從大腦提取記憶？神經(jīng)連接組研究正在興起

編譯 莫莊非

隨著我們對大腦和意識的認知發(fā)展，隨著各項技術(shù)的發(fā)展，隨著人類開始有能力借助生命支持系統(tǒng)對活體的心肺進行機器操作，呼吸和心跳與生命本身之間的基本聯(lián)系也開始發(fā)生變化。今天的我們通過腦活動的存在與否定義生與死，這是有道理的，因為與其他器官不同，大腦不僅可以發(fā)出生命信號，還決定著個人的身份、記憶、知識和主觀體驗的獨特性。

若要更好地理解大腦如何決定自我，我們就需了解其復(fù)雜的形式，它在神經(jīng)元連接水平上的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。理解生物結(jié)構(gòu)幫助我們認清了許多不同生命形式的本質(zhì)：植物之所以能夠蓬勃發(fā)展，是因為它們寬闊的葉片非常適合將光能轉(zhuǎn)換為重要的化學能；同樣的，無論人類還是昆蟲，都通過眼睛將周圍環(huán)境里的光轉(zhuǎn)換為神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的電信號，這些脈沖攜帶著反映周圍環(huán)境特征的信息。然而，當我們談?wù)摻Y(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系時，大腦在這一方面仍顯得撲朔迷離。與其他具有特定功能的器官（如眼睛、心臟甚至手）相比，大腦的功能更豐富?，F(xiàn)在的我們能通過外科手術(shù)替換心臟或腎臟等“專用”器官，但對于大腦——即便真使腦移植在技術(shù)層面可行，你也無法交換思維。這種大腦替換的想法在邏輯上就是錯的。

西班牙西北部阿斯圖里亞斯自治區(qū)的埃爾·平達爾洞穴里有一幅描繪猛犸象的壁畫。除了簡單且略帶殘缺的輪廓勾勒，畫中象唯一的特點就是體內(nèi)那顆碩大的紅色心形物。這幅至少已有14 000年歷史的作品似乎描繪了一次成功狩獵，并展示了戰(zhàn)利品的狀態(tài)—脈搏、呼吸和心跳讓生命有別于簡單的骨肉皮

創(chuàng)造個體體驗的大腦有什么意義？

剛出生的個體的大腦結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于他/她在子宮內(nèi)的“經(jīng)歷”（或者說“體驗”）及其獨特的遺傳密碼。隨著年齡增長，經(jīng)歷將繼續(xù)給大腦的神經(jīng)連接帶去獨特變化，使某些腦區(qū)的連接增加，在另一些地方減少連接；隨著個體年齡增長，知識經(jīng)驗累積，神經(jīng)連接也被不斷重塑；此外，現(xiàn)有神經(jīng)連接的強度也會發(fā)生變化，這些過程在雙胞胎中尤其明顯：雙胞胎出生時的大腦非常相似，但隨著成長、學習和體驗世界，他們的大腦產(chǎn)生差異，他們各自變得越來越獨特。

從本質(zhì)上說，這個過程創(chuàng)造了記憶——在自我意識的各個層面無意識顯現(xiàn)的最為基本的內(nèi)容。我們騎自行車、說話甚至走路所調(diào)用的無意識的知識也需要記憶。令人難以置信的是，那些經(jīng)歷過數(shù)小時的臨床死亡（表現(xiàn)為心臟和大腦均缺乏活動）的低體溫癥病人是可以完全康復(fù)的，這表明僅神經(jīng)元電活動對于大腦記憶存儲并非必不可少。

盡管確實有一些看起來可以發(fā)揮相對特定功能的解剖區(qū)域，但個體的任何單個腦區(qū)的活動都無法形成、存儲或喚起記憶。諸如杏仁核和海馬體之類的結(jié)構(gòu)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但試圖在一個特定區(qū)域內(nèi)尋找記憶壓根是不可能的。從廣義上來說，記憶存儲于大腦這個整體結(jié)構(gòu)中，即神經(jīng)連接組中。神經(jīng)連接組由完整的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)以及神經(jīng)元間的連接，即突觸組成。有人指出：“從根本上說，你就是你的連接組?！?/p>

