由无数神经连接组成的人类大脑连接组如同一幅复杂的“接线图”
来源：aeon
作者：Phil Jaekl
翻译：任天
每个人的大脑都有一个由860亿个神经元组成的独特而复杂的系统，如同一张“接线图”。如果科学能够精细地描绘出这张接线图，永生或许就能触手可及。
西班牙阿尔塔米拉洞里的猛犸象壁画在西班牙西北部的阿斯图里亚斯地区，人们发现了一幅描绘猛犸象的洞穴画。这幅画有一个醒目的内部特征：一颗巨大的红心。这件艺术品至少有一万四千年的历史，很可能描绘了一场成功的狩猎，而这颗红心代表了猛犸象的生命尚未终结。人类从最早期开始，就将脉搏、呼吸和心跳视为一块死肉与活生命体之间最大的区别。
随着人们不断深入了解大脑在意识中所发挥的作用，以及科技发展使病人可以借助机器的力量——生命维持系统——来维持心脏和肺部的功能，呼吸、心跳和生命本身之间的基本联系开始发生变化。今天，我们用大脑活动的存在与否来定义生与死，这是有道理的，因为与其他器官不同的是，大脑不仅能表明生命的存在，而且对作为个体的人，对个人独特的身份、记忆、知识和对世界的主观体验都是必不可少的。
为了更好地理解大脑如何成为“自我”的基础，我们就需要了解它的复杂形式，即大脑在神经元之间连接的层次上所具有的复杂结构。毕竟，对生物结构的了解已经揭示了许多不同生命形式的本质。
植物之所以能茁壮成长，是因为它们典型的阔叶非常适合将光能转化为至关重要的化学能。同样的，眼睛，无论是人类的眼睛还是昆虫的眼睛，都能将周围环境的光转换成神经系统中的电信号——这些脉冲携带着代表周围环境特征的信息。然而，当涉及到结构与功能之间的关系时，大脑仍然是一个谜。
相比其他有特定功能的器官（如眼睛、心脏甚至手），大脑的功能要丰富得多。许多器官现在都可以通过手术进行替换，而就算大脑移植在技术上是可能的，你也不可能保证你的大脑与另一个人交换之后，仍然能保持相同的思维。这种大脑置换的想法其实是一种逻辑谬误。
大脑如何创造个人体验？
在出生时，一个人的大脑结构很大程度上是由在子宫里的经历，以及他们独特的遗传密码决定的。随着年龄的增长，经验会继续在大脑的神经连接上留下独特的变化痕迹，在某些区域的连接增加，而在另一些区域的连接减少；随着年龄的增长和学习，大脑不断获得知识和经验，同时不断积累新的路径。此外，现有连接的强度也会发生变化。这些过程在双胞胎身上尤为明显，因为他们的大脑在出生时惊人地相似。然而，随着各自的成长，在不断学习和体验这个世界的过程中，他们的大脑开始发散，其本质自我变得越来越独一无二。
从本质上，正是这一过程创造了记忆，而记忆又是一种极为基本的东西，会不知不觉地浮现在我们自我认知的各个方面。甚至我们在骑自行车、说话和走路时所作出的各种下意识动作也保存在记忆中。更令人难以置信的是，经历了数小时临床死亡（心脏和大脑均无活动）的低体温症患者在经过治疗之后，能够达到完全恢复记忆的状态，这表明对大脑中记忆的存储而言，神经电活动并不是唯一重要的。
尽管确实有一些解剖区域似乎起着相对特定的作用，但一个人的记忆并不是在任何单一大脑区域的活动中形成、存储或回忆的。某些结构，如杏仁核和海马体，起着关键作用，但试图在一个特定区域中找到记忆是根本不可能的。这就像在听贝多芬的第五交响曲时，你不可能只听琴弦的声音。
在最广泛的意义上，记忆存在于大脑整个连接结构的独特性当中；这种连接结构即所谓的连接组（connectome）。连接组由其完整的神经元网络和它们之间的所有连接（突触）组成，甚至有研究者认为，从根本上说，“你就是你的连接组”。
因此，解开连接组与记忆之间对应关系的关键在于阐明大脑的整个回路。考虑到其中所涉及的复杂性，精确绘制出如此规模的“接线图”并非易事。据估计，仅1立方毫米的脑组织就包含大约5万个神经元，而更令人瞠目结舌的是，其中包含了大约1.3亿个突触。一个完整的人类大脑体积超过100万立方毫米，包含大约860亿个神经元，几乎相当于银河系中恒星的估计数量。
