17位学者发表评论文章,讨论实验室脑组织培养带来的伦理难题

原文以The ethics of experimenting with human brain tissue为标题

发布在2018年4月25日的《自然》评论上

原文作者：Nita A. Farahany, Henry T. Greely, Steven Hyman等17位作者是分别来自杜克大学、斯坦福大学、哈佛大学等诸多高校的教授和科学家。

为了研究帕金森病和精神分裂症等疾病，研究人员正在利用干细胞培养小型简化版的人脑组织——脑类器官。另有一些研究人员已经将人脑细胞移植至小鼠身上，还有一些人在研究手术时从患者身上移除的脑组织。这类模型可能具有无穷的价值，“但是脑类器官离功能性人脑越近，伦理问题就越严重。”Farahany等人如此表示。

作者们提出了一些他们认为研究人员、资助机构、审查委员会和公众应该加以讨论的问题，以便为这类研究提供指引。这些问题包括研究人员是否有可能评估脑替代品的知觉功能以及人类对于生死的理解可能将受到的挑战。

作者总结说：“为了确保这类研究可以在长期范围内取得成功，并为社会所接受，现在必须制定一个伦理框架。”他们还指出，人脑实验模型或有助于解开长期以来令人难以理解的精神疾病和神经疾病谜题。

妮塔·A·法拉赫、亨利·T·格里利和另外15名同事表示，当人脑模型越来越接近能复制人脑的功能时，伦理难题会随之而来。

如果研究人员能够在实验室中创造出可能具有意识经验或主观思想状态的脑组织，那么这些脑组织是否应该受到人类或动物研究对象所能受到的常规保护呢?

利用人体干细胞作为起始原料，在培养皿中培养出简化的3D人脑类器官。

Credit: Genome Institute of Singapore, A*STAR

这个问题可能看起来太过古怪。当然，今天的实验大脑模型远不具有这样的能力。但是现在研究人员正在开发各种各样的大脑模型来更好地了解人类的大脑，包括利用干细胞培养微型简化版的大脑组织——人脑类器官（brain organoids ）。这方面的研究在不断进步。

这些模型可以比动物模型更精确地表现正常和异常的人类大脑功能和发育（尽管动物模型仍旧可以用于许多其他目的）。现在，一方面神经和精神疾病给人类带来了巨大痛苦，而依据动物模型开发出来的大多数治疗方法都不能在人身上发挥作用，另一方面人类大脑替代物对这个领域来说希望极大，有鉴于此，完全放弃这方面的研究本身看上去似乎就有违伦理。然而，当大脑替代物越接近一个功能正常的人类大脑，这些研究就会变得越有伦理问题。

现在有必要为这类研究制定明确的指导方针，不过它们可以根据新的科学发现进行调整。这是许多神经科学家、干细胞生物学家、伦理学家和哲学家——包括我们在内——得出的一个结论，我们在过去的一年里研究了人脑类器官（brain organoids）和相关神经科学工具所引发的伦理困境。2017年5月，在美国国立卫生研究院（NIH）脑计划（BRAIN INITIATIVE）的有限支持下，一场研讨会在杜克大学的科学与社会倡议组织（Duke Initiative for Science & Society）内如期举行。而上个月，在美国又举行了一次类似的会议，来讨论相关议题。

在这里，我们列出了一些我们认为研究人员、资助者、审查委员会和公众应该讨论的问题，作为指导大脑替代物研究的第一步。

安全的替代物

有三种类型的大脑替代物可以让研究人员研究活人大脑的工作方式，它们可以避免手术的潜在风险——如果还不把它们视为有违伦理。

人脑类器官。和其他模仿眼睛、肠道、肝脏、肾脏和其他人体组织的三维多细胞结构一样，人脑类器官可以通过类似的方法生产出来。通过添加适当的信号因子，多能干细胞聚合体可以分化和自组织成类似某些人类脑区的结构。

研究人员会使用不同的方法生产人脑类器官。他们可能诱导多能干细胞转化为特定的神经细胞群，例如特定脑区独有的神经细胞群。或者，他们也可能让多能细胞自行分化，在这种情况下，它们既可能分化成神经细胞，也可能分化成其他类型的细胞。类似特定脑区的人脑类器官甚至可以被组合成“大脑组装器官”，使研究人员能够研究不同脑区之间的神经回路和细胞相互作用是如何形成的。

