記憶永生的科學原理

來自專欄視角雜誌

既然意識來自於大腦中閃閃發光的神經元們，是不是把神經元的網路記錄下來，就可以把意識永久地存在電腦中？這樣科幻作品中常見的邏輯，為什麼對許多神經科學家來說，卻是完全錯誤的構想？

如果有一個機會可以永久保存你的意識，甚至在未來「復活」你的精神世界，你願意這樣做嗎？

的確有人願意，比如「大腦保存基金會」（brain reservation foundation，以下簡稱腦保會）的創始人小沃Kenneth Hayworth。他理想中的死亡是這樣的【1】：在他還沒有太老或太病弱時，他會選擇「早退休」，與親人朋友舉辦告別派對後一起去醫院。他會被麻醉，被注入冷凍保存劑，在大腦的任何蛋白質和磷脂都還沒有發生變化之前，在一瞬間即死亡。此後大腦被固定，塑料化，切片，在電子顯微鏡下獲得高清圖像，通過數據處理手段復原出神經元之間的全套連接組並上傳。

目前能做的就到此為止。然後便是等待，希望未來100年後的科學家能夠從小沃精心保存的數據中，在未來計算機上重新模擬大腦運行，還原出機器版的他。一切基於樂觀主義精神：儘管現在技術還遠遠做不到「意識復活」，但我們終將到達。

「如何數字化地保存個體意識」，或說「如何進行意識上傳」？這個科幻味道過濃的問題尚不是主流神經科學界的熱門研究領域，以至於上了兩年研究生神經科學課程的我，在發現「大腦保存基金會」這個組織的存在後，著實拍桌大嘆，所幸沒有驚倒講台上的老教授（其人正在講解神經如何控制眼球轉動）。近年來神經科學到底有何進展，給了小沃及同道中人們如此的信心？他們的技術邏輯是什麼？真的講得通嗎？為什麼又有大量科學家對此理想旗幟鮮明地唱衰？

為記憶永生而奮鬥的人們

Kenneth Hayworth並不是唯一一個願意把自己大腦冷凍起來交給未來的人。

人體冷凍技術cryonics早已被付諸實踐。早在1972年，美國亞利桑那州的「阿爾科生命延續基金Alcor Life Extension Foundation」就已經開始提供人體冷凍技術，把死亡後的人冷凍在液氮里，至今有約150人接受了此項服務（僅保存大腦系統需要付費100,000美元）。

聽起來是個好主意：包子吃不完，冷凍起來再解凍可鬆軟如常；人還不想死，冷凍起來再解凍大概也會鬆軟新鮮？然而實操中，細胞比發麵團要嬌嫩一些：冷凍會導致細胞液濃度失衡，大量細胞液滲流而出，細胞即會在壓力下破裂，死去。要想從冷凍的大腦中復原神經系統，首先，至少需要技術上證明冷凍的大腦可以完美保存神經元的結構。

2018年組建的創業公司「nectome」認為自己找到了很有潛力的方向。他們採用技術叫做「醛穩定劑人體冷凍術Aldehyde-Stabilized Cryopreservation」：先向活腦中注射醛類保存劑，把Q彈鮮嫩的大腦組織固定，然後再進行急速冷凍。這也就是文章開頭的小沃所選擇的死亡方式。「用戶體驗和安樂死類似。」公司創始人McIntyre介紹說。

Nectome認為他們的服務根據加州的安樂死相關法律是完全合法的，而根據【2】的報道，已有至少25人繳納了$1萬美元定金，希望接受nectome的這項服務（但在技術完全成熟之前，他們還沒有開始提供服務）。

nectome對自己技術的信心來源之一是，他們獲得了大腦保存基金會的10萬美元獎金。其中8萬美元的獎金，在2016年2月送給了「21世紀醫學」公司（21st Century Medicine，也是netcome聯合創始人McIntyre的前公司），因為他們成功把——不，不是人腦——豬腦「完美保存」。

可是，稍等，什麼叫「完美保存」？我們手裡這個凍豬腦到底包含了它的什麼記憶，什麼人格（豬格），我們還毫無頭緒呢，怎麼知道裡面的數據可用？

因為其中保存了豬腦的全部150億個神經元連接（即「突觸」），這幾百億個突觸組成了所謂的「連接組」（connectum）。

如果想直接看看連接組長什麼樣，你可以在http://Eyewire.org上玩這個遊戲，參與從二維切片數據中重構三維圖像的科學工作。

連接組在主流神經科學研究中也是一個熱門話題，比如在2010年美國國家衛生院就發布了一個四千萬美元的"人腦連接組計劃」，有著繼續上世紀「人類基因組計劃」的雄心。

為什麼關心連接組呢？連接組對你我為何重要？

因為神經元的連接可能代表了大腦運行的重要信息。我們常用電路（wiring）來比喻大腦，比如神經元的放電是「全或無」的脈衝（spikes）就很類似離散的0-1信號；照此推論，如果想複製整個電路，我們只需要畫出所有元器件（=神經元）以及其連線（=連接組）就齊活了。

