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由無數(shù)神經(jīng)連接組成的人類大腦連接組如同一幅復雜的“接線圖”

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　　來源：aeon

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　　作者：Phil Jaekl

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　　翻譯：任天

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　　在西班牙西北部的阿斯圖里亞斯地區(qū)，人們發(fā)現(xiàn)了一幅描繪猛犸象的洞穴畫。這幅畫有一個醒目的內(nèi)部特征：一顆巨大的紅心。這件藝術(shù)品至少有一萬四千年的歷史，很可能描繪了一場成功的狩獵，而這顆紅心代表了猛犸象的生命尚未終結(jié)。人類從最早期開始，就將脈搏、呼吸和心跳視為一塊死肉與活生命體之間最大的區(qū)別。

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　　隨著人們不斷深入了解大腦在意識中所發(fā)揮的作用，以及科技發(fā)展使病人可以借助機器的力量——生命維持系統(tǒng)——來維持心臟和肺部的功能，呼吸、心跳和生命本身之間的基本聯(lián)系開始發(fā)生變化。今天，我們用大腦活動的存在與否來定義生與死，這是有道理的，因為與其他器官不同的是，大腦不僅能表明生命的存在，而且對作為個體的人，對個人獨特的身份、記憶、知識和對世界的主觀體驗都是必不可少的。

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　　為了更好地理解大腦如何成為“自我”的基礎(chǔ)，我們就需要了解它的復雜形式，即大腦在神經(jīng)元之間連接的層次上所具有的復雜結(jié)構(gòu)。畢竟，對生物結(jié)構(gòu)的了解已經(jīng)揭示了許多不同生命形式的本質(zhì)。

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　　植物之所以能茁壯成長，是因為它們典型的闊葉非常適合將光能轉(zhuǎn)化為至關(guān)重要的化學能。同樣的，眼睛，無論是人類的眼睛還是昆蟲的眼睛，都能將周圍環(huán)境的光轉(zhuǎn)換成神經(jīng)系統(tǒng)中的電信號——這些脈沖攜帶著代表周圍環(huán)境特征的信息。然而，當涉及到結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系時，大腦仍然是一個謎。

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　　相比其他有特定功能的器官（如眼睛、心臟甚至手），大腦的功能要豐富得多。許多器官現(xiàn)在都可以通過手術(shù)進行替換，而就算大腦移植在技術(shù)上是可能的，你也不可能保證你的大腦與另一個人交換之后，仍然能保持相同的思維。這種大腦置換的想法其實是一種邏輯謬誤。

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　　大腦如何創(chuàng)造個人體驗？

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　　在出生時，一個人的大腦結(jié)構(gòu)很大程度上是由在子宮里的經(jīng)歷，以及他們獨特的遺傳密碼決定的。隨著年齡的增長，經(jīng)驗會繼續(xù)在大腦的神經(jīng)連接上留下獨特的變化痕跡，在某些區(qū)域的連接增加，而在另一些區(qū)域的連接減少；隨著年齡的增長和學習，大腦不斷獲得知識和經(jīng)驗，同時不斷積累新的路徑。此外，現(xiàn)有連接的強度也會發(fā)生變化。這些過程在雙胞胎身上尤為明顯，因為他們的大腦在出生時驚人地相似。然而，隨著各自的成長，在不斷學習和體驗這個世界的過程中，他們的大腦開始發(fā)散，其本質(zhì)自我變得越來越獨一無二。

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　　從本質(zhì)上，正是這一過程創(chuàng)造了記憶，而記憶又是一種極為基本的東西，會不知不覺地浮現(xiàn)在我們自我認知的各個方面。甚至我們在騎自行車、說話和走路時所作出的各種下意識動作也保存在記憶中。更令人難以置信的是，經(jīng)歷了數(shù)小時臨床死亡（心臟和大腦均無活動）的低體溫癥患者在經(jīng)過治療之后，能夠達到完全恢復記憶的狀態(tài)，這表明對大腦中記憶的存儲而言，神經(jīng)電活動并不是唯一重要的。