与培养皿中神经细胞的2D薄片相比，3D结构的寿命更长（约为两年），并且可以含有更多不同类型的细胞。它们还能模仿一些大脑发育的关键特征。例如，在胎儿发育的后期，大脑皮层从生成神经元逐渐转向生成胶质细胞（大脑中滋养、围绕和保护神经元的各种其他细胞类型）。研究人员可以在人脑类器官中观察到这一过程，否则如果要利用正在发育的真正人脑，在实验难度和伦理上都极具挑战性——如果算不上在伦理上绝对无法接受的话。

研究人员已经在利用人脑类器官来调查自闭症谱系障碍或是精神分裂症患者的神经发育异常，并研究在出生之前就感染寨卡病毒的部分婴儿出现的小头畸形。人脑类器官也有其局限性。它们缺乏某些细胞类型，如小神经胶质细胞和形成血管的细胞。今天，最大的人脑类器官直径大约4毫米，只含有200万到300万个细胞，而成年人的大脑的体积约有1,350立方厘米，由860亿个神经元和数量相当的非神经元细胞组成。此外，到目前为止，人脑类器官只能接收到形态最原始的感觉信号输入，而来自其他脑区的神经连接较为有限。

考虑到这些限制因素，人脑类器官在某种程度上变得有意识，或者获得其他更高级的认知能力（比如感到痛苦的能力）的可能性似乎极小。但是，人脑类器官正在变得越来越复杂。事实上，本文作者之一（Paola Arlotta）在用光照射到人脑类器官上视网膜细胞与脑细胞一起形成的一个区域后，记录到了来自人脑类器官的神经活动。这说明外部刺激可以让人脑类器官产生反应。

体外脑组织。另一种类型的模型包括在某些手术过程（例如癫痫手术）中被切除的脑组织切片。

一个研究人员在解剖人类脑组织切片。

Credit: Darragh Mason Field/Barcroft Images/Getty

一个多世纪以来，研究人员一直在研究从接受手术的病人或已经死亡的病人身上提取的组织中的脑细胞。而技术的进步，包括成像技术和用于保存实验室中脑组织功能特性的技术，可以使这种方法变得更加强大。

当大脑新皮层和海马区的组织被切除以治疗一些疾病（比如癫痫或癌症）时，取出的组织大小通常和一块方糖差不多，大约1 - 4立方厘米，不过有时也会比这大很多。它通常会被切成薄片，这些薄片的功能特性可以保存数周之久。

研究人员可以利用这些切片，测量完整的大脑神经回路中神经元的突触和其他组成成分；绘制脑回路三维形态图；提取和分析细胞RNA，以探索基因表达。他们还可以利用光遗传学技术来操纵特定神经元的激活，这可以使他们更详细地分析人脑神经回路的功能特性。（光遗传学利用光来追踪或选择性地激活一些神经元，这些神经元已经经过基因改造，能够表达一种光敏蛋白质。）

目前，体外脑组织没有感觉信号输入。由于体外脑组织的外向连接被切断，这些孤立的组织无法与大脑的其他区域交流，也无法输出运动信号。因此，体外脑组织出现意识或其他更高级感知能力的可能性看起来极小。

人兽嵌合体。第三类实验大脑模型涉及到人类细胞的移植，这些细胞是在试管内由多能干细胞体发育而来，随后被移植进入其他动物的大脑，比如啮齿类动物。这个过程可以在动物胚胎发育时，也可在动物出生后完成。这样的嵌合体能够提供一个从生理上而言更自然的环境，让人类细胞在其中成熟。

举例而言，神经科学家已经将人类的神经胶质细胞移植到小鼠身上，并发现移植后的小鼠在某些涉及学习的任务中表现得更好了。研究人员还曾将人类干细胞注入到猪的早期胚胎中，然后将这些胚胎移植到代孕母猪体内，在那里它们一直发育到妊娠早期。这其中有超过150个胚胎发育成了嵌合体；在这些胚胎内，心脏和肝脏的前体细胞中大约有万分之一是人类细胞。