普林斯頓大學教授承現峻（Sebastian Cheung）即著有科普書和同名TED演講，《連接組：造就獨一無二的你》（如果你還沒看過，強烈建議你在讀罷本文後，再批判性觀看）。

當然，在還沒有真正復原神經系統活動之前，「我是我的連接組」還只是一個理論假設。為什麼這個假設可能是正確的？承現峻的論證如下：

第一，我們知道儘管人的神經元數量在出生後就不會變化，然而神經元之間的連接——「突觸」——卻一直在不斷的變化，正如我們的經歷、性格、技能都在一直變化。這一點讓連接組和一生不變的基因組有顯著不同：連接組的信息可能同時包含了先天和後天。

第二，突觸的連接強度變化受神經電、化學活動調節（比如兩個同時放電的神經元之間突觸連接會加強），而我們早就知道，這些神經活動與感知、意識、學習密切相關。

第三，反過來說，神經活動又必須通過連接組進行傳導。也就是說，連接組中儲存的信息必然與精神世界有關。

承現峻給出了這樣比喻：如果說神經活動是一刻不停的奔流河水，連接組就是河床。河床決定了河水的流向，知道了河床的分布也就可以模擬水網的運動。

總結一下，意識上傳並不是直接掃描大腦讀取一部你的人生電影，而是先通過合適的冷凍技術固定大腦結構，然後將其切片放在顯微鏡下，通過新近快速發展的圖像處理技術，讀出大腦中的連接組，把連接組的數據存儲在電腦中，等待後人利用這些原始數據材料復活意識。

但是無比聰明的未來人，會對100年前留下的連接組數據感到足夠滿意嗎？

技術難關

別說未來科學家，現在就已經有不少科學家非常不滿了。 Nectome在18年初曾獲得MIT的背書，然而不到一個月MIT方面就發表聲明停止了合作。他們認為在一些根本科學問題解決之前，許下「復活大腦」的諾言，為時過早。【3】 我認為，至少有兩個基本問題需要質疑：

第一，即使保存了大腦中所有神經元連接組數據，這些數據是否足夠用來複制大腦的電活動？有了所有的河床分布圖，真的足夠模擬出所有的水流活動嗎？

第二，如何判斷是否成功複製了神經活動？我們可以測量一年四季水的流量並和電腦模擬對比看是否複製成功，但是複製意識呢？

連接組：只是殘破的地圖？

由於連接組是這樣一個耀眼的科學項目，也是吸收了大量科研經費的項目，很多神經科學家都在爭議：連接組真的有那麼有用嗎？

一個具體的失敗案例：複製全連接組這件事我們已經在其它動物身上做到了，然而我們卻還沒能完全複製動物的神經活動。

早在80年代，科學家就已經瞭然C-elegans（一種長約1毫米的線蟲）全部302個神經元之間的7000個突觸連接。如果想直觀地看看C-elegans的連接組，你可以打開瀏覽器：http://browser.openworm.org/

然而儘管似乎知道了所有電路圖，我們卻沒法通上電就完全模擬這些神經元之間的電信號。

原因之一是，我們知道「水往低處流，電往低電位處走」，這些物理系統的規律相對簡單，和生物系統的複雜性不可同日而語。比如說，神經元們浸泡在複雜的化學溶液中，周圍多種離子、神經遞質都對其有調節：「我們知道一種化學物質會引起某些反應，另一種化學物質會引起相反的反應，但這兩種信號都出現在同一條通路上。連接組怎麼解釋這件事？」紐約大學前神經科學系主任的J. Anthony Movshon，也是連接組計劃的堅定唱衰者，如此抱怨道。而目前的大腦保存方案儘管保存了神經連接組，卻未必能完美保存神經通路四周大大小小的升華物質們，就像我們的河網圖漏掉了河底的卵石分布以及河邊的茂林野花。

更何況，前述冷凍大腦的方案只存了某一時刻的所有化學物質，如果一條通路可以在不同時刻使用不同化學物質來溝通信號，這些歷史變化信息也必然無法保存。唯一的希望或許是未來人們能夠強大到由某一時刻的定格，推算出電路所有其它可能的狀態，就像地理學家通過水的沖蝕痕迹來模擬千萬年前的河床。然而，這樣的模擬精度真的足以包含瞬息萬變的「意識」嗎？

甚至，我們也不確定是否只有神經元才傳導信號：大腦中的細胞只有10%是神經元，剩下90%都是神經膠質細胞（glia）。胞如其名，多年來人們一直認為神經膠質細胞是固定神經元的膠水，保持神經元之間絕緣，如同電路板一般。然而我們現在越來越清楚，至少有一種膠質細胞——星型細胞（astrocyte）同樣可以釋放電信號，並且通過調節鈣離子濃度使得神經元放電。這些信號是否與意識活動有關尚存爭議，比如哈特福德大學的教授Andrew Koob提出假設，我們的白日夢中那些隨機的混亂想法或許就來自膠質細胞的隨機放電。【4】

