上传你的大脑:会有那么一天吗?

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选文|孙强

翻译整理|孙强 佳灵

作者|Kenneth D. Miller

沿着进化之路,一些原始人类也许是最早具有认知能力的动物,他们能理解死亡总有一天会到来。作为人类我们能认识并且要面对这一点(死亡总会到来)。很多人从宗教那儿得到慰藉,因为宗教承诺离开这个世界生命还会在另外的世界存在,但是另外一些人则孜孜以求,希望在这个世界上能逃离死亡。这些希望,从庞塞·德莱昂(Ponce de León)寻找青春之泉(Ponce de León是西班牙探险家,为了寻找青春之泉,又名不老泉,结果到达了今天的佛罗里达——译者注)到现在流行的低温保存法,都不可避免地被证明是假的。

近来,有个说法很有吸引力,就是相信你死亡的大脑也许能通过冷冻被充分保存,这样,某个未来的文明能让你的思想起死回生。假设未来的科学家并不会扭转死亡,那么希望就是他们能分析你的大脑结构,利用分析结果来重建一个能正常运转的大脑,不管是在设计出来的活组织里还是在一个有机器人身体的计算机里。我所说的正常运转,意思是能思考、有感觉、能看、能听、能学、能记和能行动。你的思想将苏醒,就像是睡了一晚以后醒来,带着你自己的记忆、感觉和思维方式,继续生活在这世界上。

我是理论神经学家。我研究大脑回路的模型,就是运用有关大脑结构的详细知识尝试重建或模拟能正常运作的大脑。我基本上没有什么理由来怀疑那些我已经描述过的东西在遥远的将来的某一天能够实现(尽管这是非常活跃的哲学辩论领域)。但是要做到这一点,那些未来科学家们将需要知道有关大脑结构惊人复杂的细节,那些细节可能远远超越了现今人类已知的将信息保存在死亡的大脑中任何方法。

我们需要知道多少知识才能重建一个正常运作的大脑?回答这个问题前,让我们先来定义一些术语。神经元是大脑中的通过生物电携带信息的细胞 -- 它们的电流活动在某种程度上相当于你看、听、思考、行动和所有的其他感觉。每个神经元伸出一个高度分化细长的支线,叫轴突(axon),来连接其他神经元并进行“电交谈”。神经元之间的专门的连接点称为突触 (synapses)。我们的记忆通常被认为是存储在神经元之间的特定的突触连接的模式,这些特定模式又会形成特定的神经元的电活动。

重建一个正常运作的大脑的大部分希望来自于连接组学(connectomics):该学科试图构建哺乳动物大脑神经元之间的所有突触连接的完整接线图,或“连接组”。不幸的是,连接组学虽然是基础研究的重要组成部分,但离重建大脑还相差甚远,在两方面的原因:首先,我们还远远没有构建一个完整的连接组。目前的最好成绩是确定一小片包含了1700个突触的脑组织的所有连接;人的大脑有超过一千亿倍该数量的突触。虽然进展迅速,但没有人能正确估算还需要多长时间才能建立整个大脑的连接组。(我大胆猜测:几个世纪。)

第二,即使这个目标得以实现,这也只是迈出了获取足够大脑知识以“捕获”大脑的第一步,因为“捕获”大脑还意味着理解大脑的电活动的每一个细节。如果神经元A通过突触连接到神经元B,我们需要知道神经元B中的电信号强度,是如何通过神经元A的电活动来应对调节的。连接组可能会为每个连接给出一个平均强度,但实际电强度会随时间变化。在短时间内(从千分之一秒量级到十分之一秒量级),强度会根据神经元A每次发送的信号,发生剧烈变化。在较长的时间内(几分钟到几年),作为学习的一部分,短期变化的电信号的整体强度和模式都会更永久地改变。这些变化的细节随着突触的不同而发生改变。通过单个固定强度来描述这种复杂的信息传输,打个比喻,就像是在每对机场之间的使用同样数量的航班数来描述空中交通一样不靠谱。

隐藏在复杂行为背后的是复杂的结构:每个突触都是一个非常复杂的分子机器,是生物学已知最最复杂的,由超过1000种不同的蛋白质组成,并且每个蛋白质拥有多个拷贝。为什么一个突触需要这么复杂?我们还不知道突触所做的所有事情,但除了动态变化的信号强度,突触可能还需要控制他们是如何变化的:我们目前已知的最好的关于我们“如何储存新的记忆,而不会覆盖旧的记忆”的理论认为,每个突触需要不断地重新整合过去的经验(神经元A和神经元B之间的活动模式),以确定它应该如何响应下一个全新的体验:是固定不变,还是做出变化。如果丢失了这一“突触到突触”的可塑性,目前的理论认为,或者我们已有的记忆会很快消失,或者我们将很难形成新的记忆。如果不能了解每个突触如何应对实时的新输入,以及如何修改其本身来做出响应,我们就不能重建构成我们心灵的动态、学习、以及不断改变的实体。