而意义最重要的一个数字则是大脑中突触连接的总数：100万亿。如此巨大的数量级别简直令人头脑发麻。只有确定了神经电信号在这些连接中运行的可能路径，我们才有可能全面了解记忆和主观体验的完整活动模式。
如何绘制连接组？
通过构建人类大脑的连接组来回答神经元和行为之间的一些基本问题可能还有很长的路要走。可以用人类连接组做些什么的问题将带来深远的好处。例如，研究者可以利用连接组开发出更有效的疗法，来治疗精神分裂症或自闭症等神经认知障碍——这些问题被认为是由错误的连接引起的。当然，我们目前还不知道如何开展这样的研究。
不同物种的大脑“接线图”会随着个体一生的成长和发展而变化。绘制出连接组数据本身所记录的未知思维领域可以将连接组比作基因组学，拥有完整的人类连接组就相当于拥有完整的基因组；由此开始，我们就能进入一个目前还无法理解的发现领域。
事实上，来自其他物种的连接组简单模型已经推动了科学的发展。例如，美国艾伦脑科学研究所的研究人员追踪了小鼠大脑的完整回路，展示了不同类型的神经元如何连接不同的解剖区域。神经科学研究机构与谷歌公司的科学家合作进行了一项研究，在单个神经元水平上绘制出了果蝇连接组的一个大型中心区域；这项研究花费了12年多的时间和至少4000万美元。
早在这些卓越的成就之前，一些研究先驱在20世纪80年代就绘制出了秀丽隐杆线虫的完整连接组，包含了该物种的302个神经元和大约7600个突触，这为后来多年的研究提供了动力。对线虫连接组活动的复杂模拟揭示了其蠕动背后的同步活动模式。
在不同的物种中，连接组内部看似遥远的大脑区域之间的神经信号的同步和协调，为执行和记忆有序的事件序列提供了基础。例如，当幼鸟学习如何鸣叫时，它们通过不同的神经元链对从其他鸟类那里听到的声音模式进行编码、存储和检索；反过来，这些神经元又激活了肌肉运动序列，从而产生相同的声音模式。目前，至少有20项研究正试图厘清人类连接组在记忆中的作用。
然而，对于活体动物，在单个神经元的水平上绘制连接组仍然是不可能的。在研究中，动物的大脑必须先被提取出来，注入福尔马林等固定剂，并在进行结构分析之前尽可能多地切片，以便寻找单个神经元并追踪它们的路径。具体而言，研究者需要使用多种显微技术记录每一个新切片的特征。
这项工作一旦完成，就可以从不同类型的神经元，以及刺激或抑制其他神经元的连接中估算出电活动的模式。更关键的是，被提取出来的大脑需要被足够精确地保存下来，以在被切片之前维持其复杂而精细的连接组。
保存人类大脑及其连接组
目前，将人类大脑的整个连接组都完好无损地保存下来是不太可能的。在人死后，大脑会迅速退化。没有富含氧气的血液流动，大脑的新陈代谢活动就会显著下降；当新陈代谢停止时，因缺乏新鲜氧气而造成的不可逆转的结构损伤会在短短五分钟内开始。因此，通过大脑切片来绘制连接组图谱时，就需要尽可能快地保存大脑，使损伤最小化。
因此，为了保持整个连接组的准确结构，我们需要一种能让每一个神经元和每一个突触连接都保持在适当位置的保存方法。对一个人类大脑而言，这一要求意味着保存成功的次数必须达到100万亿次。
如果能开发出完整保存人类大脑连接组的技术，其意义将极其深远。如果我们本质上就是由连接组结构中所烙印的所有记忆所定义的人类个体，那么保存连接组本质上也就等同于保存我们自己。在理论上，这个逻辑向我们暗示了逃脱死亡的可能性。