儘管已經以很嚴苛的標準來衡量大腦保存的完整性，然而在這趟時空穿梭之旅中，我們到底帶沒帶夠復活必備用品？這一點仍然未知。

從電信號中讀出意識？

第二個問題：即使我們能夠利用足夠的數據，在電腦中完全模擬神經電路，我們就模擬了「意識」嗎？

科幻愛好者們經常問的一個問題是，「把意識搬到電腦里運行，那我還是我嗎？」這個看似很哲學的問題，其實前半部分已經是很困難的科學問題：怎麼可能知道意識是否已經被搬到電腦里？既然不太可能記錄所有你生命中的神經活動，就不可能與機器對比，判斷說所有的神經活動都已被機器複製，那麼什麼叫「成功的模擬」呢？

最耳熟能詳的辦法是圖靈測試：如果這個機器「系統」，談笑坐卧如常人——即，輸出與人相似的行動，那麼可以認為它擁有和曾經那個人一樣的意識。這個辦法可以算是最低要求了，我們甚至不需要要求機器有與人類相同的內在的心理掙扎和白日夢。

但是，如何把神經系統的活動和外在表現出來的行動聯繫起來，也已然是神經科學所面臨的最困難的問題之一。

在很多人包括科學家的想像中，神經元放電和生物體（人）的行為表現一一對應：比如刺激某些聽覺神經元就會讓你產生幻聽，某些多巴胺神經元放電了就會讓你感到興奮，抑制「語言腦區」就會讓你再也無法理解別人說的話……如果是這樣，那麼我們就可以簡單地從一個「模擬大腦」的神經元活動情況來翻譯出這個「人」的行為表現和意識活動。

然而這個翻譯絕非如此簡單。還是以C.elegans為例。在有了全連接組圖譜後，科學家試圖理解這小蟲子的口胃系統（Stomatogastric nervous system）是怎麼受神經系統的調控的。即使如此低級、不涉及認知的簡單系統，這個僅包含30個神經元的通路也在交流著很奇怪、很難翻譯的的語言：對於同一個神經元，有些情況下它放電的時候是參與了幽門的收縮擴張，有時候放電卻是因為參與控制「胃磨」（gastric mill）的消化通路【5】。

一個神經元放電，到底代表什麼含義？一群神經元閃閃發光，又意味著什麼？有可能把機器模擬出的電活動，都翻譯成我們可以理解、可以對話的機器人嗎？

這實際上是大部分主流神經科學正在研究的問題，如何把生物大腦中的電活動與行為對應起來。沒有意識上傳那麼大的噱頭，但上傳了之後總得想好如何下載解壓、正確安裝。

我的建議：保存你的生命經歷

目前所有關於「意識上傳」的設想，總結起來大概是這樣的操作：完全複製大腦的物質狀態，保存到電腦中，然後在未來某一天讀取其中數據，並且依據我們對大腦如何指揮身體的理解，把大腦中的信息提取並「表現」出來，便可以恍若再見古人。

然而大腦太複雜。身心聯繫太複雜。我不相信在人類滅絕之前，一定能夠從神經活動中一一解碼出外在行為，也不太能信賴如今的我們可以足夠完整地保存「使我成為我」的神經信息。

不過我有個另外的設想：也許更容易的是記錄我的所有人生經歷，然後輸入給未來的「虛擬大腦」，使其經歷過我的所有經歷。即使「她」的具體神經連接與我不同，但是表現出的外在行為或許會更加類似。

這個計劃的基本靈感來自於如下事實：第一，通過各種感測器記錄外在感知覺信號或許比記錄大腦要容易一些；第二，更重要的是，神經系統非常擅長突破既定規則，依據外在經歷重塑我們的感官世界。

比如臨床上有「感知替代」的病例：一個麻風病人的周邊感覺系統被損毀，無法感受到手的觸覺，但可以感受到額頭的觸覺。於是醫生給他戴上有觸覺感測器的手套，把接觸信號通過電路轉為對額頭皮膚的刺激信號。剛開始，手套碰到什麼東西，手上當然沒感覺，額頭上則會有被電擊的觸覺，碰到不同的東西，觸覺不同。但僅僅經過兩天訓練，額頭上的觸覺就可以與手的知覺對應起來，大腦直接解讀出觸覺的「感知」——「重新體驗了已經消失20年的，觸碰他的妻子的感覺」。【6】

顯然，這種通過手套感測器的感知方式必然與從前的神經通路不同，然而某些外界刺激上的相似性卻能夠促使神經系統產生正確的解讀。

說到底，我們的神經系統不是孤零零的硬碟，而是為了與活色生香的外在世界交互而存在的。

【1】https://www.chronicle.com/article/The-Strange-Neuroscience-of/132819

【2】https://singularityhub.com/2018/03/27/the-startup-that-has-to-kill-you-to-preserve-your-brain-heres-the-science-behind-the-buzz/

【3】 https://www.media.mit.edu/posts/the-media-lab-and-nectome/

【4】https://www.scientificamerican.com/article/the-root-of-thought-what/

【5】https://www.scientificamerican.com/article/c-elegans-connectome/

【6】https://en.wikipedia.org/wiki/Sensory_substitution#Tactile%E2%80%93tactile_to_restore_peripheral_sensation

作者：李枝蔚

編輯：yanyan

校對：小典

設計：陳芝

排版：杜睿琪

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