因此，解鎖神經(jīng)連接組和記憶之間對應(yīng)關(guān)系的關(guān)鍵是闡明大腦的整個回路。追蹤如此龐雜紛繁的腦神經(jīng)回路絕非易事。據(jù)研究者估計，僅1立方毫米的人類大腦組織就有約5萬個神經(jīng)元，1.3億個突觸，而大腦的容量超過100萬立方毫米，包含約100萬億個突觸以及860億個神經(jīng)元——幾乎與銀河系里恒星的數(shù)量（估計值）相等。而只有確定神經(jīng)電信號在這些連接上運行的可能路徑，才有可能全面了解對于記憶和主觀體驗來說必不可少的活動模式。

初步從理解神經(jīng)連接組到真正回答有關(guān)神經(jīng)元與行為間關(guān)系的一些基本問題，中間有很長的路要走。我曾詢問哈佛大學的神經(jīng)科學家、連接組前沿探索者杰夫·里希特曼（Jeff Lichtman）：如果能夠復(fù)制它，我們可以用人類的神經(jīng)連接組做些什么？他表示此類工作意義深遠，例如：我們或許能借此研發(fā)出針對精神分裂癥或自閉癥等神經(jīng)認知障礙疾病的更有效療法；精神分裂癥等問題被認為是由神經(jīng)回路的錯誤連接引起的，盡管我們?nèi)圆淮_定其機制。

里希特曼的研究出發(fā)點在于，所有生物的大腦“接線”隨著個體在整個生命周期里的成長而變化。他的終極目標是繪制出印刻在神經(jīng)連接組數(shù)據(jù)中的未知思維區(qū)域。里希特曼將連接組與基因組學進行了比較。他指出，擁有一個完整的人類神經(jīng)連接組就好像擁有完整的基因組——它將開啟一片現(xiàn)在我們或許無法理解的新世界。

其他生物的神經(jīng)連接組的更簡單模型已經(jīng)推動了科學發(fā)展。例如：美國艾倫腦科學研究所的研究人員曾追蹤小鼠整個大腦的回路，發(fā)現(xiàn)了不同類型的神經(jīng)元是如何連接各個解剖區(qū)域的；來自谷歌和霍華德·休斯醫(yī)學研究所的科學家通力協(xié)作，在單個神經(jīng)元的水平上繪制了果蠅連接組的一個較大的中央?yún)^(qū)域——此壯舉歷時12年多，投入了至少4 000萬美元經(jīng)費。

在上述非凡成果問世前，20世紀80年代的先行者就已繪制出了秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）的完整神經(jīng)連接組——302個神經(jīng)元和大約7 600個突觸——的圖譜，這推動了后來的研究。對線蟲連接組活動的復(fù)雜模擬顯示了它們?nèi)鋭颖澈蟮耐交顒幽Ｊ健?/p>

跨物種，連接組內(nèi)看似遙遠的大腦區(qū)域之間的神經(jīng)信號同步和協(xié)調(diào)為執(zhí)行和記憶活動的有序進行提供了保障。例如，當幼鳥學習鳴叫時，它們的大腦神經(jīng)元鏈會編碼、存儲和檢索它們從其他鳥那里聽到的各種聲音模式，這些神經(jīng)元又激活了產(chǎn)生相同聲音模式的肌肉運動順序。目前，至少有20項研究正聚焦于人類連接組之間的關(guān)系及其在記憶中的作用，其中許多研究項目由美國國立衛(wèi)生研究院“連接基因組協(xié)調(diào)機構(gòu)”（Connectome Coordination Facility）進行協(xié)調(diào)。

