制造大腦

每當(dāng)向別人介紹自己的工作時(shí)，史蒂文·波特教授都會(huì)這樣說：“我是一位神經(jīng)工程專家，我的目標(biāo)是制造一個(gè)大腦?！?/p>

這里的問題并不在于人體組織工程是多么不同尋常，甚至并不是利用神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行組織工程研究有多么不同尋常，畢竟既然現(xiàn)在醫(yī)學(xué)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了利用心臟或皮膚細(xì)胞進(jìn)行的生長實(shí)驗(yàn)，換成神經(jīng)細(xì)胞又有何不行呢？

然而這里所隱含的，實(shí)際上是一項(xiàng)令人興奮又隱隱感到不安的科學(xué)分支：即脫離身體之后培養(yǎng)的大腦細(xì)胞的神經(jīng)生理學(xué)研究。這聽起來不像是一位嚴(yán)肅的科學(xué)家應(yīng)當(dāng)涉足的領(lǐng)域。

然而史蒂文·波特，這位美國佐治亞理工學(xué)院生物化學(xué)工程學(xué)院的教授仍然堅(jiān)持認(rèn)為，像“大腦”、“意識”之類的詞匯都屬于他的研究范圍。他和許多其他神經(jīng)科學(xué)家的一點(diǎn)不同就在于他相信存在一種思維的漸變譜線。并不存在突然出現(xiàn)的思維，有的僅僅是逐漸顯現(xiàn)的思維。他認(rèn)為不同的動(dòng)物擁有不同程度的思維水平，甚至對于每個(gè)人也是這樣，你是否喝了咖啡，你是睡著還是醒著，這都影響到你所具有的思維水平。從這種意義上說，任何時(shí)候你都擁有不同水平的思維，因此，當(dāng)你循著這樣的思路往下走，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些原始形態(tài)的思維形式存在在那里。

傾聽細(xì)胞的聲音

在波特的實(shí)驗(yàn)室，所有的培養(yǎng)皿和世界各地的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用的傳統(tǒng)培養(yǎng)皿之間存在一個(gè)顯著的不同，那就是這里的培養(yǎng)皿內(nèi)都加裝了電極陣列，這些電極被用于“傾聽”培養(yǎng)皿內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生的電信號。另外一項(xiàng)受到歡迎的設(shè)備是腦電波記錄儀，這種儀器一般是被用于測量受試病患的大腦活動(dòng)信號的。

神經(jīng)元本身是由數(shù)以萬計(jì)的單個(gè)細(xì)胞組成的，而我們的大腦則是由數(shù)千億個(gè)這樣的神經(jīng)細(xì)胞組成的，因此這只是“大腦的冰山一角”。

波特教授承認(rèn)，你無法對這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果抱有太大的希望。但是他確信這些神經(jīng)元中的某一個(gè)擁有一些復(fù)雜的行為，即便組成它的只有1萬個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。有一些昆蟲、低等的動(dòng)物的大腦便差不多擁有這種水平的大腦。

當(dāng)這些神經(jīng)細(xì)胞最初被放置于培養(yǎng)皿的電極環(huán)境之中，它們沒有任何表現(xiàn)。將它們從活體動(dòng)物，如小鼠的組織中取出并進(jìn)行培養(yǎng)，過程中對這些神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行了重新設(shè)置，才發(fā)現(xiàn)它們已經(jīng)喪失了原來擁有的任何結(jié)構(gòu)屬性。在顯微鏡下，使用延時(shí)攝影術(shù)，可以清晰地觀察神經(jīng)細(xì)胞觸突的生長，慢慢找到并與周遭的其他神經(jīng)細(xì)胞之間建立起聯(lián)系。

這一過程看上去就像是神經(jīng)細(xì)胞正在盲目地四下尋找，但實(shí)際上神經(jīng)細(xì)胞在這一過程中會(huì)同時(shí)釋放化學(xué)信號來幫助引導(dǎo)這種行為。隨著越來越多的細(xì)胞觸突之間建立起聯(lián)系，整個(gè)神經(jīng)元體系從電信號上看漸漸表現(xiàn)出生命的特征。

本·威利來自英國雷丁大學(xué)，他所做的實(shí)驗(yàn)起步于人體干細(xì)胞培養(yǎng)。他說：“這就像是一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)縱橫交錯(cuò)的蛛網(wǎng)。這不是一個(gè)靜態(tài)的系統(tǒng)。這就是為何你必須非常積極迅速地對這一系統(tǒng)開展監(jiān)測?！?/p>