但是,这还不是全部。神经元本身是复杂而可变的。轴突传输的速度和可靠性都会改变。每个神经细胞会形成树状分支结构,伸向其它神经元并接受其它神经元的突触输入,就像是一棵树伸展树枝接受阳光一样。树枝状结构,称为树突,对不同的突触输入信号会有不同的灵敏度,它的分子组成及树突的形状决定了它将如何接收其它突触的电输入,并做出怎样的响应。

活体大脑的任何组成部分都不是固定实体。大脑的组件,包括神经元、轴突、树突和突触(多),不断地在适应其电活动和化学“经验”,作为学习的一部分,以保持对不同的输入给出不同反应的能力,并保持大脑相对稳定,防止大脑休克的发作。这些调整取决于各神经结构的动态分子机器。所有这些组件的状态不断被脑干神经元发出的化学调制信号调整着,这些信号决定了我们何时醒着,何时应该睡觉,而从体内产生的荷尔蒙,则有助于推动我们的动机。每个元素对这些外在影响具有不同的易感性。

要重建心灵,也许我们并不需要复制每一个分子细节; 给予足够的结构,其余部分可能会自我纠正。但深水平的细节还是需要的,不仅需要了解连接组,还要理解神经元、树突、轴突和突触如何动态地操作、改变、自适应。

我并不认为只有哪些复杂的令人绝望的大脑模型是有用的。事实恰恰相反。我们最有力的用于理解脑功能理论研究工具往往是大大简化的大脑一小部分的模型 - 例如,研究单一强度的突触而忽略树枝状结构。我所研究的就是这种模型。这些简单的模型,与实验结果结合起来互动发展,可以揭示大脑回路运行的基本机制。增加模型的复杂性,并不一定给我们研究大脑回路带来更好的结果,因为我们无法了解这种复杂性的足够细节,从而不能精确地模拟,这种复杂性反而掩盖我们正在试图抓住的关系。但是,要想彻底了解一个普通全脑的动态操作,我们绝对需要更多的数据。捕获组成个体大脑的所有结构,还是一项难以想象、更加复杂的工作。

神经科学进展很快,但彻底理解大脑的功能还有很长的路要走。几乎肯定需要一段很长的时间,我们才有希望保存大脑及大脑的足够细节;然后再过很多年,数千年甚至数百万年,一些更远的未来的文明,或许可能具有真正的技术能力“上传“并重新创建个人的心灵。

我当然对自己的死亡也感到恐惧。但我同时也知道,在我出生之前宇宙已经存在了138亿年了,我死后宇宙同样存在。宇宙的存在并不关乎我或者任何其他个人;我们来了,我们又走了,我们只是一个更大的进程的一部分。我越来越对这种意识感到知足。我们每个人都会找到自己的面对死亡的解决方案。在可预见的将来,让你的心灵复活并不是解决方案之一。

Kenneth D. Miller教授是哥伦比亚大学神经学教授,也是哥大理论神经学研究中心的共同主任。

原文链接:

http://www.nytimes.com/2015/10/11/opinion/sunday/will-you-ever-be-able-to-upload-your-brain.html?_r=1

大数据文摘医疗大数据栏目

2015年2月7日“医疗大数据专栏”正式成立。随着基因芯片及DNA测序技术的发展,生物医疗大数据迅猛发展,既是大数据技术发展的原动力,也是大数据技术的受益者。大数据文摘2013年7月成立,我们专注数据,每日坚持分享优质内容,从未间断,我们努力为读者和志愿者打造一个分享和交流平台。作为大数据文摘的志愿者群,我们中有不少人从事医疗大数据相关工作,关心医疗大数据的发展,愿意通过这个专栏,和大家一起分享医疗大数据的点点滴滴。

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孙强,资深生物信息专家,现在服务于美国国立癌症研究所,从事癌症基因组数据库管理工作。热爱大数据,加入大数据文摘志愿者行列一年有余,愿以文会友,广结大数据善缘。旅居美国多年,现在定居于大华府地区。

读过的学校:山东大学,中科院植物所,加大洛杉矶分校( UCLA )

生活过的城市:淄博,济南,北京,洛杉矶,华盛顿

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孙一强

资深生物信息专家,现在服务于美国国立癌症研究所,从事癌症基因组数据库管理工作。热爱大数据,加入大数据文摘志愿者行列一年有余,愿以文会友,广结大数据善缘。旅居美国多年,现在定居于大华府地区。

原文发布于微信公众号 - 大数据文摘(BigDataDigest)

原文发表时间:2015-10-29

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