然而，目前我們還無法在單個神經(jīng)元的水平上繪制活體動物的連接組。如果想進行相關(guān)研究，我們必須提取動物大腦，灌注甲醛等固定劑，并在開展結(jié)構(gòu)分析前盡可能多地切片，以便找到單個神經(jīng)元并追蹤其路徑——為實現(xiàn)此目標，我們需要使用各種顯微鏡技術(shù)記錄每個新切片的屬性。完成上述操作后，我們即可從不同的神經(jīng)元類型以及激發(fā)或抑制其他神經(jīng)元的神經(jīng)連接中估計出電流的模式。至關(guān)重要的是，提取出來的大腦必須被足夠精確地保存，以確保復(fù)雜精妙的連接組在大腦被切成薄片前保持完好狀態(tài)。

目前來說，想完好保存人類大腦的全部連接組是不可能的任務(wù)。死亡后的大腦退化太快，沒有富氧的血流，新陳代謝水平就會顯著下降。新陳代謝活動是維持生物體細胞活性的一系列化學反應(yīng)。大腦細胞停止代謝后的5分鐘內(nèi)，新鮮氧氣的缺乏就開始導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)破壞。因此，若想將大腦切成薄片用于繪制連接組，一步關(guān)鍵的操作就是盡快保存樣本，以最大程度地減少缺氧的損害。因此，若想真正維持住整個連接組的精確結(jié)構(gòu)，你使用的保存方法要能將每個神經(jīng)元及其突觸連接都保持在恰當位置。

能保持全部連接組完好的大腦保存技術(shù)無疑意義重大。如果我們相信個體由印刻于神經(jīng)連接組中的所有記憶和特質(zhì)所定義，那么完美地保存你的連接組意味著完美地保存了你。

至關(guān)重要的是，對提取的大腦的保存要求極高，須保證其復(fù)雜的連接組在大腦組織被切成薄片前安然無恙。

2010年，一群神經(jīng)科學家對這個想法產(chǎn)生了濃厚的興趣，他們創(chuàng)立大腦保存基金會（BPF），希望實現(xiàn)這個瘋狂的想法。BPF的總裁兼聯(lián)合創(chuàng)始人肯·海沃思（Ken Hayworth）通過電話告訴我，他希望有科學家參與到這個計劃中，最終讓大腦保存成為絕癥患者的一個求生選擇。他說道：“醫(yī)院里有人在等待死亡而又無可奈何。如果沒人推動這種方法，那么它肯定無法實現(xiàn)……如果我自己面對絕癥，我會希望使用這種方法。”

成立后不久，BPF就開始提供10萬美元的現(xiàn)金，用于褒獎那些研發(fā)新的神經(jīng)連接組保存方法的研究者。該獎勵由以色列企業(yè)家和撲克玩家薩爾·威爾夫（Saar Wilf）捐贈。根據(jù)被保存目標尺寸的不同，獎勵被劃分為一個小型哺乳動物獎和一個大型哺乳動物獎，且要求用到分子級電子顯微鏡掃描技術(shù)。

冷凍技術(shù)界的引領(lǐng)者最有望實現(xiàn)連接組的精準保存。事實上，他們一直致力于通過液氮冷凍剛剛死亡的絕癥患者（或他們的大腦），然后等到有技術(shù)治愈絕癥的時候解凍目標。海沃思告訴我：“該獎項旨在激勵冷凍技術(shù)研究者搞出新名堂。”

然而到了2018年，人體冷凍技術(shù)仍沒能滿足海沃思的期待。反倒是“21世紀醫(yī)學”（簡稱21CM）——位于加利福尼亞的一家私人冷凍生物學研究公司——的科學家拿下了大小哺乳動物大腦保存的兩個獎項。專注于冷凍標本保存的他們完好地保存了兔腦（?。┖拓i腦（大）的完整連接組。21CM的創(chuàng)始人兼資深低溫生物學家格雷格·費希（Greg Fahy）與麻省理工學院的畢業(yè)生羅伯特·麥金太爾（Robert McIntyre）共同創(chuàng)制了這一獲獎技術(shù)，其過程在技術(shù)上被稱為醛固化冷凍保存（ASC），現(xiàn)在也被很多人叫作玻璃化。ASC技術(shù)由速效固定劑戊二醛（過去被用作消毒劑）以及能導(dǎo)致大腦進入玻璃化狀態(tài)的化學物質(zhì)組成。