相同的過程在我們嬰兒時(shí)期的大腦中曾經(jīng)發(fā)生過。事實(shí)上，我們的一生之中這一過程都會(huì)持續(xù)進(jìn)行，神經(jīng)元觸突的再配置——這是我們學(xué)習(xí)能力和記憶力的來源。

跟我說話

但是在這些培養(yǎng)過程中，和在我們大腦中發(fā)生的同樣過程所不同的是，科學(xué)家們可以觀察其發(fā)生，并加以干預(yù)。波特和威利都使用了電極的手段“跟細(xì)胞說話”，并聆聽它們的回答。

波特博士表示：“我們可以觀察到哪一種特定的電極輸入會(huì)導(dǎo)致某一特定方向上的神經(jīng)觸突聯(lián)系加強(qiáng)。我們可以觀察在電極刺激下發(fā)生的反應(yīng)，嘗試加強(qiáng)某一個(gè)電極的強(qiáng)度或者弱化另外的電極強(qiáng)度并觀察相應(yīng)的結(jié)果?！?/p>

威利指出，由于這些神經(jīng)元擁有“自己的思維能力”，因此我們可以對它們發(fā)出指示信號的量存在一個(gè)限度。他說：“如果你施加一個(gè)電刺激，并持續(xù)2～3分鐘，你會(huì)發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)皿中的神經(jīng)元退回到它們的孵化器中了，整個(gè)體系中充斥著各種信號，而這些信號的產(chǎn)生與你施加的外來電信號之間似乎關(guān)系并不大。”

艾米·史密斯是本·威利實(shí)驗(yàn)室中的博士后研究助理，他承認(rèn)這些細(xì)胞的這種反應(yīng)有些令人沮喪。史密斯博士表示：“當(dāng)我們不去照看它們時(shí)，我確信它們?nèi)匀皇巧窠?jīng)細(xì)胞，做著它們想做的事。而當(dāng)你在培養(yǎng)人體細(xì)胞時(shí)你就會(huì)有一種非常奇怪的感覺，因?yàn)槟銜?huì)看著這些神經(jīng)細(xì)胞，然后思索：你們在那里面做什么？你們在想什么？”

波特博士認(rèn)為這種與世隔絕的細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境對于其中的神經(jīng)細(xì)胞組織是一種折磨，他將其比作“感覺剝奪”。常常這些神經(jīng)細(xì)胞會(huì)突然爆發(fā)出一陣嘈雜的電信號，波特博士將其比作人的癲癇發(fā)作。他說：“每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞都等待著信號的輸入。如果沒有這種信號輸入，神經(jīng)細(xì)胞便會(huì)不斷檢測，試圖去放大檢測到的微弱信號，即便這信號實(shí)際上只是背景噪音。隨著越來越多的神經(jīng)細(xì)胞加入到這一過程中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)很快便被雜音充斥，就像一場燎原的野火?！?/p>

人機(jī)系統(tǒng)

在雷丁大學(xué)，威利博士與控制論專家斯拉沃米爾·納蘇托合作，創(chuàng)建了一個(gè)“大腦模擬實(shí)驗(yàn)室”，在這里他們研究將神經(jīng)元與機(jī)器人連接在一起的方法——或者至少是將神經(jīng)元與模擬機(jī)器人連接起來的方法，因?yàn)檫@樣一來便可以讓神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生的信號觸發(fā)真實(shí)的動(dòng)作，并且對其輸入的也將是真實(shí)的信號。

威利博士目前已經(jīng)證明，一輛裝備了“接近傳感器”的輪式機(jī)器人可以在數(shù)天時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)避開墻壁。這種行為看上去毫無疑問是一種“聰明”的表現(xiàn)，但是威利博士宣稱：“我并不想在這一點(diǎn)上就有關(guān)智慧方面做過多的暗示。”

而在波特教授的實(shí)驗(yàn)室，研究組與西澳洲大學(xué)的藝術(shù)家們合作，創(chuàng)建了一個(gè)機(jī)器人裝置藝術(shù)項(xiàng)目“沉默阻擊”，這個(gè)裝置可以由神經(jīng)元組織通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行控制。佐治亞理工學(xué)院的瑞利·澤勒-湯森評價(jià)道：“這是全世界最大的人機(jī)系統(tǒng)，因?yàn)槠湟欢嗽诘厍虻倪@邊，而另一端卻在地球的另一邊?！?/p>