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　　盡管確實有一些解剖區(qū)域似乎起著相對特定的作用，但一個人的記憶并不是在任何單一大腦區(qū)域的活動中形成、存儲或回憶的。某些結(jié)構(gòu)，如杏仁核和海馬體，起著關(guān)鍵作用，但試圖在一個特定區(qū)域中找到記憶是根本不可能的。這就像在聽貝多芬的第五交響曲時，你不可能只聽琴弦的聲音。

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　　在最廣泛的意義上，記憶存在于大腦整個連接結(jié)構(gòu)的獨特性當中；這種連接結(jié)構(gòu)即所謂的連接組（connectome）。連接組由其完整的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和它們之間的所有連接（突觸）組成，甚至有研究者認為，從根本上說，“你就是你的連接組”。

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　　因此，解開連接組與記憶之間對應(yīng)關(guān)系的關(guān)鍵在于闡明大腦的整個回路?？紤]到其中所涉及的復雜性，精確繪制出如此規(guī)模的“接線圖”并非易事。據(jù)估計，僅1立方毫米的腦組織就包含大約5萬個神經(jīng)元，而更令人瞠目結(jié)舌的是，其中包含了大約1.3億個突觸。一個完整的人類大腦體積超過100萬立方毫米，包含大約860億個神經(jīng)元，幾乎相當于銀河系中恒星的估計數(shù)量。

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　　而意義最重要的一個數(shù)字則是大腦中突觸連接的總數(shù)：100萬億。如此巨大的數(shù)量級別簡直令人頭腦發(fā)麻。只有確定了神經(jīng)電信號在這些連接中運行的可能路徑，我們才有可能全面了解記憶和主觀體驗的完整活動模式。

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　　如何繪制連接組？

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　　通過構(gòu)建人類大腦的連接組來回答神經(jīng)元和行為之間的一些基本問題可能還有很長的路要走。可以用人類連接組做些什么的問題將帶來深遠的好處。例如，研究者可以利用連接組開發(fā)出更有效的療法，來治療精神分裂癥或自閉癥等神經(jīng)認知障礙——這些問題被認為是由錯誤的連接引起的。當然，我們目前還不知道如何開展這樣的研究。

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　　不同物種的大腦“接線圖”會隨著個體一生的成長和發(fā)展而變化。繪制出連接組數(shù)據(jù)本身所記錄的未知思維領(lǐng)域可以將連接組比作基因組學，擁有完整的人類連接組就相當于擁有完整的基因組；由此開始，我們就能進入一個目前還無法理解的發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域。

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　　事實上，來自其他物種的連接組簡單模型已經(jīng)推動了科學的發(fā)展。例如，美國艾倫腦科學研究所的研究人員追蹤了小鼠大腦的完整回路，展示了不同類型的神經(jīng)元如何連接不同的解剖區(qū)域。神經(jīng)科學研究機構(gòu)與谷歌公司的科學家合作進行了一項研究，在單個神經(jīng)元水平上繪制出了果蠅連接組的一個大型中心區(qū)域；這項研究花費了12年多的時間和至少4000萬美元。

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　　早在這些卓越的成就之前，一些研究先驅(qū)在20世紀80年代就繪制出了秀麗隱桿線蟲的完整連接組，包含了該物種的302個神經(jīng)元和大約7600個突觸，這為后來多年的研究提供了動力。對線蟲連接組活動的復雜模擬揭示了其蠕動背后的同步活動模式。

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　　在不同的物種中，連接組內(nèi)部看似遙遠的大腦區(qū)域之間的神經(jīng)信號的同步和協(xié)調(diào)，為執(zhí)行和記憶有序的事件序列提供了基礎(chǔ)。例如，當幼鳥學習如何鳴叫時，它們通過不同的神經(jīng)元鏈對從其他鳥類那里聽到的聲音模式進行編碼、存儲和檢索；反過來，這些神經(jīng)元又激活了肌肉運動序列，從而產(chǎn)生相同的聲音模式。目前，至少有20項研究正試圖厘清人類連接組在記憶中的作用。

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　　然而，對于活體動物，在單個神經(jīng)元的水平上繪制連接組仍然是不可能的。在研究中，動物的大腦必須先被提取出來，注入福爾馬林等固定劑，并在進行結(jié)構(gòu)分析之前盡可能多地切片，以便尋找單個神經(jīng)元并追蹤它們的路徑。具體而言，研究者需要使用多種顯微技術(shù)記錄每一個新切片的特征。