是否能以某種方式從大腦中提取記憶？

神經(jīng)連接組的玻璃化過程或許掀起一場未來主義的革命，因為在-135℃以下的低溫冷凍保存的連接組被認為是完整的，因為在此溫度下，所有生物過程都將停止到可無限期存儲的程度——或許是數(shù)百年，也可能長達數(shù)千年，且無腐爛跡象。假設(shè)連接組和記憶間的關(guān)聯(lián)邏輯沒錯，那么玻璃化固定過程實質(zhì)上就是對個體自我無限期的假死式保存。

麥金太爾一直認為，保留大腦結(jié)構(gòu)中的記憶與物理結(jié)構(gòu)本身同樣有著巨大價值。畢竟，人類的進步依靠偉大的創(chuàng)新突破，而創(chuàng)新則依靠有價值信息在時間長河中的延續(xù)傳遞。第一次大飛躍建立在口頭語言的基礎(chǔ)上，第二次則發(fā)生在書面語言形成以后——幫助人類更準確且持久地保存信息。

麥金太爾最初受到了“借助神經(jīng)科學從大腦中提取記憶”這一概念的啟發(fā)——相比當前其他任何形式的保存方法（如文字、音頻或視頻），記憶包含的體驗和事件的信息要多得多。他想知道是否有可能通過某種方式從大腦中提取記憶。

神經(jīng)科學實驗室的研究人員認為當時還是學生的麥金太爾的想法相當古怪，無法實現(xiàn)。鑒于此，麥金太爾希望通過人工智能解決問題。不過之后在與父親的交流中，他們達成共識：提取記憶這一超前的概念應(yīng)留給未來的神奇技術(shù)去兌現(xiàn)。

如果神經(jīng)連接組承載著可被重新體驗的記憶，那么它們的重要性將是無與倫比的。比如，經(jīng)歷了戰(zhàn)爭的士兵通過個人回憶錄留下的關(guān)于世界大戰(zhàn)的信息并不直接包含他腦中鮮活記憶里的那些親歷戰(zhàn)爭時的細節(jié)。

而現(xiàn)在，科學家有望通過玻璃化固定永久保存連接組內(nèi)的記憶。不幸的是，固化冷凍保存中用于灌注血管系統(tǒng)的固定劑戊二醛是絕對致命的。換句話說，如果不殺死記憶的創(chuàng)造者，記憶就無法獲得永生。

如果你在深思熟慮后依然決定實施此程序，那么請準備好——麻醉師會給你上全身麻醉，然后切開你的胸部，把你的動脈連接到灌注設(shè)備；你動脈里的血液被抽走，取而代之的是戊二醛，它們擴散至你大腦的毛細血管中，即刻終結(jié)了你身體的全部代謝活動，把你殺死；與此同時，連接蛋白讓你的大腦形成了堅固且持久的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；接著，你的大腦將被注入防凍劑以防損壞。在此之后，你的連接組及其記憶就可以被提取和無限期地低溫保存了。

海沃思和麥金太爾都認為，如果可以對某人的主觀自我進行掃描，獲取所有相關(guān)信息，然后以某種方式轉(zhuǎn)移到人工介質(zhì)中，那么玻璃化過程雖致命，卻也可提供另一種永生。從功能角度看，它基本上可以替代大腦。至關(guān)重要的是，這種介質(zhì)必須準確而充分地以神經(jīng)活動的模式“運行”，因為神經(jīng)活動是個體記憶、身份和體驗的基礎(chǔ)。

