在 Alysson Muotri 的實驗室裡，數百個微型人類大腦，大小如芝麻，漂浮在培養皿中，閃爍著電活動。這些被稱為大腦類器官的微小結構，由人類幹細胞培育而成，已成為許多研究大腦特性的實驗室中常見的裝置。加州大學聖地亞哥分校的神經科學家 Muotri 發現了一些不尋常的方法來部署它們。他已將類器官連線到步行機器人，用尼安德特人基因改造它們的基因組，將它們送入軌道，搭載在國際空間站上，並將它們用作模型來開發更像人類的人工智慧系統。與許多科學家一樣，Muotri 暫時轉向研究新冠病毒，使用大腦類器官來測試藥物對抗 SARS-CoV-2 冠狀病毒的效能。
但一項實驗比其他實驗受到了更多的關注。2019 年 8 月，Muotri 的團隊在《細胞幹細胞》雜誌上發表了一篇論文，報告稱他們創造出了產生協調活動波的人類大腦類器官，這些活動波類似於在早產嬰兒中觀察到的活動波。在團隊停止實驗之前，這些波持續了數月。
這種遍佈大腦的協調電活動是意識大腦的特性之一。該團隊的發現促使倫理學家和科學家們提出了一系列道德和哲學問題，例如是否應該允許類器官達到這種高階發育水平，是否應該給予“有意識”的類器官特殊的待遇和權利，而不是其他細胞團，以及意識是否有可能從零開始創造出來。
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無軀體的、有自我意識的大腦的想法早已在許多神經科學家和生物倫理學家的腦海中。就在幾個月前，耶魯大學的一個團隊宣佈，他們至少部分恢復了在數小時前被宰殺的豬的大腦的生命。透過將大腦從豬的頭骨中取出，並注入化學混合物，研究人員恢復了神經元的細胞功能及其傳遞電訊號的能力。
其他實驗，例如將人類神經元新增到小鼠大腦的努力，也引發了質疑，一些科學家和倫理學家認為不應允許這些實驗。
這些研究為那些想要避免創造意識的人和那些將複雜類器官視為研究和測試人類疾病治療方法手段的人之間的辯論奠定了基礎。Muotri 和許多其他神經科學家認為，人類大腦類器官可能是理解自閉症和精神分裂症等獨特的人類疾病的關鍵，這些疾病無法在小鼠模型中詳細研究。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。
研究人員一直在呼籲制定一套類似於動物研究中使用的指南，以指導人道地使用大腦類器官和其他可能實現意識的實驗。2020 年 6 月，美國國家科學、工程和醫學院開始一項研究，旨在概述與大腦類器官和人-動物嵌合體相關的潛在法律和倫理問題。
對實驗室培育大腦的擔憂也凸顯了一個問題：神經科學家沒有商定的定義和衡量意識的方法。倫理學家們擔心，在沒有可操作的定義的情況下，將無法在實驗越過界限之前阻止它。
目前的實驗浪潮可能會迫使這個問題得到解決。英國蘇塞克斯大學的認知神經科學家 Anil K. Seth 說，如果科學家們確信類器官獲得了意識，他們可能需要趕緊就意識是如何產生的理論達成一致。但是，他說，如果一個人的首選理論認為類器官是有意識的，而另一個人的理論則不然，那麼對意識已經獲得的任何信心都會消失。“信心很大程度上取決於我們相信哪種理論。這是一個迴圈論證。”
在開發人類大腦類器官的過程中，前神經元細胞（紅色）轉變為神經元（綠色），神經元連線成網路（白色）。圖片來源：Muotri 實驗室/加州大學聖地亞哥分校
感知狀態
創造一個有意識的系統可能比定義它容易得多。研究人員和臨床醫生出於各種目的以多種不同的方式定義意識，但很難將它們綜合成一個簡潔的操作性定義，可以用來決定實驗室培育的大腦的狀態。
醫生通常根據患者是否會對疼痛或其他刺激眨眼或畏縮來評估植物人患者的意識水平。例如，研究人員還可以使用腦電圖 (EEG) 讀數來測量大腦在受到電脈衝刺激時的反應。有意識的大腦會顯示出比無意識的大腦複雜得多、不可預測的電活動，後者會以簡單、規則的模式做出反應。
但是，此類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腦成像研究時，科學家們已經表明，無反應的個體可以表現出一些類似於意識的大腦活動——例如，當被要求思考行走時，運動區域的活動。