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　　這項工作一旦完成，就可以從不同類型的神經(jīng)元，以及刺激或抑制其他神經(jīng)元的連接中估算出電活動的模式。更關(guān)鍵的是，被提取出來的大腦需要被足夠精確地保存下來，以在被切片之前維持其復雜而精細的連接組。

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　　保存人類大腦及其連接組

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　　目前，將人類大腦的整個連接組都完好無損地保存下來是不太可能的。在人死后，大腦會迅速退化。沒有富含氧氣的血液流動，大腦的新陳代謝活動就會顯著下降；當新陳代謝停止時，因缺乏新鮮氧氣而造成的不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)損傷會在短短五分鐘內(nèi)開始。因此，通過大腦切片來繪制連接組圖譜時，就需要盡可能快地保存大腦，使損傷最小化。

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　　因此，為了保持整個連接組的準確結(jié)構(gòu)，我們需要一種能讓每一個神經(jīng)元和每一個突觸連接都保持在適當位置的保存方法。對一個人類大腦而言，這一要求意味著保存成功的次數(shù)必須達到100萬億次。

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　　如果能開發(fā)出完整保存人類大腦連接組的技術(shù)，其意義將極其深遠。如果我們本質(zhì)上就是由連接組結(jié)構(gòu)中所烙印的所有記憶所定義的人類個體，那么保存連接組本質(zhì)上也就等同于保存我們自己。在理論上，這個邏輯向我們暗示了逃脫死亡的可能性。

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大腦保存基金會（Brain Preservation Foundation，簡稱BPF）

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　　2010年，一群神經(jīng)科學家出于對這個想法的共同興趣走到了一起，并共同創(chuàng)建了大腦保存基金會（Brain Preservation Foundation，簡稱BPF）。聯(lián)合創(chuàng)始人兼基金會主席肯·海沃斯也是珍利亞研究園區(qū)的一位資深科學家，他表示，他希望科學家們能參與到這項研究當中，使保存大腦成為絕癥患者的一種選擇?！拔抑泪t(yī)院里有的人正生命垂危，他們現(xiàn)在根本沒有其他選擇，”他說，“如果沒有人支持這種方法，那么它肯定不會實現(xiàn)……如果是我，在面對絕癥的時候，我會希望能有這樣的選擇。”

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　　成立后不久，BPF就開始提供10萬美元的現(xiàn)金獎項，用于獎勵保存連接組的新方法。獎金由以色列科技企業(yè)家兼撲克玩家薩爾·威爾夫捐贈。根據(jù)大腦體積的大小，該獎項分為兩個階段：小型哺乳動物大腦保存獎和大型哺乳動物大腦保存獎。BPF還提供了一套詳細的評估指南，涉及分子水平的電子顯微鏡掃描。很顯然，任何愿意接受這項挑戰(zhàn)的人都將付出巨大的努力。

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　　最適合接受這一挑戰(zhàn)的是人體冷凍學界，他們致力于在身患絕癥者死后立即對其進行冷凍（或者只冷凍大腦），希望他們能夠在未來解凍后獲得治愈疾病的機會。海沃斯希望這筆獎金能促使冷凍法研究者證明其保存技術(shù)的有效性，他說：“這一獎項旨在激勵人體冷凍技術(shù)提供者‘要么拿出成果，要么閉嘴’?！?/p>

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　　然而，截止到2018年，人體冷凍法依然沒有取得成功。相反，來自加利福尼亞州一家名為21CM（“21世紀醫(yī)學”的簡稱）的私營冷凍生物學研究公司卻贏得了兩個階段的大腦保存獎。該公司的科學家主要專注于保存冷凍標本，他們在保存的兔子大腦和豬大腦中展示了完整的連接組，并因此獲獎。

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　　21CM的創(chuàng)始人格雷格·費伊是一位經(jīng)驗豐富的低溫生物學家，他和麻省理工學院的畢業(yè)生羅伯特·麥金泰爾共同發(fā)明了這項獲獎的技術(shù)。這一過程在技術(shù)上被稱為“醛穩(wěn)定化冷凍保存法”（aldehyde-stabilised cryopreservation），但如今被命名為“玻璃化固定”（vitrifixation），主要依靠使用一種名為戊二醛的速效固定劑（常被用作消毒劑）與其他化學物質(zhì)結(jié)合，使大腦進入玻璃化物理狀態(tài)。

