制造大腦

每當向別人介紹自己的工作時，史蒂文·波特教授都會這樣說：“我是一位神經(jīng)工程專家，我的目標是制造一個大腦。”

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)細胞進行組織工程研究有多么不同尋常，畢竟既然現(xiàn)在醫(yī)學上已經(jīng)實現(xiàn)了利用心臟或皮膚細胞進行的生長實驗，換成神經(jīng)細胞又有何不行呢？

然而這里所隱含的，實際上是一項令人興奮又隱隱感到不安的科學分支：即脫離身體之后培養(yǎng)的大腦細胞的神經(jīng)生理學研究。這聽起來不像是一位嚴肅的科學家應當涉足的領域。

然而史蒂文·波特，這位美國佐治亞理工學院生物化學工程學院的教授仍然堅持認為，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)科學家的一點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。他認為不同的動物擁有不同程度的思維水平，甚至對于每個人也是這樣，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，任何時候你都擁有不同水平的思維，因此，當你循著這樣的思路往下走，你會發(fā)現(xiàn)一些原始形態(tài)的思維形式存在在那里。

傾聽細胞的聲音

在波特的實驗室，所有的培養(yǎng)皿和世界各地的生物學實驗室中使用的傳統(tǒng)培養(yǎng)皿之間存在一個顯著的不同，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)細胞產(chǎn)生的電信號。另外一項受到歡迎的設備是腦電波記錄儀，這種儀器一般是被用于測量受試病患的大腦活動信號的。

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

波特教授承認，你無法對這些實驗結果抱有太大的希望。但是他確信這些神經(jīng)元中的某一個擁有一些復雜的行為，即便組成它的只有1萬個神經(jīng)細胞。有一些昆蟲、低等的動物的大腦便差不多擁有這種水平的大腦。

當這些神經(jīng)細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)。將它們從活體動物，如小鼠的組織中取出并進行培養(yǎng)，過程中對這些神經(jīng)細胞進行了重新設置，才發(fā)現(xiàn)它們已經(jīng)喪失了原來擁有的任何結構屬性。在顯微鏡下，使用延時攝影術，可以清晰地觀察神經(jīng)細胞觸突的生長，慢慢找到并與周遭的其他神經(jīng)細胞之間建立起聯(lián)系。

這一過程看上去就像是神經(jīng)細胞正在盲目地四下尋找，但實際上神經(jīng)細胞在這一過程中會同時釋放化學信號來幫助引導這種行為。隨著越來越多的細胞觸突之間建立起聯(lián)系，整個神經(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，他所做的實驗起步于人體干細胞培養(yǎng)。他說：“這就像是一個巨大的網(wǎng)絡，一個縱橫交錯的蛛網(wǎng)。這不是一個靜態(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。”

相同的過程在我們嬰兒時期的大腦中曾經(jīng)發(fā)生過。事實上，我們的一生之中這一過程都會持續(xù)進行，神經(jīng)元觸突的再配置——這是我們學習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，科學家們可以觀察其發(fā)生，并加以干預。波特和威利都使用了電極的手段“跟細胞說話”，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導致某一特定方向上的神經(jīng)觸突聯(lián)系加強。我們可以觀察在電極刺激下發(fā)生的反應，嘗試加強某一個電極的強度或者弱化另外的電極強度并觀察相應的結果。”

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限度。他說：“如果你施加一個電刺激，并持續(xù)2～3分鐘，你會發(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系并不大。”

艾米·史密斯是本·威利實驗室中的博士后研究助理，他承認這些細胞的這種反應有些令人沮喪。史密斯博士表示：“當我們不去照看它們時，我確信它們?nèi)匀皇巧窠?jīng)細胞，做著它們想做的事。而當你在培養(yǎng)人體細胞時你就會有一種非常奇怪的感覺，因為你會看著這些神經(jīng)細胞，然后思索：你們在那里面做什么？你們在想什么？”

波特博士認為這種與世隔絕的細胞培養(yǎng)環(huán)境對于其中的神經(jīng)細胞組織是一種折磨，他將其比作“感覺剝奪”。常常這些神經(jīng)細胞會突然爆發(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：“每個神經(jīng)細胞都等待著信號的輸入。如果沒有這種信號輸入，神經(jīng)細胞便會不斷檢測，試圖去放大檢測到的微弱信號，即便這信號實際上只是背景噪音。隨著越來越多的神經(jīng)細胞加入到這一過程中，整個網(wǎng)絡很快便被雜音充斥，就像一場燎原的野火。”

人機系統(tǒng)

在雷丁大學，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“大腦模擬實驗室”，在這里他們研究將神經(jīng)元與機器人連接在一起的方法——或者至少是將神經(jīng)元與模擬機器人連接起來的方法，因為這樣一來便可以讓神經(jīng)細胞產(chǎn)生的信號觸發(fā)真實的動作，并且對其輸入的也將是真實的信號。

威利博士目前已經(jīng)證明，一輛裝備了“接近傳感器”的輪式機器人可以在數(shù)天時間內(nèi)學會避開墻壁。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：“我并不想在這一點上就有關智慧方面做過多的暗示。”

而在波特教授的實驗室，研究組與西澳洲大學的藝術家們合作，創(chuàng)建了一個機器人裝置藝術項目“沉默阻擊”，這個裝置可以由神經(jīng)元組織通過互聯(lián)網(wǎng)進行控制。佐治亞理工學院的瑞利·澤勒-湯森評價道：“這是全世界最大的人機系統(tǒng)，因為其一端在地球的這邊，而另一端卻在地球的另一邊。”

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)尚需要進一步解決的幾個方面的問題。

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取出來，這種關系似乎也就隨之遠去了。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，究竟是什么樣的機制在制約著這種自身利益關系？它擁有思維嗎？它擁有經(jīng)驗的體察嗎？”

然而在“大腦模擬實驗室”，研究組的思路是將注意力集中于神經(jīng)細胞學習能力的研究上。納蘇托教授表示：“我們希望對一些更加復雜的機器人系統(tǒng)進行研究，這樣我們就將能獲得一些操作物品的能力，如抓握、翻轉、將物品移動到跟前，并且擁有某種最低水平的視覺。”

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

一些獎勵性的化學物質(zhì)，如多巴胺，可以被用于當機器人成功完成一項任務時候的獎勵。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)有時會表現(xiàn)出一種上癮的跡象，它需要學習只有當自己確實需要時才調(diào)用這種化學品。

但或許在整個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)細胞內(nèi)在擁有的屬性，而是源自于一個特殊的機制，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去。我們的計算機程序可以監(jiān)控組織的運動模式，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制。這當然是非常低級的自我意識形態(tài)，但至少這是一個很好的開端。”

盡管聽上去還非常遙遠，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。佐治亞理工學院的研究生麥克·庫坎達爾表示：“所有研究腦科學的人之所以從事這項工作，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，并逐漸接近這個謎團的真相，因此我們有了更大的主動權，并能更好地理解這一切。”