類大腦的作用和倫理問題

楊雄雄

美國俄亥俄州立大學的生物化學和藥理學教授阿南德近日在美國佛羅里達州舉辦的軍事衛(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。類器官是干細胞研究的直接成果之一，因為利用各種干細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胞轉(zhuǎn)化成誘導的多能干細胞（IPS），這種細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，他們改進技術(shù)，把能夠發(fā)育成神經(jīng)組織的細胞區(qū)分和提取出來，放在一個模擬子宮環(huán)境的裝置中進行培育。

經(jīng)過12周培養(yǎng)，長成了相當于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)細胞、少突膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞，同時激活了大腦中具有典型興奮和抑制功能的神經(jīng)細胞的標記。

此外，這個類大腦還連接了脊髓，有信號傳導甚至視網(wǎng)膜組織。

類大腦的意義

根據(jù)形態(tài)標準，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)，阿南德承認他們的研究團隊尚無這種能力。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胞的局限和爭論。具有全能分化的胚胎干細胞是研究人員所心儀的生物醫(yī)學原材料，因為胚胎干細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，胚胎干細胞的倫理爭議最大。當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胞進行研究，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胞研究倫理的基本準則。如果用人的胚胎干細胞培養(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胞，并生成誘導的多能干細胞，回避了人類胚胎干細胞的倫理爭議，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，這個大腦模型能進行藥物試驗。在藥物上市前必須進行臨床人體一至三期試驗，在進行人體試驗之前，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）、帕金森病等進行研究，包括這些疾病的大腦生物學原因、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)是用干細胞培育出神經(jīng)細胞來治療帕金森病或阿爾茨海默病，但是迄今也只是進入動物試驗階段。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。用誘導多能干細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，日本京都大學誘導多能干細胞研究所的高橋淳研究小組在美國《干細胞》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)取出一部分細胞進行培養(yǎng)，制作成胚胎干細胞，再讓胚胎干細胞生長42天，使其生長為神經(jīng)細胞，然后再將這些細胞制作成含有35%的能夠分泌多巴胺的神經(jīng)細胞團塊。

此后，把這些細胞團塊分別移植到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多能干細胞培育出多巴胺能神經(jīng)元，對同一只猴子進行自體移植以及對其他猴子進行異體移植試驗，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)，一部分移植的細胞因排異反應(yīng)而死亡。這說明，用自體細胞誘導生成干細胞，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，無論是用誘導多能干細胞生成的多巴胺神經(jīng)元還是胚胎干細胞生成的多巴胺能神經(jīng)元進行移值，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，這種類大腦的細胞已經(jīng)基本成形，有成熟的分門別類的神經(jīng)細胞。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。這樣的方式比干細胞培養(yǎng)和移植治療疾病能大大前進一步。

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研究計劃，這一計劃的內(nèi)容包括，統(tǒng)計大腦細胞類型、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)細胞與個體行為之間的聯(lián)系、把神經(jīng)科學試驗與理論、模型、統(tǒng)計學等整合、描述人類大腦成像技術(shù)的機制、為科學研究建立收集人類數(shù)據(jù)的機制和知識傳播與培訓等。

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，是否對記憶和學習有重要作用，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。用誘導的多能干細胞培育大腦看似繞過了使用胚胎干細胞的倫理限制，卻進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，英國物理學家霍金表示了擔憂?！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，除非我們能學會如何去規(guī)避這種風險?！币驗椋瑩碛谐壌竽X的機器將能夠不斷進行自我改進，從而不斷提升自身的能力，并可能超過人類。

當然有人認為霍金對人工智能超越人類的擔心是杞人憂天，因為人工智能不具有生物的可復(fù)制、學習、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。