百科：類大腦的作用和倫理問題

美國俄亥俄州立大學(xué)的生物化學(xué)和藥理學(xué)教授阿南德近日在美國佛羅里達(dá)州舉辦的軍事衛(wèi)生系統(tǒng)研討會上宣稱，他們已經(jīng)在培養(yǎng)皿中培育出近乎完整的大腦，它相當(dāng)于5周胎兒大腦的成熟度。雖然這個大腦只有鉛筆的橡皮擦頭大小，但卻包括了人類胎兒大腦中存在的99%的基因。
　　
　　類器官中的No.1
　　阿南德等人培育的大腦其實是類器官中的一種，但在重要性上卻是位居第一的類器官。類器官是干細(xì)胞研究的直接成果之一，因為利用各種干細(xì)胞可以培育出種種類器官，供生命、醫(yī)藥研究之用，而且可以成為臨床治療許多頑癥的一種重要和有效的手段。
　　由干細(xì)胞培育出來的類器官是一種微型器官，它們具有器官的某些功能。如果以器官的功能和作用來審視，大腦無疑是最重要的一種類器官，因為它是生物的指揮和行為中心。
　　根據(jù)阿南德等人的介紹，培育類大腦的過程似乎比較輕松。一開始，研究人員把成人皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)化成誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞（IPS），這種細(xì)胞可以重編程成任何人體組織。
　　但是，由于人類大腦的復(fù)雜性，阿南德等人一直不能培育出大腦組織。于是，他們改進(jìn)技術(shù)，把能夠發(fā)育成神經(jīng)組織的細(xì)胞區(qū)分和提取出來，放在一個模擬子宮環(huán)境的裝置中進(jìn)行培育。
　　經(jīng)過12周培養(yǎng)，長成了相當(dāng)于5周大的胎兒的完整大腦。通過高分辨成像觀察這個培育出的類大腦可以發(fā)現(xiàn)，它具有功能神經(jīng)元、軸突、樹突、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞，同時激活了大腦中具有典型興奮和抑制功能的神經(jīng)細(xì)胞的標(biāo)記。
　　此外，這個類大腦還連接了脊髓，有信號傳導(dǎo)甚至視網(wǎng)膜組織。
　　類大腦的意義
　　根據(jù)形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，這個類大腦具有與真正的大腦相似的完整的組織形態(tài)和各種神經(jīng)元，因此阿南德認(rèn)為這是一顆完整的大腦。過去，研究人員曾培養(yǎng)出近似9周大胎兒的腦組織，但不是完整的大腦。
　　當(dāng)然，這次的類大腦也并非完整意義的大腦，因為發(fā)育成5周大的胎兒大腦一般需要培育15周時間，但現(xiàn)在只培育了12周，而且只具有人類胎兒大腦中存在的99%的基因。不過，如果讓這個類大腦繼續(xù)發(fā)育到16～20周，可能會發(fā)育和補齊缺失的1%基因。
　　但是，繼續(xù)培育更成熟的大腦需要血液供應(yīng)，阿南德承認(rèn)他們的研究團(tuán)隊尚無這種能力。最好的辦法是，制造一個人造心臟來供血，以幫助這個類大腦進(jìn)一步發(fā)育，如此就有可能讓這個類大腦發(fā)育更成熟，成為擁有完整的人類大腦基因的類大腦。
　　當(dāng)然，這只是估計，研究人員能否培育出像真正的胎兒大小一樣、功能完備的大腦還是一個未知數(shù)，但是，其意義也非常巨大。
　　這個類大腦培育出來最大的意義是避開了使用胚胎干細(xì)胞的局限和爭論。具有全能分化的胚胎干細(xì)胞是研究人員所心儀的生物醫(yī)學(xué)原材料，因為胚胎干細(xì)胞可以分化為各種組織和器官，具有貨真價實的質(zhì)量。但是，胚胎干細(xì)胞的倫理爭議最大。當(dāng)今世界上無論哪個國家的研究人員都不敢越雷池一步，即使利用人的胚胎干細(xì)胞進(jìn)行研究，也只能限于14天的胚胎，此后就要銷毀胚胎，這是各個國家人類胚胎干細(xì)胞研究倫理的基本準(zhǔn)則。如果用人的胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)出人的各種器官，顯然會超過14天，是對這一倫理原則的違背。
　　所以，阿南德等人的研究采用的是成人的皮膚細(xì)胞，并生成誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞，回避了人類胚胎干細(xì)胞的倫理爭議，這實際上是一個非常巧妙的研究途徑和方式。