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　　在未來主義者看來，玻璃化固定過程意味著一場革命，因為即使在零下135攝氏度的低溫下，連接組也被認為是完好無損的。在如此低溫下，所有的新陳代謝、生物過程都會停止，從而使“無限保存”——至少可以持續(xù)幾百年甚至數(shù)千年——成為可能，而且沒有腐爛的跡象。假設(shè)有關(guān)連接組自我和記憶作用的相關(guān)邏輯是正確的，玻璃化固定過程在本質(zhì)上可以使你以假死的形式無限期地保存下去。

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　　長期以來，羅伯特·麥金泰爾一直認為，不僅保存大腦的物理結(jié)構(gòu)意義重大，保存這些結(jié)構(gòu)中的記憶本身也有著巨大的價值。畢竟，人類的進步依賴于信息在時間上的傳遞，而這往往需要通過跨越性的創(chuàng)新。第一次這樣的創(chuàng)新是口頭語言的建立，第二次則是書面語言，后者可以更準確地保存信息，并持續(xù)更長的時間。麥金泰爾說：“你能想象回到文字出現(xiàn)之前的時代，對某個人說，有一天人們會把所說的話都刻在可以保存億萬年的石頭上，等著遙遠未來的人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)嗎？他們不會相信你的?！?/p>

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　　記憶和思維能否永久保存？

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　　麥金泰爾最初受到的啟發(fā)來自于利用神經(jīng)科學從大腦中提取記憶的前景，因為大腦中包含的關(guān)于經(jīng)歷和事件的信息遠多于當前其他任何保存形式，如文字、音頻甚至視頻。他開始思考能否以某種方式從大腦中提取記憶——本質(zhì)上是一種“活著的記憶”，是實際在現(xiàn)場感受到的第一手信息。我們每個人都會經(jīng)歷不同的歷史階段，但這些歷史在大腦中留下的印記，要比教科書所提供的信息豐富得多。

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　　在麥金泰爾還是學生的時候，他參觀了一個神經(jīng)科學實驗室，那里的研究人員認為他的想法很古怪，不可能實現(xiàn)。后來，他決定通過計算，即借助人工智能來解決這個問題。在完成了麻省理工學院的課程之后，他在2014年和父親去了一間荒野中的小木屋居住，并在那里完成了博士學位論文。父子倆的一次散步改變了麥金泰爾的生活。他的父親一邊拿著手槍以防響尾蛇襲擊，一邊問他，除了人工智能以外，還有什么能直接挽救記憶的方法？他們得出的結(jié)論是，最好的方法是在未來出現(xiàn)目前根本想象不到的技術(shù)，能夠?qū)⑦@些記憶的基礎(chǔ)，即連接組本身保存下來。

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　　如果連接組擁有可以重新體驗的記憶，那它們就具有獨一無二的重要性。以那些因戰(zhàn)爭事件而改變?nèi)松氖勘鵀槔麄兯@得的智慧是非常寶貴的。這與教科書或個人回憶錄中關(guān)于世界大戰(zhàn)的描述完全不同，因為這些信息形式并不能直接承載親身經(jīng)歷戰(zhàn)爭的鮮活記憶，也無法展現(xiàn)其中的細節(jié)。麥金泰爾認為，這是一種深刻的智慧，可以豐富人類的知識、遠見和判斷，使其不致走上不可持續(xù)的、終結(jié)人類物種的道路。

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　　現(xiàn)在，玻璃化固定方法得到了BPF科學家的認可，我們終于有了一種有可能永久保存連接組記憶的技術(shù)。不幸的是，在玻璃化固定過程中，向血管系統(tǒng)灌注的固定劑會直接導致死亡。換句話說，你需要殺死記憶的創(chuàng)造者才能使其記憶永久保存下來。