這個目標稱為“全腦仿真”。為什么大腦只能由生物材料組成？如果思維可以在連接網(wǎng)絡(luò)上運行——所有思維信息都包含在這些連接的排列和運作中，那么它們是不是可以脫離生物基底而獨立存在？

盡管相關(guān)科學研究仍處于起步階段，但現(xiàn)階段也取得了一些重大進展。許多方法預(yù)見了用于模擬涉及數(shù)字信息空間的大腦活動的計算介質(zhì)。眼下的腦機接口實現(xiàn)了對假肢機器的思想控制。此外，神經(jīng)假體正直接替代神經(jīng)細胞，通過人工電刺激神經(jīng)組織，帶來最真實的體驗。更重要的是，眾多高科技企業(yè)——如 Neuralink、Kernel、Building 8以及美國國防部高級研究計劃局（DARPA）等——正努力構(gòu)建思維、大腦和計算機之間的更高級的連接，嘗試更多超出想象的可能，例如全腦仿真。

如何精確模擬天文級復(fù)雜度的大腦？有兩種方法吸引了人們的注意。第一種，同時也是最流行的方法，創(chuàng)建連接組及其活動的數(shù)字仿真（或許是分子水平的），然后將其釋放于網(wǎng)絡(luò)空間。在這一宏偉的方案中，仿真是如此完整而準確，它模擬了一個人的身份、記憶、意識、思想和感覺的涌現(xiàn)——與真實大腦活動一樣。這個方案若能實現(xiàn)，未來的我們就能體驗虛擬的世界。第二種方法則是將模擬的大腦植入假體自我中，創(chuàng)造出半機械人：屬于你的“靈魂”藏在人造的軀殼內(nèi)，依然可以體驗真實世界。

不過無論使用何種方式，即使這個模擬而來的“新的你”有著與你相同的完整的記憶、身份、感覺和主觀自我，它也并非真實的你——更確切地說，它只是一個你的復(fù)制品。

壯闊的前景帶來了艱巨的責任。盡管經(jīng)過了正式的考慮，將大腦玻璃化固定或許是永生的開端，但也勢必引發(fā)倫理學的巨大爭議。這些問題仍未有答案：參與這類項目的機會是否人人平等，還是說它僅是少數(shù)有錢人的專利？如何保護自己的記憶免遭篡改、破壞或竊?。空l擁有對記憶的所有權(quán)？在什么情況下可以訪問虛擬連接組中的內(nèi)存？誰能訪問？

一個問題似乎并不那么令人擔憂：一旦實現(xiàn)，玻璃固定術(shù)將成為絕癥患者是否選擇繼續(xù)生存的權(quán)力。

考慮到所有這些，麥金太爾和他以前在MIT的室友邁克爾·麥卡納（Michael McCanna）在贏得10萬美元獎金后成立了一家頗具爭議的風險投資初創(chuàng)公司Nectome。Nectome公司致力于腦庫建設(shè)，其主要目標是保存并歸檔人類記憶。到目前為止，Nectome已經(jīng)籌集了超過100萬美元的資金，并從美國國家心理健康研究所獲得了96萬美元的聯(lián)邦撥款，用于 “全腦納米級保存和成像”研究。聯(lián)邦撥款明確提到了“大腦保存的商業(yè)機會”的可能性。

Nectome唯一的一次人腦玻璃化固定術(shù)是在一名老年婦女的大腦中展開的，這位婦女的尸體由捐贈機構(gòu)Aeternitas Life提供。手術(shù)在婦女死后2.5小時進行，最終得到了現(xiàn)存的保存最完好的大腦之一。

不管爭議如何，從里希特曼當下持有的觀點到海沃思和麥金太爾所構(gòu)想的未來主義奇景，其中有一個觀點是一致的：神經(jīng)連接組有望以未知卻重要的方式極大地影響我們的未來。

資料來源 Aeon