　　類大腦的作用
　　相當(dāng)于5周大胎兒的類大腦有什么作用？阿南德提供的答案是，這個大腦模型能進(jìn)行藥物試驗。在藥物上市前必須進(jìn)行臨床人體一至三期試驗，在進(jìn)行人體試驗之前，可以用這種類大腦檢測研發(fā)的新藥，其次可以利用這種類大腦對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如阿爾茨海默?。ɡ夏晷园V呆）、帕金森病等進(jìn)行研究，包括這些疾病的大腦生物學(xué)原因、病理和環(huán)境對大腦影響的研究。
　　在阿南德等人培育出類大腦之前，能夠利用的技術(shù)是用干細(xì)胞培育出神經(jīng)細(xì)胞來治療帕金森病或阿爾茨海默病，但是迄今也只是進(jìn)入動物試驗階段。以帕金森病為例，該病的部分發(fā)病原因被視為大腦中的多巴胺神經(jīng)元受損，這類神經(jīng)細(xì)胞不能制造傳遞神經(jīng)信號的物質(zhì)多巴胺。對帕金森病死亡患者的解剖發(fā)現(xiàn)，中腦黑質(zhì)多巴胺（DA）能神經(jīng)元有廣泛變性死亡、紋狀體DA含量顯著性減少以及黑質(zhì)殘存神經(jīng)元胞質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)嗜酸性包涵體（路易小體）。
　　由于多巴胺能神經(jīng)元受損，不能制造多巴胺，病人表現(xiàn)為一側(cè)肢體震顫或活動笨拙，進(jìn)而發(fā)展到對側(cè)肢體，出現(xiàn)靜止性震顫、運動遲緩、肌肉強直、姿勢步態(tài)障礙和身體僵硬。而且，帕金森病患者還出現(xiàn)抑郁、便秘和睡眠障礙等非運動癥狀。這些也是大腦神經(jīng)元受損的后果。用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞培育出多巴胺能神經(jīng)元并移植到患者大腦中就成為一種有希望的治療方法。
　　2012年，日本京都大學(xué)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞研究所的高橋淳研究小組在美國《干細(xì)胞》雜志發(fā)表文章稱，該研究小組從猴子受精后1周的受精卵內(nèi)側(cè)取出一部分細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，制作成胚胎干細(xì)胞，再讓胚胎干細(xì)胞生長42天，使其生長為神經(jīng)細(xì)胞，然后再將這些細(xì)胞制作成含有35%的能夠分泌多巴胺的神經(jīng)細(xì)胞團(tuán)塊。
　　此后，把這些細(xì)胞團(tuán)塊分別移植到4只患有帕金森病的猴子腦內(nèi)。6個月之后，猴子的手足震顫都消失了，從原先抱著籠子不能活動的癱瘓狀態(tài)變?yōu)槟軌蛟诨\子中來回走動。檢查發(fā)現(xiàn)，猴子的腦中長成了新的多巴胺能神經(jīng)元。
　　2013年，高橋淳研究小組又利用一只猴子的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞培育出多巴胺能神經(jīng)元，對同一只猴子進(jìn)行自體移植以及對其他猴子進(jìn)行異體移植試驗，3個月后觀察猴子腦部變化，結(jié)果顯示，接受自體移植的猴子幾乎未出現(xiàn)排異反應(yīng)，并且改善了其帕金森病癥狀。但在接受異體移植的猴腦內(nèi)，一部分移植的細(xì)胞因排異反應(yīng)而死亡。這說明，用自體細(xì)胞誘導(dǎo)生成干細(xì)胞，再定向培育成多巴胺能神經(jīng)元可以避免免疫排異反應(yīng)，有效治療帕金森病。顯然，無論是用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞生成的多巴胺神經(jīng)元還是胚胎干細(xì)胞生成的多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行移值，都可以有效治療靈長類動物的帕金森病，下一步需要進(jìn)行人的試驗才能確定這種神經(jīng)元移植是否可以治療人的帕金森病。