大脑保存基金会（Brain Preservation Foundation，简称BPF）2010年，一群神经科学家出于对这个想法的共同兴趣走到了一起，并共同创建了大脑保存基金会（Brain Preservation Foundation，简称BPF）。联合创始人兼基金会主席肯·海沃斯也是珍利亚研究园区的一位资深科学家，他表示，他希望科学家们能参与到这项研究当中，使保存大脑成为绝症患者的一种选择。“我知道医院里有的人正生命垂危，他们现在根本没有其他选择，”他说，“如果没有人支持这种方法，那么它肯定不会实现……如果是我，在面对绝症的时候，我会希望能有这样的选择。”
成立后不久，BPF就开始提供10万美元的现金奖项，用于奖励保存连接组的新方法。奖金由以色列科技企业家兼扑克玩家萨尔·威尔夫捐赠。根据大脑体积的大小，该奖项分为两个阶段：小型哺乳动物大脑保存奖和大型哺乳动物大脑保存奖。BPF还提供了一套详细的评估指南，涉及分子水平的电子显微镜扫描。很显然，任何愿意接受这项挑战的人都将付出巨大的努力。
最适合接受这一挑战的是人体冷冻学界，他们致力于在身患绝症者死后立即对其进行冷冻（或者只冷冻大脑），希望他们能够在未来解冻后获得治愈疾病的机会。海沃斯希望这笔奖金能促使冷冻法研究者证明其保存技术的有效性，他说：“这一奖项旨在激励人体冷冻技术提供者‘要么拿出成果，要么闭嘴’。”
然而，截止到2018年，人体冷冻法依然没有取得成功。相反，来自加利福尼亚州一家名为21CM（“21世纪医学”的简称）的私营冷冻生物学研究公司却赢得了两个阶段的大脑保存奖。该公司的科学家主要专注于保存冷冻标本，他们在保存的兔子大脑和猪大脑中展示了完整的连接组，并因此获奖。
21CM的创始人格雷格·费伊是一位经验丰富的低温生物学家，他和麻省理工学院的毕业生罗伯特·麦金泰尔共同发明了这项获奖的技术。这一过程在技术上被称为“醛稳定化冷冻保存法”（aldehyde-stabilised cryopreservation），但如今被命名为“玻璃化固定”（vitrifixation），主要依靠使用一种名为戊二醛的速效固定剂（常被用作消毒剂）与其他化学物质结合，使大脑进入玻璃化物理状态。
在未来主义者看来，玻璃化固定过程意味着一场革命，因为即使在零下135摄氏度的低温下，连接组也被认为是完好无损的。在如此低温下，所有的新陈代谢、生物过程都会停止，从而使“无限保存”——至少可以持续几百年甚至数千年——成为可能，而且没有腐烂的迹象。假设有关连接组自我和记忆作用的相关逻辑是正确的，玻璃化固定过程在本质上可以使你以假死的形式无限期地保存下去。
长期以来，罗伯特·麦金泰尔一直认为，不仅保存大脑的物理结构意义重大，保存这些结构中的记忆本身也有着巨大的价值。毕竟，人类的进步依赖于信息在时间上的传递，而这往往需要通过跨越性的创新。第一次这样的创新是口头语言的建立，第二次则是书面语言，后者可以更准确地保存信息，并持续更长的时间。麦金泰尔说：“你能想象回到文字出现之前的时代，对某个人说，有一天人们会把所说的话都刻在可以保存亿万年的石头上，等着遥远未来的人们去发现吗？他们不会相信你的。”
记忆和思维能否永久保存？
麦金泰尔最初受到的启发来自于利用神经科学从大脑中提取记忆的前景，因为大脑中包含的关于经历和事件的信息远多于当前其他任何保存形式，如文字、音频甚至视频。他开始思考能否以某种方式从大脑中提取记忆——本质上是一种“活着的记忆”，是实际在现场感受到的第一手信息。我们每个人都会经历不同的历史阶段，但这些历史在大脑中留下的印记，要比教科书所提供的信息丰富得多。
在麦金泰尔还是学生的时候，他参观了一个神经科学实验室，那里的研究人员认为他的想法很古怪，不可能实现。后来，他决定通过计算，即借助人工智能来解决这个问题。在完成了麻省理工学院的课程之后，他在2014年和父亲去了一间荒野中的小木屋居住，并在那里完成了博士学位论文。父子俩的一次散步改变了麦金泰尔的生活。他的父亲一边拿着手枪以防响尾蛇袭击，一边问他，除了人工智能以外，还有什么能直接挽救记忆的方法？他们得出的结论是，最好的方法是在未来出现目前根本想象不到的技术，能够将这些记忆的基础，即连接组本身保存下来。