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　　如果你還是決定完成這一過程，那么首先，你會被全身麻醉。然后，你的胸腔將被打開，動脈將連接到一個灌注裝置上。在放血之后，戊二醛將被泵入你的體內(nèi)，隨后擴散至大腦的毛細血管，所有的新陳代謝活動都將停止，你也將立即死亡；與此同時，構(gòu)成大腦的蛋白質(zhì)都將連接成一個穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。之后，你的大腦會被灌注防凍劑以防止損傷，然后被提取出來，在低溫下無限期地保存。

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　　相比記憶喪失，保存這些記憶似乎更加可怕，因為會直接導致死亡。然而，玻璃化固定雖然是致命的，但也提供了某種永生的方式。如果一個人的本質(zhì)是由所有相關(guān)信息構(gòu)成的，那就可以被掃描出來，然后以某種方式轉(zhuǎn)移至人工媒介；從功能的角度來看，這個媒介在本質(zhì)上就與大腦無異。最重要的是，這種媒介在“運行”時，必須準確和充分地執(zhí)行支撐一個人記憶、身份和經(jīng)驗的神經(jīng)活動模式，以喚起他們獨一無二的意識。

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　　研究者將這一目標稱為“全腦模擬”（whole-brain emulation）。畢竟，為什么大腦只能由生物材料組成呢？如果思維可以在一個由連接組成的網(wǎng)絡(luò)上運行，那它們也可以是“基質(zhì)獨立”的，即所有重要的思維信息都包含在這些連接結(jié)構(gòu)和操作當中，而不是任何給定的基質(zhì)本身。

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　　盡管相關(guān)的研究還處于起步階段，但科學家已經(jīng)取得了一些重大的成就。許多方法都預見了模擬涉及數(shù)字信息空間的大腦活動的計算介質(zhì)。目前，腦機接口技術(shù)已經(jīng)使通過思維控制假肢成為可能。實際的神經(jīng)修復技術(shù)甚至可以直接取代腦細胞。這是最真實意義上的大腦模擬形式。更重要的是，像Neuralink、Kernel、Building 8和DARPA等高科技公司和機構(gòu)都在投入數(shù)百萬美元的資金，試圖在思維、大腦和計算機之間建立更深入的連接，這也增加了這種全腦模擬的可能性。

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　　如何精確地模擬像大腦這樣復雜的東西呢？

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　　目前有兩種方法最受關(guān)注。第一種方法是對連接組及其活動進行數(shù)字模擬——可能是在分子尺度上——然后將其釋放到網(wǎng)絡(luò)空間。這也是目前最流行的思路。這是一個宏大的模擬計劃，其完整性和準確性如此之高，以至于能對一個人的身份、記憶、意識、思想和感覺等自然屬性進行模擬；而這種模擬的方式，就像我們能夠理解主觀體驗是大腦的自然屬性一樣。許多人都或多或少地描述過這種模擬方法的前景，在這個未來中，我們可能會生活在一個虛擬的模擬世界里，你的思維將與其他被模擬的思維融為一體。

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　　第二種方法是將模擬大腦移植到一個假體中，打造出終極的半機械人——你的身體每一部分都是人工合成的。在這種情況下，你的思維可以憑借一個完全人造的身體存在于現(xiàn)實世界中。

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　　然而，就生存問題的本質(zhì)而言，無論是模擬的連接組還是半機械人，可能都不會比毫無生氣的玻璃化大腦更進一步。在這兩種場景下，即使“新的你”是一個完整的、有意識的模擬個體，而且擁有和你一樣的記憶、身份、感覺和主觀自我，但在很大程度上，它仍然不能等同于你。

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　　它或許應(yīng)該稱為你的“分身”（doppelg?nger），一個在所有方面都一模一樣的復制品。畢竟，對于這樣一個“新的你”，創(chuàng)造出多個同樣的實體應(yīng)該是可能的；那么，其中哪一個實體是你呢？所有都是嗎？從這個角度來看，記憶、身份和主觀意識體驗就像一首歌曲，可以在任何樂器上演奏，只要它能產(chǎn)生“神經(jīng)音符”。