原则上，嵌合体可以帮助研究人员更好地了解人类疾病和药物治疗的效果。比如一些实验室为了研究帕金森病而培育了人-鼠嵌合体。

一些研究甚至已经成功地将人脑类器官移植到啮齿类动物中，在动物体内脑类器官得到了血管的支持（血管化）。给人脑类器官供血是使其体积成长至超过目前可达最大体积的关键一步。但是啮齿类动物模型的大小限制了人脑类器官在其体内生长的程度。

源于干细胞的3D人类大脑组装体。

Credit: Pasca Lab/Stanford University

需要考虑的问题

目前，如果不在活人身上开展人体组织研究，那么只有获取、存储、分享和识别组织的过程才会受到具体规定和指导方针的限制，这些规定限制了人们对人体组织所能实施的干预的程度。随着脑替代物变得更大且更复杂，它们拥有类似人类知觉的能力的可能性会变得没有那么微小。这种能力包括能够感觉到（某种程度上）的快乐、疼痛或痛苦；能够存储和检索记忆；或者甚至有一些对主体的感知乃至自我认知。

既然如此，利用从活人或尸体身上移除的脑组织开展研究，是否能够提供关于此人记忆的信息？那些不是“生物学意义上的人类”的生物组织是否应具有一定程度的等同准人类乃至人类的伦理地位？

鉴于这种可能性的存在，我们在这里列出了一些我们认为公民社会、研究者、伦理学家、研究资助者和评审人应该加以考虑的问题。

测量指标。是否有可能评估一个大脑替代物的知觉能力？研究人员应该测量什么？如果能开发出适当的指标，研究人员应当如何判断大脑替代物的哪些能力在伦理层面上是令人担忧的呢？

神经科学家在识别和意识相关的神经活动方面已经取得了相当大的进展。然而，在一个活的成人体内检测到的有意识或者无意识的信号——比如使用脑电图（EEG）电极获得的信号——并不一定在婴儿、动物或实验大脑替代物中也成立。如果我们不能更进一步了解意识是什么，以及它需要哪些基础才能产生，就很难知道我们应当在一个实验大脑模型中寻找什么信号。

至于人兽嵌合体，研究人员本就已经在与具有某种意识的生命体打交道。因此，我们面临的一个更紧迫的问题是确定以何为基础来采取保护措施，既是来保护人类研究对象，也是来保护动物研究对象。一种可能性是研究人员使用麻醉药或其他方法来维持类似于昏迷的大脑状态。又或许特定大脑功能或预先设定的大脑活动水平，能表明嵌合体缺乏对应的能力，从而证明研究的伦理合理性。

人与动物界限模糊。通过向小鼠胚胎注射大鼠多能干细胞，研究人员已经培育出了长有大鼠胰腺的小鼠。利用同样的方法，或许有一天也能使人体器官在其他动物体内生长。

我们如何定义这类研究的边界？这样的边界对血管化脑类器官，或是在动物体内培育神经组织可能产生什么影响？举例而言，是否在猪的体内培育人类心脏就可以接受，但通过人类细胞培育大脑就不行？

我们认为在决定哪些类型的嵌合体可被允许，或者判断在动物身上培养的某些人体器官是否会使动物“太像人类”时，应该具体情况具体分析——风险、收益和人们多种多样的敏感性都应当被考虑在内。

死亡。体外的人类大脑模型是否会挑战我们对生与死的理解？这样的替代物会给对死亡的法律定义带来什么影响？而对于与这一定义相关的决定，比如器官捐赠，这又会有什么影响?

20世纪50年代气道正压通气的出现和20世纪60年代心肺复苏（CPR）的出现带来了脑死亡的概念。从20世纪60年代开始，一个大脑完全不可逆地停止运转的人，即使还有心跳，也可能被宣告死亡。

任何可能恢复大脑已丧失功能的新兴技术都有可能导致脑死亡这一诊断的失效，因为大脑功能的停止可能不再是永久性的和不可逆转的。但是这里需要做一个重要说明：只能恢复一些神经元或部分有限种类的脑活动的技术，并不会恢复大脑的临床功能，因此不会引起这种担忧。

知情同意权。对于使用人类脑细胞或脑组织，或是使用通过诱导多能干细胞培育的脑替代物的研究来说，获得知情同意的通用标准流程是否就足够了?

