类大脑的作用和伦理问题

杨雄雄

美国俄亥俄州立大学的生物化学和药理学教授阿南德近日在美国佛罗里达州举办的军事卫生系统研讨会上宣称，他们已经在培养皿中培育出近乎完整的大脑，它相当于5周胎儿大脑的成熟度。虽然这个大脑只有铅笔的橡皮擦头大小，但却包括了人类胎儿大脑中存在的99%的基因。

类器官中的No.1

阿南德等人培育的大脑其实是类器官中的一种，但在重要性上却是位居第一的类器官。类器官是干细胞研究的直接成果之一，因为利用各种干细胞可以培育出种种类器官，供生命、医药研究之用，而且可以成为临床治疗许多顽症的一种重要和有效的手段。

由干细胞培育出来的类器官是一种微型器官，它们具有器官的某些功能。如果以器官的功能和作用来审视，大脑无疑是最重要的一种类器官，因为它是生物的指挥和行为中心。

根据阿南德等人的介绍，培育类大脑的过程似乎比较轻松。一开始，研究人员把成人皮肤细胞转化成诱导的多能干细胞（IPS），这种细胞可以重编程成任何人体组织。

但是，由于人类大脑的复杂性，阿南德等人一直不能培育出大脑组织。于是，他们改进技术，把能够发育成神经组织的细胞区分和提取出来，放在一个模拟子宫环境的装置中进行培育。

经过12周培养，长成了相当于5周大的胎儿的完整大脑。通过高分辨成像观察这个培育出的类大脑可以发现，它具有功能神经元、轴突、树突、星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞，同时激活了大脑中具有典型兴奋和抑制功能的神经细胞的标记。

此外，这个类大脑还连接了脊髓，有信号传导甚至视网膜组织。

类大脑的意义

根据形态标准，这个类大脑具有与真正的大脑相似的完整的组织形态和各种神经元，因此阿南德认为这是一颗完整的大脑。过去，研究人员曾培养出近似9周大胎儿的脑组织，但不是完整的大脑。

当然，这次的类大脑也并非完整意义的大脑，因为发育成5周大的胎儿大脑一般需要培育15周时间，但现在只培育了12周，而且只具有人类胎儿大脑中存在的99%的基因。不过，如果让这个类大脑继续发育到16～20周，可能会发育和补齐缺失的1%基因。

但是，继续培育更成熟的大脑需要血液供应，阿南德承认他们的研究团队尚无这种能力。最好的办法是，制造一个人造心脏来供血，以帮助这个类大脑进一步发育，如此就有可能让这个类大脑发育更成熟，成为拥有完整的人类大脑基因的类大脑。

当然，这只是估计，研究人员能否培育出像真正的胎儿大小一样、功能完备的大脑还是一个未知数，但是，其意义也非常巨大。

这个类大脑培育出来最大的意义是避开了使用胚胎干细胞的局限和争论。具有全能分化的胚胎干细胞是研究人员所心仪的生物医学原材料，因为胚胎干细胞可以分化为各种组织和器官，具有货真价实的质量。但是，胚胎干细胞的伦理争议最大。当今世界上无论哪个国家的研究人员都不敢越雷池一步，即使利用人的胚胎干细胞进行研究，也只能限于14天的胚胎，此后就要销毁胚胎，这是各个国家人类胚胎干细胞研究伦理的基本准则。如果用人的胚胎干细胞培养出人的各种器官，显然会超过14天，是对这一伦理原则的违背。

所以，阿南德等人的研究采用的是成人的皮肤细胞，并生成诱导的多能干细胞，回避了人类胚胎干细胞的伦理争议，这实际上是一个非常巧妙的研究途径和方式。

类大脑的作用

相当于5周大胎儿的类大脑有什么作用？阿南德提供的答案是，这个大脑模型能进行药物试验。在药物上市前必须进行临床人体一至三期试验，在进行人体试验之前，可以用这种类大脑检测研发的新药，其次可以利用这种类大脑对中枢神经系统疾病，如阿尔茨海默病（老年性痴呆）、帕金森病等进行研究，包括这些疾病的大脑生物学原因、病理和环境对大脑影响的研究。

在阿南德等人培育出类大脑之前，能够利用的技术是用干细胞培育出神经细胞来治疗帕金森病或阿尔茨海默病，但是迄今也只是进入动物试验阶段。以帕金森病为例，该病的部分发病原因被视为大脑中的多巴胺神经元受损，这类神经细胞不能制造传递神经信号的物质多巴胺。对帕金森病死亡患者的解剖发现，中脑黑质多巴胺（DA）能神经元有广泛变性死亡、纹状体DA含量显著性减少以及黑质残存神经元胞质内出现嗜酸性包涵体（路易小体）。

由于多巴胺能神经元受损，不能制造多巴胺，病人表现为一侧肢体震颤或活动笨拙，进而发展到对侧肢体，出现静止性震颤、运动迟缓、肌肉强直、姿势步态障碍和身体僵硬。而且，帕金森病患者还出现抑郁、便秘和睡眠障碍等非运动症状。这些也是大脑神经元受损的后果。用诱导多能干细胞培育出多巴胺能神经元并移植到患者大脑中就成为一种有希望的治疗方法。

