2019年，Moutri團隊在《細胞干細胞》上發(fā)表的論文[29]報告創(chuàng)造出能產(chǎn)生協(xié)調(diào)活動波的腦類器官，類似于早產(chǎn)兒腦中看到的活動腦波。這種全腦協(xié)調(diào)性電活動是大腦有意識的特征之一，因此團隊認為腦類器官基本上模擬了人類大腦初期的發(fā)育過程。然而，對于該結(jié)果也有質(zhì)疑，主要在于類似早產(chǎn)兒的腦電波并不意味著可以將腦類器官與嬰兒大腦劃等號。而且嬰兒的腦電波與成人不同，往往呈現(xiàn)出非常雜亂、無規(guī)律的波動。

Muotri實驗室中的一盤腦類器官，來源：David Poller/ZUMA Wire, via Alamy Live News

同年，京都大學(xué)的坂口秀哉 （Hideya Sakaguchi）團隊在《干細胞報告》期刊上報告[30]，成功將皮質(zhì)球體中單個神經(jīng)元之間的網(wǎng)絡(luò)活動和連接可視化。團隊檢測到了鈣離子活動的動態(tài)變化，并發(fā)現(xiàn)了能夠自行組織成簇并與附近其他簇形成網(wǎng)絡(luò)的細胞之間的綜合活動。同步神經(jīng)活動的表現(xiàn)，可以作為各種相關(guān)大腦功能的基礎(chǔ)，包括記憶。研究發(fā)現(xiàn)的另一個重點是體外生長的神經(jīng)元會自發(fā)激發(fā)，這是神經(jīng)元在人腦中生長和建立新連接的方式之一。

繞不開的倫理問題

學(xué)界就意識問題各持己見，但科學(xué)家們也共同認識到，創(chuàng)建意識系統(tǒng)要比定義容易得多。因此，腦類器官研究也正凸顯了一個盲點：科學(xué)家沒有商定一致的方法來定義和測量意識。

就連Muotri本人也承認，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(tài)。于是，對于腦類器官是否產(chǎn)生意識，也成為了科研人員個人的理論偏好，會影響個人的研究方法和目的。

所以，未雨綢繆。Anil Set提出在尚沒有任何明確方法來評估類器官意識狀態(tài)之時，必須先發(fā)制人確定倫理框架。美國埃默里大學(xué)的神經(jīng)倫理學(xué)項目主任Karen Rommelfanger也贊同，認為腦類器官與其他身體類器官研究的差異不僅涉及生物學(xué)方面，而且還包括倫理方面。意大利帕維亞大學(xué)的Andrea Lavazza認為，在未來，類器官可能會表現(xiàn)出體驗疼痛等基本感覺的能力，從而表現(xiàn)出感知能力，甚至是基本的意識形式。這要求我們考慮是否應(yīng)該賦予腦類器官道德地位，以及應(yīng)該引入哪些限制來規(guī)范研究[31]。

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