如果连接组拥有可以重新体验的记忆，那它们就具有独一无二的重要性。以那些因战争事件而改变人生的士兵为例，他们所获得的智慧是非常宝贵的。这与教科书或个人回忆录中关于世界大战的描述完全不同，因为这些信息形式并不能直接承载亲身经历战争的鲜活记忆，也无法展现其中的细节。麦金泰尔认为，这是一种深刻的智慧，可以丰富人类的知识、远见和判断，使其不致走上不可持续的、终结人类物种的道路。
现在，玻璃化固定方法得到了BPF科学家的认可，我们终于有了一种有可能永久保存连接组记忆的技术。不幸的是，在玻璃化固定过程中，向血管系统灌注的固定剂会直接导致死亡。换句话说，你需要杀死记忆的创造者才能使其记忆永久保存下来。
如果你还是决定完成这一过程，那么首先，你会被全身麻醉。然后，你的胸腔将被打开，动脉将连接到一个灌注装置上。在放血之后，戊二醛将被泵入你的体内，随后扩散至大脑的毛细血管，所有的新陈代谢活动都将停止，你也将立即死亡；与此同时，构成大脑的蛋白质都将连接成一个稳定的网状结构。之后，你的大脑会被灌注防冻剂以防止损伤，然后被提取出来，在低温下无限期地保存。
相比记忆丧失，保存这些记忆似乎更加可怕，因为会直接导致死亡。然而，玻璃化固定虽然是致命的，但也提供了某种永生的方式。如果一个人的本质是由所有相关信息构成的，那就可以被扫描出来，然后以某种方式转移至人工媒介；从功能的角度来看，这个媒介在本质上就与大脑无异。最重要的是，这种媒介在“运行”时，必须准确和充分地执行支撑一个人记忆、身份和经验的神经活动模式，以唤起他们独一无二的意识。
研究者将这一目标称为“全脑模拟”（whole-brain emulation）。毕竟，为什么大脑只能由生物材料组成呢？如果思维可以在一个由连接组成的网络上运行，那它们也可以是“基质独立”的，即所有重要的思维信息都包含在这些连接结构和操作当中，而不是任何给定的基质本身。
尽管相关的研究还处于起步阶段，但科学家已经取得了一些重大的成就。许多方法都预见了模拟涉及数字信息空间的大脑活动的计算介质。目前，脑机接口技术已经使通过思维控制假肢成为可能。实际的神经修复技术甚至可以直接取代脑细胞。这是最真实意义上的大脑模拟形式。更重要的是，像Neuralink、Kernel、Building 8和DARPA等高科技公司和机构都在投入数百万美元的资金，试图在思维、大脑和计算机之间建立更深入的连接，这也增加了这种全脑模拟的可能性。
如何精确地模拟像大脑这样复杂的东西呢？
目前有两种方法最受关注。第一种方法是对连接组及其活动进行数字模拟——可能是在分子尺度上——然后将其释放到网络空间。这也是目前最流行的思路。这是一个宏大的模拟计划，其完整性和准确性如此之高，以至于能对一个人的身份、记忆、意识、思想和感觉等自然属性进行模拟；而这种模拟的方式，就像我们能够理解主观体验是大脑的自然属性一样。许多人都或多或少地描述过这种模拟方法的前景，在这个未来中，我们可能会生活在一个虚拟的模拟世界里，你的思维将与其他被模拟的思维融为一体。
第二种方法是将模拟大脑移植到一个假体中，打造出终极的半机械人——你的身体每一部分都是人工合成的。在这种情况下，你的思维可以凭借一个完全人造的身体存在于现实世界中。
然而，就生存问题的本质而言，无论是模拟的连接组还是半机械人，可能都不会比毫无生气的玻璃化大脑更进一步。在这两种场景下，即使“新的你”是一个完整的、有意识的模拟个体，而且拥有和你一样的记忆、身份、感觉和主观自我，但在很大程度上，它仍然不能等同于你。
