目前最具体的意识上传路线就在这里

前言:本文是PingWest品玩特约作者啸语所著《意识上传不是科幻》、《渐近永生:两种意识上传的技术实现手段》的续作,由啸语独家翻译 / 编辑:光谱


本文作者为大脑保存基金会的创始主席以及霍华德·休斯医学研究所的资深科学家 Ken Hayworth 博士在GF2045大会上的演讲(原文链接)

格莱美得奖艺术家 MUSE 新专辑《The 2nd Law》的封面,由人脑连接组计划提供


这个演讲我会单刀直入。我在制定到本世纪中叶上传人类大脑到计算机的计划。显然在这么短的讲话中讲清这个问题不容易,所以我将引用大量文献方便大家参考。

我想先引用我去年的一篇更详细的文章,标题是《用于全脑神经图谱绘制的电子成像技术》,可以在我的网站brainpreservation.org看到。

人类意识模型

如今神经信号驱动的习得模式识别回路可以解释简单动物行为,但是人类的智慧呢?其实认知科学为我们提供了一个简单而优雅的答案。灵长类动物大脑已经开发出了由基底核的模式识别回路来训练和刺激运动皮层神经活动的方法,不是由运动皮层神经活动,而是由内部路径选择操作来切换皮质缓冲区的神经信号。这就是ACT-R认知架构的核心理论。ACT-R 是目前最先进的人类意识模型。几百个实验室在利用这个模型,来对从简单的刺激响应到自然语言理解,再到解决数学问题的所有工作进行建模。这个 ACT-R 模型解释了,简单的基底神经节路径选择操作如何串在一起构成较长的序列,带来我们作为人类的所有复杂智慧行为。该理论的伟大之处在于可以让高级智能直接连到神经回路。事实上我最近刚发表了一篇关于 ACT-R routing 操作在大脑神经回路层次执行的文章。我向任何怀疑 ACT-R 这样的符号架构可以在生物大脑回路中应用的人推荐这篇。

那么意识,感受性,感觉和自我感觉是什么?其实认知科学领域对于这几个问题并非没有答案。从认知科学的角度,意识源于大脑创建自我模型的能力,这代表一个人的知觉,目标和决策。然后这个自我模型可以映射到 ACT-R 认知架构,随后映射到大脑神经连接组,这就非常直接了。我在我的论文中描述了更多细节。这样一个感知自我模型当然会创造一个“我”,也就是单一决策者当中,认识和感受的体验者。这就是关于意识的的标准认知科学观点,我相信它是100%正确的。如果我们接受这种对于自我意识的观点,然后我们就可以讨论意识上传计划了。如果我们否定这种对于意识的科学观点,那还不如回家,因为在我看来,真没有什么其他解释。这里是三本关于如何用大脑中的这种自我模型来解释意识的好书。

总之,我认为关于一个人的大脑连接组如何编码成这个人的记忆,技巧和身份,有一个绝对可靠的科学解释。

好吧,关于我们的身份是由人脑连接组编码的,我希望可以提供一些支持。在2013年真正激动人心的,就是最近几年用于人脑连接组绘制的技术已经出现。这将会变革我们对于大脑的理解,我刚才描述的所有关于神经回路功能的理论将在几年内,利用人脑连接组直接绘制进行严格测试。

高分辨率扫描带来的人脑连接组革命

现代人脑连接组革命可以追溯到2004年Winfried Denk 的论文,内容是扫描电子显微镜可以用于给刚切好的树脂包埋的脑组织薄片成像。随后出现了关于获取脑组织3D图像的技术爆发。两个该领域领军人物Davi Bock 和 Kevin Briggman在2012年发表了这篇论文,全面介绍了四种技术。这张论文配图介绍了四种主流的脑连接组绘制技术:连续切片透射电子显微镜,连续切块EM,自动收集带扫描电镜(automatic tape collection for SEM)和聚焦离子束扫描电镜。接下来我挨个介绍。

首先是为透射电子显微镜准备组织超薄切片。该技术可以追溯到数十年前,但是最近在切片和透射电镜成像的自动化方面取得了一些进步。大规模自动化扫描的主要障碍是放置切片的超薄塑料薄膜。这一张是该技术生成的3D体积脑组织图像,另外一张是该技术重建的视觉皮层神经回路。

