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构成你的分子,能否代表你的存在?

构成你的分子,能否代表你的存在?
2021年09月18日 11:33 新浪网 作者 返朴

  

  图:Jeremy A. Leung

  撰文 Phil Jaekl

  翻译 M.W. 

  审校 杜彧

  编辑 Orange Soda

  本文经授权转载自微信公众号“神经现实”

  在西班牙西北部的阿斯图里亚斯地区,一幅洞穴壁画上画着一头长毛猛犸象,其仅有的一个内部特征就是一颗巨大的红色心脏。这一至少历经14000年之久的艺术品,大抵描绘着一次成功的捕猎以及血淋淋的伤口。在人类最初的历史里,正是人们对脉搏、呼吸、和心跳的觉察使他们能够将活生生的生命和一块肉区分开来

  而由于人们逐渐认识到大脑在意识中扮演的重要角色,也由于科技的发展使病人能够依赖生命支持设备来维持心脏和肺部运转,呼吸、心跳和生命本身的根本性联结在人们的认知中逐渐被取代。现如今,生命或是死亡皆取决于大脑活动的存在或消失。这样的定义不无道理,毕竟和其他器官不同,大脑不仅标志了你生命的存在,更是你作为一个个体并拥有独特的身份、记忆、对世界的理解及主观体验的关键

  为了更好地洞悉大脑如何构成自我,我们需要理解它在神经元连接水平上的复杂结构——毕竟,我们已经通过理解生物学结构认识了各种生命形态的本质。植物茁壮生长是因其宽阔的叶子完美地将光能转化为了化学能。同样地,不论是人还是昆虫的眼睛都能在神经系统中将周围环境里的光转化为携带着环境特征信息的电脉冲,也就是电信号。但是每当谈及结构和功能之间的关联,大脑总是扮演着神秘的角色。大脑不像其他有着特定功能的器官(例如眼睛、心脏、甚至是手)能依靠手术进行替换。就算有一天我们实现了大脑的移植,你还是不能在和其他人的大脑进行交换后仍然保持心智上的一致。这种替换大脑的设想在逻辑上就是一个谬论。

  

  图:Raymond Schroeder

  那么大脑究竟是如何产生个体经验的呢?

  自降生开始,一个人的大脑结构很大程度上已经由其在子宫里的经验和其独特的遗传编码所决定了。当我们年龄渐长,经历会继续给大脑中的神经连接带来独一无二的改变:在大脑的某些区域,一些连接会增加,而在另一些区域则会减少。随着一个人年龄增长、学习新知识、获得新的经历,神经元连接一次又一次地“改道”,如此累积成了连接结构的改变。此外,即使是已经存在的连接也会发生强度上的改变。这些过程在双胞胎中尤为显著:双胞胎在出生时大脑惊人地相似;但由于他们长大后各自学习、体验世界,他们的大脑开始逐渐变得不同,并且他们本质的自我变得越来越独一无二。

  本质上来说,正是这个过程造就了记忆。而记忆的重要性体现在,它于我们不知不觉之时影响了自我意识的各个角落。就连如何骑车、说出一个单词,甚至走路这些无意识的过程都需要记忆的参与。但是,令人难以置信的是,失温症(Hypothermia)患者在经历了数小时的临床死亡(也就是说不论心脏还是大脑的活动都消失了一段时间后),醒来后竟能得到完全恢复。这意味着持续的神经电活动并不是大脑中记忆储存的必要条件。

  虽然一些大脑的解剖结构确实有特定的功能,但是单独的任一脑区都无法实现记忆的生成、储存和回想等功能。诚然,例如杏仁核和海马等结构都对记忆起着关键作用,但我们决不可能将记忆仅仅定位到一个特定的脑区——这就像在欣赏贝多芬第5号交响曲时只听弦乐器一样(噔-噔-噔-噔—)。相反,从广义上来说,记忆其实存在于在大脑整体的连接结构——“连接组”(Connectome)的独特性里。连接组由完整的神经元网络以及神经元之间的连接——“突触”所组成。有人主张道,从本质上来说“你就是你的连接组”。

  因此,揭示连接组和记忆关系的一个关键就是理解完整的神经回路。但考虑到其复杂性,在连接组的尺度上描绘大脑的线路可不是一件容易事。据估计,仅仅1mm³的脑组织大约就包含了5万个神经元以及数量惊人的13亿突触。一个完整的人脑体积超过1.0×10⁶mm³,包含了860亿神经元,几乎可以和我们估测的银河系中恒星的数量相匹敌。

  

图:

  Nicolas Antille

  最关键的一个数字非神经突触的总数莫属——令人头晕目眩的“一百万亿”。因此只有当我们弄清楚神经电信号通过这些连接的线路,我们才有可能全面理解产生记忆和主观经验所必需的那些神经活动的模式。

  获取连接组非常有利于解答神经元和行为的关系这一根本问题。杰夫·李奇曼(Jeff Lichtman)是一位哈佛大学的神经科学家,也是连接组学先驱。我咨询他,我们能对人类连接组做什么、我们能否复制它,他说这些工作的确有深远的意义。例如,针对精神分裂症和自闭症之类的神经认知障碍(通常被视作神经连接异常导致的问题),我们也许能提出远比当今更有效的疗法,尽管我们现在仍不能十分确定具体怎么治疗。

  不论是什么物种,在个体一生的成长发育过程中,大脑的接线图都一直在发生改变。这一观点启发了李奇曼的研究。而他最大的动力则是从连接组数据中描画出心智未知的边界。他认为从这个角度来说,连接组就类似基因组。他说,绘制出完整的人类连接组就像发现完整的基因组一样——我们现在还无法预测它将开辟出一个怎样的新宇宙。

  但其他物种更简单的连接组模型其实已经帮助科学界进步了不少。例如,美国艾伦脑科学研究所(Allen Institute for Brain Science)给小鼠整个大脑的线路做了示踪,说明了不同种类的神经元如何连接各种解剖区域。珍利亚研究园区(Janelia Research Campus)的项目组与谷歌公司的科学家合作,在弗吉尼亚州阿什本地区的霍华德·休斯医学研究所,研究者们以单个神经元为单位绘制了果蝇连接组的一大重要区域;这一壮举花费了足足12年、至少4千万美元。

  

  甚至在这些非凡的成就之前,这一领域的先驱在上世纪80年代就绘制了一种线虫——秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)——完整的连接组,包括302个神经元和大约7600个突触,这项工作多年以来都引领着该领域的研究。通过对线虫连接组的活动进行复杂模拟,我们得以揭示它们蠕动时连接组同步活动的模式。

  不论什么物种,连接组中,看似不相关的脑区之间神经信号的同步与协调也为一连串事件的执行与记忆提供了基础。例如,当幼鸟学习鸣叫声时,它们在不同的几组神经元里编码、储存、提取它们从其他鸟那里听来的发声模式,这些神经元继而激活能产生相同声音模式的一系列肌肉活动。现在,至少20项正在进行的研究正探索人类连接组与它在记忆中的角色,其中很多研究都是由一家名为美国国立卫生研究院连接组学协调研究所(Connectome Coordination Facility of the US National Institutes of Health)的机构合作完成的。

  但是,目前为止,我们仍然无法实现在活体动物中、以单个神经元水平绘制连接组;我们必须先将动物大脑取出。在分析结构前,我们需要向其大脑灌注诸如甲醛之类的固定剂,并将大脑切成尽可能多的薄片,而这样的煞费苦心只为找到单个神经元并追踪它们各自的路径。为达这一目的,研究者们要用各种显微镜技术记录下每一片切片的特征。这项工作完成之后,通过分析不同种类的神经元以及兴奋性或抑制性的神经元连接,我们就可以估测大脑中的电流模式。这个过程的关键在于,将取出的脑组织切片之前,我们要能完好地保存它复杂的连接组。

  现如今,我们仍无法保存人类大脑完整的连接组。我们的大脑在死后退化得太快。没有了富氧的血流,新陈代谢活动(维持有机体细胞生命的一系列化学反应)水平显著下降。当脑细胞停止新陈代谢时,五分钟之内,新鲜氧气的缺乏就会导致不可逆的结构性脑损伤。因此,要想绘制连接组,我们需要尽快将切片储存起来,以最小化损伤

  正因如此,要想精确保存整个连接组的结构,我们需要一种能将所有单个神经元及其突触连接原封不动保存下来的方法——而要绘制一个人类的连接组,这个方法要能成功一百万亿次以上。

  因此,能够留住完整连接组的人类脑保存技术就有着深远的意义。如果你真的就是你的连接组,你被你所持有的记忆所定义,而你的本质就刻印在连接组的结构里——那么大脑的保存本质上意味着你被保存下来了——你连接组意义上的自我(connectomic self)被保存下来了。

  理论上来说,这一套逻辑意味着人类未来可能逃离死亡

  

图:

  Medical Visualization

  2010年,一群神经科学家因为这一共同观点聚集到一起,创立了脑保存基金会(Brain Preservation Foundation, BPF)来实现他们的想法。该基金会的主席兼联合创始人肯内特·海华斯(Kenneth Hayworth)同样也是珍利亚研究园区的一名高级科学家。电话中他告诉我,他希望更多科学家加入到大脑保存的行列中来,以此为身患绝症的病人提供一个新的选择。他说,“我认识一些医院里临终的病人,他们已经根本没有任何选择了。如果没有人为这个程序做宣传,那么它永远不会成为可能……希望在我必须面对绝症的时候,能有这个选择吧。”

  组织成立后为新的连接组保存技术准备了10万美金的比赛奖金,这些钱是由科技企业家兼扑克高手萨尔·维尔夫(Saar Wilf)捐赠的。这项大赛基于大脑的体积分为两项竞赛,分别针对小型哺乳动物和大型哺乳动物的研究。任何愿意付出大量精力的人都可以参与这个挑战,而大赛对包括分子层面的电子显微镜扫描等事宜给出了详细的评估标准。

  还有谁比人体冷冻技术界更能应对这项挑战呢?他们一直以来致力于超低温保存生前患有绝症的人(或者仅仅是他们的脑子)——这些人能被储存于液氮中,将来在治疗方法被研发出来之时再将他们解冻。海华斯希望奖金能鼓舞他们进一步论证这一保存技术的有效性。他跟我说:“这个奖项是想告诉那些人体冷冻技术供应商,要么就行动,要么就闭嘴。”

  但在2018年之前,人体冷冻技术还没有任何实际行动。相反,加州有一家致力于保存冷冻标本的私营低温生物学研究企业21CM(21st-Century Medicine),他们的科学家展示了储存的兔脑以及猪脑中完整的连接组,并赢得了两个奖项的奖金。格雷格·费伊(Greg Fahy)是21CM的创始人,也是一名经验丰富的低温生物学家,他和麻省理工学院研究生罗伯特·麦金泰尔(Robert McIntyre)一同开创了这项技术。这个过程技术上称为醛固定超低温保存(aldehyde-stabilised cryopreservation),现在则有了玻璃化固定(vitrifixation)的商标,这一过程依赖于使用一种名叫戊二醛(一直以来被用作消毒剂)的快速反应固定剂,还有其他能使大脑进入玻璃化的物理状态的化学药品,因此被命名为玻璃化固定。

  

  这个技术激发了未来主义者的革命,因为理论上来说,-135°C以下的低温冷冻一定能将连接组保持完整。这一温度下,所有的新陈代谢、生物过程都停下来,使得几百年甚至几千年的储存都成为可能、且不会发生任何腐烂。假如以上关于“连接组意义上的自我”以及记忆的作用的逻辑是正确的,那么玻璃化固定本质上就是无限期将你保存在一种假死的状态里

  麦金泰尔坚持认为,不单单是保存物理上的大脑结构,保存记忆也是十分有价值的。毕竟,人类进程归功于一次次发明创新上的大飞跃,且依赖于跨越时间框架的信息的传递。第一次大飞跃是口头语言的建立,然后也许是为了使信息保存得更为长久,人类有了能更准确传达信息的书面语言。麦金泰尔在电话里跟我说,“你能想象吗,如果回到书面文字还没有被发明的古时、告诉某人,在未来的有一天,他们所说的话将被刻进石头里亘古流传,然后被遥远未来的后世发现?他们完全不会相信你的。”

  他一开始就是被神经科学在大脑中记忆提取上的前景所吸引的,因为记忆要比诸如写作、声音甚至影像等现有的其他保存形式都更能容纳关于经历与事件的信息。麦金泰尔听过一段录音,录音中祖母讲述了她乘坐有篷马车从俄克拉荷马到德克萨斯州、及其他久远的生活经验;于是他开始思考,我们某种程度上能否从人脑中提取那些你从历史书上读过后就会遗忘的部分,毕竟相比之下,亲身经历过的历史肯定更容易被记住——他本质上就是想知道,我们能否提取一种“活着的记忆”,也就是亲临其境过后的第一手信息

  学生时代,他曾参观过一个神经科学实验室,那里的研究员都说这个想法太过古怪且无法实现。而他决定从计算的角度、通过人工智能解决这个问题。他在麻省理工学院完成了所有课程后,于2014年在父亲的陪伴下,在荒郊野外的一个小屋里完成了他的博士学位论文。他们俩的一次散步改变了他的人生。当时,父亲正拿着手枪以防响尾蛇攻击,他问麦金泰尔,除了人工智能,还能如何直接将记忆“打捞”出来呢?他们最后的结论是,最好的方法就是把问题留给还无法想象的未来科技,同时保存好那些记忆的源头,也就是连接组。