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　　另外，對我們個人而言，身份和生存的定義應(yīng)該是連續(xù)的屬性，而不是一個二元的、是或否的選項。當你變老時，你本質(zhì)上只和出生時部分相同，但在這個轉(zhuǎn)變過程中，并沒有年輕的你死去而年老的你突然被創(chuàng)造出來的時刻。一個必須回答的本質(zhì)問題是，我們是否注定要以目前構(gòu)成自己身體的分子的形式存在？在深入探索意識和連接組的同時，我們對它們的思考也可能會迎來巨大的跨越。盡管目前有許多人爭論“復活”的可能性，但當未來真的實現(xiàn)這一目標時，人類的知識、文化和技術(shù)很可能會改變其采取的形式。

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　　在這個問題上，麥金泰爾只是簡單地說道：“如果大腦能做到這一點（比如心臟驟停的人在臨床死亡后復活），我們就能做到，而且我們會弄清楚怎么做。”他也用DNA的發(fā)現(xiàn)做了類比，“當它在70年前被發(fā)現(xiàn)時，沒有人真正知道該怎么利用它，而現(xiàn)在……這的確不會很快發(fā)生。但人類最終將成功地理解大腦，并開發(fā)出所需的掃描和模擬技術(shù)……人類最終將搞清楚這一切?！?/p>

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　　一項新技術(shù)的前景有多遠大，其背負的責任就有多重大。玻璃化固定技術(shù)或許能讓人類逃脫死亡，但同時也帶來了許多尚未回答的倫理問題。例如，參與這一過程的機會是平等的嗎？還是只有那些負擔得起的人才能參與？如何保護一個人的記憶不被篡改、破壞或盜竊？誰會擁有這些記憶所有權(quán)？在什么情況下可以訪問虛擬連接組中的記憶？由誰訪問？

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　　不過，有一個問題似乎不那么令人擔憂：一旦玻璃化固定技術(shù)最終實現(xiàn)，它就有可能成為絕癥患者的一種選擇。因此，麥金泰爾和麻省理工學院的前室友邁克爾·麥坎納在贏得10萬美元獎金后，創(chuàng)立了一家頗具爭議的風險投資初創(chuàng)公司——Nectome。該公司網(wǎng)站上的介紹稱，其主要目標是保存并從本質(zhì)上存檔人類記憶。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”。這筆聯(lián)邦撥款還明確提到了“提供大腦保存商業(yè)機會”的可能性。

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　　目前Nectome已經(jīng)擁有了至少30名支持者，每個人都捐了1萬美元。玻璃化固定過程實際上從未在活人身上進行過，但在美國的5個州，根據(jù)現(xiàn)行的醫(yī)生協(xié)助絕癥患者自殺法律，這在技術(shù)上是合法的。事實上，Nectome唯一一次人體玻璃化固定手術(shù)是在一位老年女性的大腦上進行的，她的遺體由遺體捐贈公司Aeternitas Life捐贈給麥金泰爾。這場手術(shù)是在這位女士死后僅2.5小時進行的，由此獲得了目前保存最完好的大腦之一。

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　　Nectome公司遭遇到了一些嚴重的爭議，這也不足為奇。在各大媒體的報道中，該公司所獲得的捐款被錯誤地理解為用于自殺手術(shù)的“存款”，麥金泰爾對此予以了斷然否認。他說：“這些捐款者希望成為早期的支持者。我們不提供任何大腦保存服務(wù)。”不過，作為對輿論的回應(yīng)，麻省理工學院于2018年終止了與該公司正在進行的神經(jīng)科學合作。

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　　一個無法忽視的事實是，任何希望成為Nectome客戶的人可能都要面臨徒勞的等待?！白晕铱梢栽谶B接組中被發(fā)現(xiàn)”的說法距離證實還有很長的路要走，而且可能永遠也不會有任何方法來確定意識能否存在于機器中。因此，用較大的經(jīng)濟代價進行玻璃化固定無異于自殺。

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　　在無法保證大腦能正常工作的情況下，人們不應(yīng)該沖動地選擇保存大腦，這只是想進一步研究這一科學領(lǐng)域。顯然，這可能不會起作用，但也有一些人正在走向死亡。玻璃固定術(shù)已經(jīng)被證明可以準確、可靠地保存現(xiàn)代神經(jīng)科學所說的編碼意識的結(jié)構(gòu)和分子。因此，如果晚期患者愿意的話，他們可能想要抓住這樣的機會。

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　　當然，無論如何，有一種觀點是一致的：連接組有潛力以某種未知但意義深遠的方式影響人類的未來。


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