我刚才提到,连续切片透射电子显微镜技术的主要局限之一是要在超薄的薄膜上放置超薄组织切片。我与同事在哈佛大学发明的 ATUM SEM 技术,在固体带上收集薄切片。这些切片比较结实,方便后续的处理和成像步骤,采用扫描型电子显微镜代替透射型电子显微镜进行成像。这一张是该技术生成的典型的3D图。

下一项是开创了大脑连接组成像技术革命的Denk发明的串联黑体扫描电子显微镜。该技术中,一个金刚石刀切片机安装在扫描电子显微镜的真空室内。刀从脑组织表面刮削薄层组织,随后电子束对刚露出的表面成像。重复该过程即可生成3D重建模型。这一张是该技术生成的典型的3D图,以及视网膜连接组部分重建。

最后是聚焦离子束扫描电镜技术。这个工作原理非常类似于串联黑体扫描电子显微镜技术,但并不是用金刚石刀剥去每一层脑组织,而是被金属离子高能光束直接汽化。这是一张3D体积图和对该技术的跟踪。值得注意的是,大脑底部这里的截面图,利用该技术成像的质量比之前的技术更好。这是因为所有其他技术的Z轴分辨率都被金刚石刀对薄皮物理切割所局限了,因此更早的技术很难获得低于30纳米的Z轴分辨率,与之相反的是,聚焦离子/电子双束显微电镜技术的Z轴分辨率很容易达到5纳米。

(小科普 聚焦离子束技术是把离子束斑聚焦到亚微米甚至纳米级尺寸,通过偏转系统实现微细束加工的新技术。与其他高能粒子束流相比,聚焦离子束具有较大的质量,经加速聚焦后能够以很高的能量和较短的波长直接把图案转移到较硬的基体材料上,还可对材料和器件进行刻蚀、沉积等微纳米加工,开辟了从大块材料上制备微纳米器件及进行微纳米加工的新途径。

它具有聚焦离子束(FIB)系统功能外,还具有扫描电子显微镜(SEM)的成像功能,且分辨率高。微纳结构加工——在微纳结构操作机械手、Omniprobe操作探针、离子束切割等的配合下,可以进行各种微纳材料的搬运、各种微纳结构形状或图案的加工。力学及电学性能测试——通过相应的附件,可以实现微纳结构材料的力学及电学性能测试。

应用领域:广泛应用于材料科学、纳米技术、生物医学、物理、化学、地质、机械加工、微电路质量检验、失效分析等领域。)

现在我们回到主要问题。我们能否想象这些技术发展到意识上传的程度?当然现在那些技术都还没能够绘制一立方毫米的大脑连接组。性能可能需要提高一百万倍,当然我们并不指望明天实现。我们讨论的是开始针对性的前瞻研究计划,将在几十年之后实现目标。我相信目前确定拥有显著长期价值的技术之一是聚焦离子/电子双束显微电镜(FIBSEM)——聚焦离子束扫描电镜技术。聚焦离子/电子双束显微电镜因为可以去除5纳米的薄片,已经在所有技术中展示出了最高的各向同性分辨率。这一点至关重要,因为在这种分辨率下,读取大脑连接组没有歧义。所有其他技术都需要金刚石刀切割或者刮去超薄切片。与此相反,聚焦离子/电子双束显微电镜使用离子束,这可以通过简单调整电压来削尖光束。

用物理刀重复去除10纳米厚的切片是几乎不可能的。刀的位置必须在物理切片过程中保证纳米级的精度。与之相比,即使是一千纳米宽的钝聚焦离子束也可以精确汽化5纳米厚的层块,我们来看看为什么是这样。这是组织块表面被聚焦离子束缓慢汽化的仿真。左边是离子束的电流密度分布。在这个例子中,光束很宽,大概1000纳米,但是你可以从仿真过程中看到,块表面每次被轻轻剥去了几纳米。这就是聚焦离子/电子双束显微电镜技术的真正优势。离子束作为软刀,其大小和位置并不受任何机械约束。在Janelia,我们最近实现了一个对于离子束位置的闭环控制。简单地监控离子束溅射组织块表面产生的电流,并且把信号反馈到控制回路来控制离子束的高度。这就构成了一个非常稳定简单的系统,可以经过几个月的无监管工作,成像和汽化几万个5纳米厚的薄片。这里有一小组利用这个闭环聚焦离子技术拍摄的照片。