  

图:

  Jeremy A. Leung

  如果连接组可以保留能被人重新经历的记忆,那么它们的重要性无疑是独一无二的。就拿老士兵来说,他们的智慧源于在战场上经历的无数影响终身的事情。的确,我们能从教科书甚至个人回忆录中读到世界战争,但那种形式的信息缺乏亲身经历战争后才有的细节。麦金泰尔认为,那种深层次智慧将让人类拥有前所未有的知识、远见和判断力,它能逆转目前人类这种不可持续且将导致灭绝的走向。

  现在,脑保存基金会终于有了可以宣传的永久保存连接组中记忆的技术,也就是玻璃化固定。但不幸的是,这一过程中,用于灌注整个血管系统的固定剂会直接导致死亡——我们无法在不杀死记忆所属者的条件下永久保存记忆

  如果让你来经历整个流程,你将被全身麻醉然后失去意识。然后,你的胸腔被打开,你的动脉会被连接到一个灌注装置上。在血液被全部放光后,灌入的戊二醛会扩散到你大脑中的毛细血管中。那时所有的新陈代谢活动将会停止,这会在瞬时间使你丧命;同时,连接蛋白会将你的大脑织成一个牢固、持久的网状结构。随后,你的大脑会被灌入防冻剂。在提取大脑并实现无限期低温储存之前,防冻剂可以避免大脑产生结构性的损伤。

  讲一个糟糕的双关语:这看起来像一个不需要脑子就能想出来的事情。这种解决方法(死亡)比问题本身还糟糕:活生生的记忆被丢失了。然而海华斯和麦金泰尔都认为,即使玻璃化固定会致死,但它还是提供了一种让我们获得不朽的可能性。如果一个人所有相关的信息都能被扫描出来,那么我们就能以某种方法将它转化成一个功能上可替代大脑的人工媒介。关键在于,这个媒介在“运行起来”时要能准确且充分地将神经活动再现出来,而那些神经活动要能组成一个人的记忆、身份和经历,以唤起其独一无二的意识

  这一目标被称作“全脑仿真”(whole-brain emulation)。毕竟,谁说大脑非得由生物材料构成?如果心智能在一个网状的连接结构上直接运行,那么它就是“独立于物理载体”的了。这样,不需要载体本身,那些连接的排布和运转就涵盖了所有对于心智至关重要的信息。

  尽管相关的科学还在起步阶段,我们现在还是有一些重大突破的。有许多方法都曾设想用数字信息存储空间等数字媒体来提供仿真大脑活动。如今,脑机接口就实现了用意志来控制义肢的活动。此外,真正的神经义肢可以直接取代脑细胞,它们从形式到功能都极其接近。而且那些诸如Neuralink、Kernel、Building 8以及DARPA的数百万美元级别的技术公司甚至还在推动心智、大脑和计算机更为先进的连接,这项工作也将提高实现全脑仿真的可能性。

  

  所以到底如何仿真像大脑一样无比复杂的东西呢?两种方法曾备受关注。第一种,也是最流行的方法,是在分子层面上创建连接组及其活动的数字模拟,然后将其放置在网络空间(cyberspace)。在这个宏大的框架里,这一模拟必须十分完整且精确,从而能成为一种自然就携带个人身份、记忆、意识、思想、和感觉的仿真;正如我们现在对主观经验的理解一样——一个活跃的大脑自然就携带了主观经验。许多人都曾设想,在这一未来愿景中,我们会生活在一个虚拟、模拟的世界,而你将会与其他仿真的思想互通有无。第二种方法则包括将仿真的大脑移植到一个人造的假体中,也就是一种终极的半机械人(cyborg)——你的每个部分都是人造的。这样,你的心智可以凭借一个完全人造的身体存在于真实世界中。

  但很有可能在身体已经腐烂的时候,你那经过玻璃化固定的大脑及其他不朽的部分依然永生。无论何种情形,即便那个“新的你”是有着相同记忆、身份、感受以及主观的自我意识的一个完整而有意识的仿真体,很大程度上那也不再是真正的你了。相反,它只是一个分身(doppelgänger):一个各方各面都与你相同的复制品。毕竟我们还能创造许多个新的你;那么到底哪一个才是你呢?每一个都是吗?如果是这样,记忆、身份和有意识的主体经验将会像歌曲一样,可以在任何能产生“神经音符”的乐器上演奏出来。