無論如何，用於意識的標準醫療測試很難應用於在培養皿中生長的大腦細胞或脫離身體的動物大腦。當 Muotri 暗示他的類器官的放電模式與在早產嬰兒中觀察到的模式一樣複雜時，人們不確定該如何理解。一些研究人員不認為早產嬰兒的大腦活動足夠複雜，可以歸類為有意識。而且類器官無法眨眼或因疼痛刺激而退縮，因此它們無法透過意識的臨床測試。
相比之下，最近宰殺的豬的完整大腦更有可能具有意識的必要結構，以及動物活著時記憶和經歷所創造的連線。“想到一個充滿了這一切的大腦，很難想象這個大腦會是空虛的，”哈佛大學的哲學家和神經倫理學家 Jeantine Lunshof 說。“他們在思維方面能做什麼，我不知道，但肯定不是零，”Lunshof 說。正如耶魯大學團隊所做的那樣，讓死亡的大腦恢復到類似生命的狀態，可能有可能恢復一定程度的意識，儘管科學家們煞費苦心地透過使用化學阻斷劑來避免這種情況，這些阻斷劑阻止了遍佈大腦的活動。
研究人員一致認為，他們需要認真對待這些研究提出的可能性。2019 年 10 月，加州大學聖地亞哥分校舉辦了一次會議，約有十幾位神經科學家和哲學家，以及學生和公眾成員參加，目的是為未來的實驗建立和釋出一個倫理框架。但該論文被推遲了幾個月，部分原因是幾位作者無法就意識的基本要求達成一致。
日益複雜
研究這個問題的科學家和倫理學家說，到目前為止，還沒有人在實驗室中創造出意識。但他們正在自問應該注意什麼，以及哪種意識理論可能最相關。例如，根據一種名為整合資訊理論的觀點，意識是大腦中神經元網路連線的密集程度的產物。相互作用的神經元越多，意識程度就越高——這個量被稱為 phi。如果 phi 大於零，則該生物被認為是有意識的。
根據該理論，大多數動物都達到了這個標準。《大眾科學》顧問委員會成員、艾倫腦科學研究所 MindScope 專案首席科學家 Christof Koch 懷疑任何現有的類器官都能達到這個閾值，但他承認更高階的類器官可能會達到。
其他相互競爭的意識理論需要感官輸入或跨多個大腦區域的協調電模式。例如，一種被稱為全域性工作空間理論的觀點認為，大腦的前額葉皮層充當計算機，處理感官輸入並解釋它們以形成存在感。由於類器官沒有前額葉皮層，也無法接收輸入，因此它們無法變得有意識。“如果沒有輸入和輸出，神經元可能在相互交談，但這並不一定意味著像人類思想那樣的東西，”劍橋大學的發育生物學家 Madeline Lancaster 說。
然而，將類器官連線到器官可能是一項相當簡單的任務。2019 年，Lancaster 的團隊將人類大腦類器官與小鼠脊髓和背部肌肉一起培養。當來自人類類器官的神經與脊髓連線時，肌肉開始自發收縮。
神經科學家 Nenad Sestan 使用 BrainEx 平臺恢復了脫離身體的豬腦的神經活動。圖片來源：Jesse Winter
大多數類器官的構建目的只是為了複製大腦的一部分——皮層。但是，如果它們發育足夠長的時間，並且使用合適的生長因子，人類幹細胞會自發地重新建立大腦的許多不同部分，然後這些部分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細胞型別組成的大腦類器官，包括視網膜中發現的感光細胞。當暴露在光線下時，類器官中的神經元開始放電。但 Arlotta 說，這些細胞活躍並不意味著類器官能夠看到和處理視覺資訊。這僅僅意味著它們可以形成必要的迴路。
Arlotta 和 Lancaster 認為他們的類器官過於原始，無法產生意識，因為它們缺乏產生複雜腦電圖模式所需的解剖結構。不過，Lancaster 承認，對於高階類器官來說，這取決於定義。“如果你認為蒼蠅是有意識的，那麼類器官也可能是，”她說。
Lancaster 和大多數其他研究人員認為，與類器官相比，復甦的豬腦更有可能獲得意識。由神經科學家 Nenad Sestan 領導的豬腦研究團隊試圖尋找復甦器官的新方法，而不是創造意識。研究人員能夠讓單個神經元或神經元群放電，並小心翼翼地避免產生廣泛的腦電波。儘管如此，當 Sestan 團隊成員在一個大腦中看到看起來像協調的腦電圖活動時，他們立即停止了該專案。即使在一位神經病學專家證實該模式與意識不符後，該小組還是出於預防措施對大腦進行了麻醉。