这里我需要强调一下聚焦离子/电子双束显微电镜技术的缺点。离子束只能有效处理在离子束方向小于大约100微米宽的组织块。此外单台机器承担大量任务的成像效率不够高。显然解决这些局限的出路是探索能够可靠切割大块脑组织的方法。把大脑细分成块,必须做到绝对无损,并且允许各自的成像模型可以缝合在一起重建。

扫描所需要的辅助技术

我一直在努力为聚焦离子/电子双束显微电镜完善这样一个无损细分技术,并且已经取得相当的进步,也就是我现在展示的。使用一个加热的超声波金刚石刀,并且用油润滑,我现在可以对树脂包埋的大脑组织稳定切割出20微米厚的组织块,就像来自苍蝇的一样。这里有两个来自苍蝇幼虫的20微米厚度切片。为什么是20微米呢?20微米是高分辨率离子束铣的最优尺寸,同时可以在总量相同的情况下更快完成切割。并且这种切片更不容易损坏。从图中我们可以看到这个热刀切割后的光滑表面,并且可以识别出跨切口的主要匹配特征。

我通过匹配区域获得了体积聚焦离子束扫描电镜图像,这是图像拼接技术的概要。你可以看到,神经跨过了厚切的边界,这张图中间的白色水平线就是边界,显示出神经纤维已经跨过边界,成功匹配。这里有另外一对厚切片分别成像然后缝合匹配在一起的例子。这里的关键在于证明了聚焦离子束扫描电镜技术并不局限于小体积扫描。任何尺寸的脑都很容易被这样的热刀进行厚切,然后切片可以被很多聚焦离子/电子双束显微电镜平行成像。

我已经讲了很多关于脑组织的问题,但直到最近,神经学家使用的化学固定和树脂埋入流程只能准备小于一立方毫米的体积。然而,最近Shawn Mikula 研究员已经惊人地克服了这些限制,处理完整小鼠大脑进行串联黑体扫描电子显微镜扫描,表现出了很好的效果。下面是他2012年关于这项技术的论文。你可以看到他拿着一个完整的底部埋入树脂的小鼠大脑。他还在继续推进这项技术,我很高兴展示他提供给我的几张电子显微镜照片,来自他最近处理的老鼠大脑之一,显示了整个小鼠大脑几乎完美的电镜成像质量。这几张图片的革命性在于,小鼠大脑的任何细节质量都相同。看起来他已经开发出了保存整个老鼠大脑连接组的方法,并且为利用刚才介绍的技术绘制图谱进行预处理。

我认为计划已经差不多了,关于计划:如果你在1950年问冯·布朗他把人送上月球的计划是什么,他可能会简单地说“造一个很大的火箭”。当然考虑到细节和困难,他需要说更多,但是本质上送人到月球的问题也就是造一个足够带有效载荷达到轨道速度的大火箭。

当被问到本世纪中叶上传大脑的计划时,我会建议:

1. 找出化学处理、重金属液固定和树脂包裹完整人类大脑的方法。
2. 制造能够无损把大脑切割成适合FIBSEM成像的20 微米厚板的热刀厚切机器
3. 开发能够以千为单位量产的聚焦离子/电子双束显微电镜,从而可以同时给20 微米厚板成像,缩短总时间。

就像阿波罗计划,这个项目将需要大量资源,但是我认为这是一个直接的计划,并且对人类更重要——把第一个人类意识送到网络空间,并且让她安全恢复意识。

现在,让我们用现实主义结束这次演讲。在我看来,很可能需要几十亿美元和几十年才能够上传第一个人类,并且成本和难度降低到普通公民可以享受的程度还需要一段时间。我期待着几乎所有人都可以上传到一个全新的机器身体并且享受健康和无限寿命的那一天。当然我并不认为会很快实现,也不在我自己的自然寿命内。但是实现这一梦想的第一步是化学处理和树脂固定这个人的大脑;然后大脑就可以存放几十年直到上传技术成熟。虽然这个流程还没被实践证明,但是如果有足够资质的实验室向这个目标投入适当的资源,我们有充分的理由相信所需技术会很快完善。我刚才展示的Mikula的小鼠脑实验可以明确显示这个目标并不遥远。

意义是明确的:这里的每一个观众都可以首先体验意识上传,如果我们确定大脑保存流程已经成熟,就会在全世界的医院实施。这就是为什么我几年前成立了大脑保护基金会,并且这也是我们向所有开发大脑保存技术的科学家和医学研究人员发布挑战奖的原因。一旦大脑保存开始在全世界的医院提供,真正的意识上传革命就要开始。

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