尚未解決的問題

湯森博士對這一系統(tǒng)的興趣不僅僅局限于其外觀，他對于這一系統(tǒng)所體現(xiàn)的技術(shù)方面因素同樣感興趣，并且他還指出了這一系統(tǒng)尚需要進(jìn)一步解決的幾個(gè)方面的問題。

他表示：“作為生物體組成部分的神經(jīng)系統(tǒng)，我們認(rèn)為是具有其自身利益的，簡單地說，它希望自己能夠活著。但一旦我們將其從生物體中單獨(dú)取出來，這種關(guān)系似乎也就隨之遠(yuǎn)去了。再也沒有可以賴以生存的身體存在，“皮之不存，毛將安附？”神經(jīng)系統(tǒng)本身的內(nèi)部，究竟是什么樣的機(jī)制在制約著這種自身利益關(guān)系？它擁有思維嗎？它擁有經(jīng)驗(yàn)的體察嗎？”

然而在“大腦模擬實(shí)驗(yàn)室”，研究組的思路是將注意力集中于神經(jīng)細(xì)胞學(xué)習(xí)能力的研究上。納蘇托教授表示：“我們希望對一些更加復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行研究，這樣我們就將能獲得一些操作物品的能力，如抓握、翻轉(zhuǎn)、將物品移動(dòng)到跟前，并且擁有某種最低水平的視覺?！?/p>

這一想法的核心思想是要建立一個(gè)“閉合循環(huán)”，即要讓神經(jīng)系統(tǒng)的信號得到回饋，這樣機(jī)器人系統(tǒng)才能將其原先的規(guī)劃設(shè)想與實(shí)際的操作結(jié)果進(jìn)行比較，并在此過程中學(xué)習(xí)新的技能。這一過程其實(shí)是跟嬰幼兒在不斷嘗試摸索中掌握一些基本的動(dòng)作技巧是相同的道理。但是自始至終，科學(xué)家們都可以在顯微鏡下觀察神經(jīng)元組織內(nèi)部的電信號活動(dòng)狀況，并觀察這一組織不斷塑造自己的過程。

一些獎(jiǎng)勵(lì)性的化學(xué)物質(zhì)，如多巴胺，可以被用于當(dāng)機(jī)器人成功完成一項(xiàng)任務(wù)時(shí)候的獎(jiǎng)勵(lì)。波特博士指出，由神經(jīng)元組織自主掌握的多巴胺分發(fā)系統(tǒng)有時(shí)會(huì)表現(xiàn)出一種上癮的跡象，它需要學(xué)習(xí)只有當(dāng)自己確實(shí)需要時(shí)才調(diào)用這種化學(xué)品。

但或許在整個(gè)過程中最令人震驚的則莫過于“自我意識”的模糊顯現(xiàn)。波特博士表示：“自我意識并非人類神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)在擁有的屬性，而是源自于一個(gè)特殊的機(jī)制，其監(jiān)控人類大腦內(nèi)部正在發(fā)生的事件。我們培養(yǎng)皿中的神經(jīng)元組織還不具備這種意識，但是我們可以將其加入進(jìn)去。我們的計(jì)算機(jī)程序可以監(jiān)控組織的運(yùn)動(dòng)模式，并將信息通過電極傳回給組織。這就模擬了大腦的自我意識機(jī)制。這當(dāng)然是非常低級的自我意識形態(tài)，但至少這是一個(gè)很好的開端?！?/p>

盡管聽上去還非常遙遠(yuǎn)，但是目前我們所擁有的這些證據(jù)已經(jīng)可以確鑿地證明不管有多么神秘莫測，我們所有的思維和感受的確來自于我們的大腦組織。佐治亞理工學(xué)院的研究生麥克·庫坎達(dá)爾表示：“所有研究腦科學(xué)的人之所以從事這項(xiàng)工作，都是為了揭開大腦的奧秘。但是更棒的是，我們現(xiàn)在已經(jīng)從大腦中提取到很多信息，并逐漸接近這個(gè)謎團(tuán)的真相，因此我們有了更大的主動(dòng)權(quán)，并能更好地理解這一切。”