目前，使用多能干细胞或脑组织的研究人员通常会向捐赠者大致公开他们的计划。考虑到人们往往将他们的经验和自我意识与他们的大脑联系在一起，研究人员有必要在这方面提供更多的透明度和保障。比如说，捐赠者们可能会拒绝使用自己的干细胞来培育人兽嵌合体。

这种有针对性的获取知情同意的方法已经应用在其他情况下了。比如，当接受体外受精治疗的人选择捐献多余的胚胎用于研究时，他们会得到研究人员的保证，保证这些胚胎不会被用来制造婴儿。

监管工作。我们是否有必要担心大脑替代物或嵌合体的福利，比如是否有必要给每一个大脑替代物分配一个有点儿类似于监护人或决策者的人——非参与研究的研究人员？这样的安排类似于在美国的儿童监护权纠纷中，为儿童指定一名监护人（父母之外可以代表孩子利益的一个人）。

所有权。谁应该“拥有”体外脑组织、人脑类器官或是嵌合体？真的有人应该有这个权力吗？

目前，脑组织样本由收集组织或从事科学研究的研究人员或组织拥有。如果有一天，这一领域的重大进展使我们认为这些大脑替代物的伦理地位比我们目前所给予的要更高的话，是否有必要给它们更大的特权和保护呢?

研究后处理。在实验结束后，我们应当如何处理或是安置人类的脑组织？

目前在研究结束后，人脑类器官或是体外脑组织会按照处理所有人体组织的标准流程被销毁。但是，如果研究人员培育出了一些具有高级认知能力的小鼠，那么在研究结束后，这些动物应该被销毁还是给予特殊待遇？已经有一些动物，比如说黑猩猩，在研究人员在实验室里完成了研究工作之后，就会被放入保护区度过余生。

数据。对于脑组织的数据共享、协作和遗留使用，是否应当有特殊要求？我们需要考虑一下分享从这些组织中所获取的数据的独特收益和风险。

体外的人脑组织可以暴露一些敏感信息，比如一个人的记忆，或是其疾病状况。同样的，因为获得人脑组织十分困难，共享这类信息可能能带来更多的价值。在某些情况下，可能需要剔除掉这些数据的某些特征，或限制其共享的范围。

长期以来，遗传学家在测量人类基因组信息时一直面临着类似的问题；他们的一些方法或可以被应用于大脑研究。

解决伦理问题

为了解决神经科学进展所带来的伦理问题，人们已经在做出各种努力。2013年，当“脑计划”对外公布时，美国生物伦理问题研究总统咨询委员会（the Presidential Commission for the Study of Bioethical Issues）肩负起了评估其伦理问题的任务，并发表了一份两卷的报告。欧洲委员会的人类大脑计划（The European Commission’s Human Brain Project ）有一个重要的伦理部门，而美国国立卫生研究院（NIH）的脑计划（BRAIN Initiative）也有一个神经伦理部门。

但我们认为还有很多事情要做。现有的机构伦理审查委员会或是干细胞研究监管机构可能还没有准备好解决这些实验性脑模型所特有的问题，因为这些问题都是全新的。我们建议这些组织邀请本领域的专家加入他们的委员会或是担任顾问。此外，也应当组建专门负责监管人类大脑替代物使用情况的新委员会。

至于更广泛的社会沟通，可以运用各种已经存在的进行民主审议的模式。一个例子是，公众、科学家、监管机构和生物伦理学家顺利地进行探讨协商后，促使英国政府在2015年决定允许临床使用线粒体DNA转移技术。

随着这些对话的展开，生物医学研究的主要资助者应该努力提供引导，并最终形成书面指导准则。此外，开发和使用人类大脑替代物的研究人员也应该自行寻求伦理指导，这些指导可以来自他们的资助人、审查委员会或是研究机构等。作为评审人，他们也应该在自己的论文或会议上分享他们在这方面的经验和担忧。

我们不认为我们应该因为这些难题而停止这方面的研究。人脑的实验模型可以帮助我们解开长期以来一直难以捉摸的精神病学和神经系统疾病方面的谜团。但是从长远来看，为了确保这方面的研究能够成功且被社会接受，在大脑替代物研究仍处在初期阶段的当下，我们必须建立起一个伦理框架。

（转化医学网360zhyx.com）