它或许应该称为你的“分身”（doppelgänger），一个在所有方面都一模一样的复制品。毕竟，对于这样一个“新的你”，创造出多个同样的实体应该是可能的；那么，其中哪一个实体是你呢？所有都是吗？从这个角度来看，记忆、身份和主观意识体验就像一首歌曲，可以在任何乐器上演奏，只要它能产生“神经音符”。
另外，对我们个人而言，身份和生存的定义应该是连续的属性，而不是一个二元的、是或否的选项。当你变老时，你本质上只和出生时部分相同，但在这个转变过程中，并没有年轻的你死去而年老的你突然被创造出来的时刻。一个必须回答的本质问题是，我们是否注定要以目前构成自己身体的分子的形式存在？在深入探索意识和连接组的同时，我们对它们的思考也可能会迎来巨大的跨越。尽管目前有许多人争论“复活”的可能性，但当未来真的实现这一目标时，人类的知识、文化和技术很可能会改变其采取的形式。
在这个问题上，麦金泰尔只是简单地说道：“如果大脑能做到这一点（比如心脏骤停的人在临床死亡后复活），我们就能做到，而且我们会弄清楚怎么做。”他也用DNA的发现做了类比，“当它在70年前被发现时，没有人真正知道该怎么利用它，而现在……这的确不会很快发生。但人类最终将成功地理解大脑，并开发出所需的扫描和模拟技术……人类最终将搞清楚这一切。”
一项新技术的前景有多远大，其背负的责任就有多重大。玻璃化固定技术或许能让人类逃脱死亡，但同时也带来了许多尚未回答的伦理问题。例如，参与这一过程的机会是平等的吗？还是只有那些负担得起的人才能参与？如何保护一个人的记忆不被篡改、破坏或盗窃？谁会拥有这些记忆所有权？在什么情况下可以访问虚拟连接组中的记忆？由谁访问？
不过，有一个问题似乎不那么令人担忧：一旦玻璃化固定技术最终实现，它就有可能成为绝症患者的一种选择。因此，麦金泰尔和麻省理工学院的前室友迈克尔·麦坎纳在赢得10万美元奖金后，创立了一家颇具争议的风险投资初创公司——Nectome。该公司网站上的介绍称，其主要目标是保存并从本质上存档人类记忆。到目前为止，Nectome已经筹集了超过100万美元的资金，并从美国国家心理健康研究所获得了96万美元的联邦拨款，用于“全脑纳米级保存和成像”。这笔联邦拨款还明确提到了“提供大脑保存商业机会”的可能性。
目前Nectome已经拥有了至少30名支持者，每个人都捐了1万美元。玻璃化固定过程实际上从未在活人身上进行过，但在美国的5个州，根据现行的医生协助绝症患者自杀法律，这在技术上是合法的。事实上，Nectome唯一一次人体玻璃化固定手术是在一位老年女性的大脑上进行的，她的遗体由遗体捐赠公司Aeternitas Life捐赠给麦金泰尔。这场手术是在这位女士死后仅2.5小时进行的，由此获得了目前保存最完好的大脑之一。
Nectome公司遭遇到了一些严重的争议，这也不足为奇。在各大媒体的报道中，该公司所获得的捐款被错误地理解为用于自杀手术的“存款”，麦金泰尔对此予以了断然否认。他说：“这些捐款者希望成为早期的支持者。我们不提供任何大脑保存服务。”不过，作为对舆论的回应，麻省理工学院于2018年终止了与该公司正在进行的神经科学合作。
一个无法忽视的事实是，任何希望成为Nectome客户的人可能都要面临徒劳的等待。“自我可以在连接组中被发现”的说法距离证实还有很长的路要走，而且可能永远也不会有任何方法来确定意识能否存在于机器中。因此，用较大的经济代价进行玻璃化固定无异于自杀。
在无法保证大脑能正常工作的情况下，人们不应该冲动地选择保存大脑，这只是想进一步研究这一科学领域。显然，这可能不会起作用，但也有一些人正在走向死亡。玻璃固定术已经被证明可以准确、可靠地保存现代神经科学所说的编码意识的结构和分子。因此，如果晚期患者愿意的话，他们可能想要抓住这样的机会。
当然，无论如何，有一种观点是一致的：连接组有潜力以某种未知但意义深远的方式影响人类的未来。