2012年，日本京都大学诱导多能干细胞研究所的高桥淳研究小组在美国《干细胞》杂志发表文章称，该研究小组从猴子受精后1周的受精卵内侧取出一部分细胞进行培养，制作成胚胎干细胞，再让胚胎干细胞生长42天，使其生长为神经细胞，然后再将这些细胞制作成含有35%的能够分泌多巴胺的神经细胞团块。

此后，把这些细胞团块分别移植到4只患有帕金森病的猴子脑内。6个月之后，猴子的手足震颤都消失了，从原先抱着笼子不能活动的瘫痪状态变为能够在笼子中来回走动。检查发现，猴子的脑中长成了新的多巴胺能神经元。

2013年，高桥淳研究小组又利用一只猴子的诱导多能干细胞培育出多巴胺能神经元，对同一只猴子进行自体移植以及对其他猴子进行异体移植试验，3个月后观察猴子脑部变化，结果显示，接受自体移植的猴子几乎未出现排异反应，并且改善了其帕金森病症状。但在接受异体移植的猴脑内，一部分移植的细胞因排异反应而死亡。这说明，用自体细胞诱导生成干细胞，再定向培育成多巴胺能神经元可以避免免疫排异反应，有效治疗帕金森病。

显然，无论是用诱导多能干细胞生成的多巴胺神经元还是胚胎干细胞生成的多巴胺能神经元进行移值，都可以有效治疗灵长类动物的帕金森病，下一步需要进行人的试验才能确定这种神经元移植是否可以治疗人的帕金森病。

现在，阿南德等人培育出了5个月大胎儿的类大脑，比此前的干细胞移植治疗帕金森病具有更大的优势。因为，这种类大脑的细胞已经基本成形，有成熟的分门别类的神经细胞。因此，可以直接从中脑黑质中提取多巴胺能神经元来进行移植试验，看看治疗帕金森病，甚至治疗阿尔茨海默病的效果如何。这样的方式比干细胞培养和移植治疗疾病能大大前进一步。

类大脑的隐患

类大脑的作用并不只是供移植治疗疾病，它的多种作用人们也许始料不及。对于各种神经精神疾病的研究，类大脑提供了生物实物模型。例如，创伤后应激综合征、抑郁症、精神分裂症、自闭症等人类至今都束手无策的疾病，不仅可以从大脑解剖部位来定向定位研究，还可以从大脑组织和大脑物质，包括大脑分泌的种种物质，如蛋白、激素、神经递质，以及大脑的生物电流来研究，从而弄清原因，提供预防和治疗的线索。

更重要的是，如果能培育大脑，也为人们直观地了解大脑提供了一个难得的机会和方式，尤其是对于人脑计划有着重要的帮助，甚至是决定性的意义。美国在2013年发起的人脑计划被视为继人类基因组计划之后另一个宏伟的科学研究计划，这一计划的内容包括，统计大脑细胞类型、建立大脑结构图、开发大规模神经网络记录技术、开发操作神经回路的工具、了解神经细胞与个体行为之间的联系、把神经科学试验与理论、模型、统计学等整合、描述人类大脑成像技术的机制、为科学研究建立收集人类数据的机制和知识传播与培训等。

如果研究人员能全程观察到大脑是如何生长和发育的，对于上述任务以及其他大脑计划任务的完成就提供了实时和真实的模型。例如，海马回是何时长成的，是否对记忆和学习有重要作用，以及如何起作用，都可以在观察大脑中的海马回生长和形成中获得线索甚至答案。

类大脑的最大作用是，它能否作为一个完整的大脑行使人的智慧功能，如果可以，就远比仿制大脑的人工智能或智能机器人要强大得多，但也危险得多。用诱导的多能干细胞培育大脑看似绕过了使用胚胎干细胞的伦理限制，却进入了更大的潜在的危险之地。

阿南德称，培育出的这个大脑没有意识，也不会思考，相关研究不存在任何伦理问题。而且，基于大脑功能的形成是要与现实形成反馈和神经回路，阿南德也表示，“我们不向这个大脑输入任何感官刺激。这个大脑不以任何方式进行思考”。即便如此，未来利用这种类大脑还是有太多的想象和实施的空间。

如果这个类大脑培育的时间更长，让其发育成拥有人类大脑所有基因的完整大脑，而且在培育这种大脑的同时制备相应的各种人体器官甚至是多种材料的机器人躯体，让这个类大脑能指挥四肢和机器人所有的行动，同时在类大脑发育的后期像人的大脑发育一样，给予其刺激，让其具有成人的思维或超越人类的思维与智力，这就可能形成超越目前为止所有的人工智能、机器人对人类的威胁。

现在，IBM公司已经开发出一些智能芯片，为构建模拟人脑感知、运行乃至思维能力的智能网络铺平了道路。对此，英国物理学家霍金表示了担忧。“成功制造出一台人工智能机器人将是人类历史上的里程碑。但不幸的是，它也可能会成为我们历史上最后的一个里程碑，除非我们能学会如何去规避这种风险。”因为，拥有超级大脑的机器将能够不断进行自我改进，从而不断提升自身的能力，并可能超过人类。

当然有人认为霍金对人工智能超越人类的担心是杞人忧天，因为人工智能不具有生物的可复制、学习、沟通、理解、暗示等多种能力，但真正的人类大脑被培育出来并有机地装配到机器人体内，就有可能具备上述种种能力，即人脑和人类能力的无限潜能，这才是人类最大的威胁。