　　現(xiàn)在，阿南德等人培育出了5個月大胎兒的類大腦，比此前的干細(xì)胞移植治療帕金森病具有更大的優(yōu)勢。因為，這種類大腦的細(xì)胞已經(jīng)基本成形，有成熟的分門別類的神經(jīng)細(xì)胞。因此，可以直接從中腦黑質(zhì)中提取多巴胺能神經(jīng)元來進(jìn)行移植試驗，看看治療帕金森病，甚至治療阿爾茨海默病的效果如何。這樣的方式比干細(xì)胞培養(yǎng)和移植治療疾病能大大前進(jìn)一步。
　　類大腦的隱患
　　類大腦的作用并不只是供移植治療疾病，它的多種作用人們也許始料不及。對于各種神經(jīng)精神疾病的研究，類大腦提供了生物實物模型。例如，創(chuàng)傷后應(yīng)激綜合征、抑郁癥、精神分裂癥、自閉癥等人類至今都束手無策的疾病，不僅可以從大腦解剖部位來定向定位研究，還可以從大腦組織和大腦物質(zhì)，包括大腦分泌的種種物質(zhì)，如蛋白、激素、神經(jīng)遞質(zhì)，以及大腦的生物電流來研究，從而弄清原因，提供預(yù)防和治療的線索。
　　更重要的是，如果能培育大腦，也為人們直觀地了解大腦提供了一個難得的機會和方式，尤其是對于人腦計劃有著重要的幫助，甚至是決定性的意義。美國在2013年發(fā)起的人腦計劃被視為繼人類基因組計劃之后另一個宏偉的科學(xué)研究計劃，這一計劃的內(nèi)容包括，統(tǒng)計大腦細(xì)胞類型、建立大腦結(jié)構(gòu)圖、開發(fā)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記錄技術(shù)、開發(fā)操作神經(jīng)回路的工具、了解神經(jīng)細(xì)胞與個體行為之間的聯(lián)系、把神經(jīng)科學(xué)試驗與理論、模型、統(tǒng)計學(xué)等整合、描述人類大腦成像技術(shù)的機制、為科學(xué)研究建立收集人類數(shù)據(jù)的機制和知識傳播與培訓(xùn)等。
　　如果研究人員能全程觀察到大腦是如何生長和發(fā)育的，對于上述任務(wù)以及其他大腦計劃任務(wù)的完成就提供了實時和真實的模型。例如，海馬回是何時長成的，是否對記憶和學(xué)習(xí)有重要作用，以及如何起作用，都可以在觀察大腦中的海馬回生長和形成中獲得線索甚至答案。
　　類大腦的最大作用是，它能否作為一個完整的大腦行使人的智慧功能，如果可以，就遠(yuǎn)比仿制大腦的人工智能或智能機器人要強大得多，但也危險得多。用誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞培育大腦看似繞過了使用胚胎干細(xì)胞的倫理限制，卻進(jìn)入了更大的潛在的危險之地。
　　阿南德稱，培育出的這個大腦沒有意識，也不會思考，相關(guān)研究不存在任何倫理問題。而且，基于大腦功能的形成是要與現(xiàn)實形成反饋和神經(jīng)回路，阿南德也表示，“我們不向這個大腦輸入任何感官刺激。這個大腦不以任何方式進(jìn)行思考”。即便如此，未來利用這種類大腦還是有太多的想象和實施的空間。
　　如果這個類大腦培育的時間更長，讓其發(fā)育成擁有人類大腦所有基因的完整大腦，而且在培育這種大腦的同時制備相應(yīng)的各種人體器官甚至是多種材料的機器人軀體，讓這個類大腦能指揮四肢和機器人所有的行動，同時在類大腦發(fā)育的后期像人的大腦發(fā)育一樣，給予其刺激，讓其具有成人的思維或超越人類的思維與智力，這就可能形成超越目前為止所有的人工智能、機器人對人類的威脅。
　　現(xiàn)在，IBM公司已經(jīng)開發(fā)出一些智能芯片，為構(gòu)建模擬人腦感知、運行乃至思維能力的智能網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。對此，英國物理學(xué)家霍金表示了擔(dān)憂?！俺晒χ圃斐鲆慌_人工智能機器人將是人類歷史上的里程碑。但不幸的是，它也可能會成為我們歷史上最后的一個里程碑，除非我們能學(xué)會如何去規(guī)避這種風(fēng)險?！币驗?，擁有超級大腦的機器將能夠不斷進(jìn)行自我改進(jìn)，從而不斷提升自身的能力，并可能超過人類。
　　當(dāng)然有人認(rèn)為霍金對人工智能超越人類的擔(dān)心是杞人憂天，因為人工智能不具有生物的可復(fù)制、學(xué)習(xí)、溝通、理解、暗示等多種能力，但真正的人類大腦被培育出來并有機地裝配到機器人體內(nèi)，就有可能具備上述種種能力，即人腦和人類能力的無限潛能，這才是人類最大的威脅。