Sestan 還聯絡了美國國立衛生研究院，尋求關於如何繼續進行的指導。該機構的神經倫理小組，包括 Lunshof 和凱斯西儲大學的生物倫理學家 Insoo Hyun，評估了這項工作，並同意 Sestan 應該繼續麻醉大腦。但該小組尚未就更普遍的法規達成一致，也沒有例行要求對類器官提案進行生物倫理評估，因為其成員認為意識不太可能產生。美國國立衛生研究院也沒有就意識的定義達成一致。“它太靈活了，每個人都聲稱擁有自己的含義，”Hyun 說。“如果我們不清楚我們談論的是同一件事，那麼對於討論來說就是一個大問題。”
模糊的定義
有些人認為，即使試圖在任何型別的實驗室維持的大腦中識別意識也是徒勞的。“鑑於我們不瞭解意識，要說關於這些成堆的大腦細胞可能思考或感知什麼的有意義的事情是不可能的，”比利時列日大學的神經學家 Steven Laureys 說，他率先提出了一些基於成像的植物人意識測量方法。“我們不應該太自大。”他說，進一步的研究應該非常謹慎地進行。
Laureys 和其他人指出，類器官的體驗可能與早產嬰兒、成年人或豬的體驗非常不同，並且不具有直接可比性。此外，類器官中的結構可能太小而無法準確測量其活動，並且類器官和早產嬰兒大腦的腦電圖模式之間的相似性可能是巧合。其他研究大腦類器官的科學家也警告不要對類器官中的活動模式與意識之間的聯絡做出假設。
“這個系統不是人類大腦，”斯坦福大學的神經科學家 Sergiu Pasca 說。“它們是由神經元組成的。神經元具有電活動，但我們必須仔細考慮如何比較它們。”
Muotri 希望他的類器官系統至少在某些方面與人類大腦具有可比性，以便他可以研究人類疾病並找到治療方法。他的動機是出於個人原因：他的青少年兒子患有癲癇和自閉症。“他在生活中掙扎得很辛苦，”Muotri 說。大腦類器官是一個很有希望的途徑，因為它們概括了大腦佈線的最早階段，而這些階段在人類胚胎髮育過程中是無法研究的。但他說，在沒有功能齊全的大腦的情況下研究人類腦部疾病，就像研究不產生胰島素的胰腺一樣。“要實現這一目標，我需要一個真正類似於人類大腦的大腦類器官模型。我可能需要一個變得有意識的類器官。”
Muotri 說，他對使用哪種定義來決定類器官是否達到意識持不可知論態度。他說，在某些時候，類器官甚至可能能夠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，加州大學聖地亞哥分校的數學家 Gabriel Silva 正在研究 Muotri 類器官中的神經活動，以開發一種描述大腦如何產生意識的演算法。他的專案部分由微軟資助，目標是建立一個像人類意識一樣工作的人工系統。
目前，美國或歐洲都沒有任何法規可以阻止研究人員創造意識。美國國家科學院小組於 2021 年 4 月釋出了一份報告，概述了最新的研究以及它認為適當的監督。成員們權衡了諸如是否獲得人們的同意以將其細胞發育成大腦類器官，以及如何人道地研究和處置類器官等問題。國際幹細胞研究學會也釋出了類器官指南，但沒有涉及意識，因為它認為科學尚未達到那個程度。
Hyun 說，美國國立衛生研究院神經倫理小組尚未看到任何關於創造複雜的、有意識的類器官的提案，這些提案需要制定新的指南。Muotri 說，他也不知道有其他人故意試圖創造有意識的類器官，儘管足夠複雜的類器官可能會根據某些定義意外地達到那種狀態。
儘管如此，Muotri 和其他人表示，他們歡迎更嚴格的指南。這些指南可能包括要求科學家證明他們使用的人類大腦類器官的數量是合理的，僅將它們用於無法以任何其他方式進行的研究，限制可以施加在它們身上的疼痛量，並人道地處置它們。
提前制定這樣的建議將有助於研究人員權衡創造有意識實體的成本和收益。許多研究人員強調，此類實驗有可能產生重要的見解。“那裡確實有患有神經系統疾病但沒有治療方法的有意識的人，”Lancaster 說。“如果我們因為哲學思想實驗而停止所有這些研究，”她補充說，“那將對真正需要一些新療法的人類非常不利。”
然而，治療方法仍然可以在使用小鼠幹細胞製成的大腦類器官或常規動物模型中進行測試。此類實驗還可以為關於人道使用人類類器官的討論提供資訊。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，這可能表明人類類器官在多大程度上概括了人類大腦。
Muotri 就個人而言，他認為研究人類類器官和使用實驗室小鼠之間沒有什麼區別。“我們使用有意識的動物模型進行研究，而且沒有問題，”他說。“我們需要向前邁進，如果事實證明它們變得有意識，說實話，我不認為這是一件大事。”