  又或者,我们关于个人身份和生存的一些答案将会变成流动的,而不再是二元的“是或否”。当你上了年纪之后,你从本质上来说和刚出生时的你只有部分是重合的;但是整个转变过程中,又并不会出现年轻的你死去、老年的你被突然创造出来的时刻。本质上来说,我们势必要探寻一个问题:人类的存在是否只能被寄存于现在组成我们自己的那些分子里。在我们探索意识和连接组的过程中,我们思考它们的方式也有了巨大的转变。我在与李奇曼、海华斯以及麦金泰尔交流时,得到了一个相似的观点:尽管现在“复活”是一个抢手的目标,但在我们能真正理解它之前,人类的知识、文化和技术还将会有巨大的形式上的突破

  

  图:Maggie Chiang

  我针对这个问题咨询了麦金泰尔,他只是说:“大脑能做到的(例如,心脏停搏幸存者的大脑依然能在临床死亡后复活),我们也能做到——我们会找到方法的。”和李奇曼(他则认为自己是一个“现在主义者”,而不是未来主义者)一样,麦金泰尔用DNA的发现做了一个类比。“70年前我们发现它的时候,没有人真的知道我们实际上要对它做什么,但是现在……”海华斯补充道:“这肯定不会马上实现。”但他也表示:“人类终将理解大脑,尤其是随着扫描和模拟技术的发展……人类终会得到答案的。”

  这种深远的前景伴随着巨大的责任。玻璃化固定或许能让我们逃离死亡,但也因此引发了许多尚未解答的伦理问题。例如,我们使用这项技术的机会是平等的吗,还是说这项技术只能给那些能够负担得起的人使用呢?如何保护人们的记忆不被篡改、破坏或者盗窃?谁有这些记忆的所有权呢?在什么条件下,可以访问虚拟连接组中的记忆,又由谁来访问呢?

  这一技术的另一方面则不那么令人担忧:一旦我们实现了玻璃化固定的技术,它就有可能成为绝症患者的一种选择。

  说到这个,麦金泰尔和他在麻省理工学院的前室友迈克尔·麦坎纳(Michael McCanna)在赢得了10万美元的奖金后,成立了一家颇具争议的风险投资初创企业。他们的公司Nectome是一个大脑银行的项目。他们的公司网站上写道,其主要目标是保存并从本质上将人类记忆存档。目前,Nectome已经筹集了超100万美元的资金,并得到了美国国家心理健康研究所(NIMH)用于“全脑纳米级保存与成像”的96万美金联邦拨款。这项拨款还明确提出了“提供大脑保存的商机”的未来。

  

  Nectome已经有至少30 名支持者,每人都向他们捐款了1万美金。这个尚未在活人身上实践过的程序理论上来说已在美国五个州现行的绝症患者协助自杀法律中被列为合法。事实上,Nectome唯一一次人体玻璃化固定是在一个老妇人的大脑上进行的,她的遗体由遗体捐献公司Aeternitas Life捐赠给了麦金泰尔。手术是在妇人死后仅2.5小时进行的,由此诞生了目前为止保存最好的大脑之一。

  Nectome无疑也遭遇了一些严重的争议。各大媒体的报道都将这些捐赠误解为自杀手术的“存款”,而麦金泰尔立即作出否认。他对我说,“捐赠者只是想成为我们最早的支持者。我们不提供任何大脑储存服务。”但是作为对舆论的回应,麻省理工学院于2018年终止了与该公司在神经科学领域持续进行的合作。

  所有想成为Nectome客户的人必须面对一个发人深省的事实:他们很可能是在做无谓的等待。证实“我们能在连接组中发现自我”这一说法还有很长的路要走,并且我们可能永远也无从得知意识能否存在于机器当中。因此,参与玻璃化固定很可能无异于花大价钱去自杀。

  海华斯说,所有人都不应该在这项工作毫无保障的前提下冲动地保存自己的大脑。他说,相反,他只是想推动科学的发展。“显然,这可能没什么用,但是有很多人还在与死亡作斗争。(玻璃化固定)已经被证明,它能够非常可靠地将那些结构、以及当代神经科学认为用来编码的分子精确地保存下来。所以,如果绝症患者愿意的话,他们至少应该有冒这个险的机会。”

  从李奇曼所支持的现在主义到海华斯和麦金泰尔所实现的未来乐观主义,至少有一个观点是一致的,那就是:连接组将会极大地影响我们的未来——以未知但意义深远的方式

  

  

  

  本文经授权转载自微信公众号“神经现实”,原文:https://aeon.co/essays/mapping-the-brains-connective-structure-could-unlock-immortality

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