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由無數神經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)現了一幅描繪猛犸象的洞穴畫。這幅畫有一個醒目的內部特征：一顆巨大的紅心。這件藝術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。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，我們就需要了解它的復雜形式，即大腦在神經元之間連接的層次上所具有的復雜結構。畢竟，對生物結構的了解已經揭示了許多不同生命形式的本質。

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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化為至關重要的化學能。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)境的光轉換成神經系統(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，當涉及到結構與功能之間的關系時，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。許多器官現在都可以通過手術進行替換，而就算大腦移植在技術上是可能的，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，一個人的大腦結構很大程度上是由在子宮里的經歷，以及他們獨特的遺傳密碼決定的。隨著年齡的增長，經驗會繼續(xù)在大腦的神經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驗，同時不斷積累新的路徑。此外，現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，其本質自我變得越來越獨一無二。

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　　從本質上，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，經歷了數小時臨床死亡（心臟和大腦均無活動）的低體溫癥患者在經過治療之后，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。某些結構，如杏仁核和海馬體，起著關鍵作用，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構的獨特性當中；這種連接結構即所謂的連接組（connectome）。連接組由其完整的神經元網絡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關系的關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。據估計，僅1立方毫米的腦組織就包含大約5萬個神經元，而更令人瞠目結舌的是，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860億個神經元，幾乎相當于銀河系中恒星的估計數量。

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　　而意義最重要的一個數字則是大腦中突觸連接的總數：100萬億。如此巨大的數量級別簡直令人頭腦發(fā)麻。只有確定了神經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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　　通過構建人類大腦的連接組來回答神經元和行為之間的一些基本問題可能還有很長的路要走?？梢杂萌祟愡B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。繪制出連接組數據本身所記錄的未知思維領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)現領域。

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　　事實上，來自其他物種的連接組簡單模型已經推動了科學的發(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元如何連接不同的解剖區(qū)域。神經科學研究機構與谷歌公司的科學家合作進行了一項研究，在單個神經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，連接組內部看似遙遠的大腦區(qū)域之間的神經信號的同步和協(xié)調，為執(zhí)行和記憶有序的事件序列提供了基礎。例如，當幼鳥學習如何鳴叫時，它們通過不同的神經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，這些神經元又激活了肌肉運動序列，從而產生相同的聲音模式。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，并在進行結構分析之前盡可能多地切片，以便尋找單個神經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元，以及刺激或抑制其他神經元的連接中估算出電活動的模式。更關鍵的是，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的結構損傷會在短短五分鐘內開始。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構，我們需要一種能讓每一個神經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，其意義將極其深遠。如果我們本質上就是由連接組結構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……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的有效性，他說：“這一獎項旨在激勵人體冷凍技術提供者‘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。這一過程在技術上被稱為“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）與其他化學物質結合，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)幾百年甚至數千年——成為可能，而且沒有腐爛的跡象。假設有關連接組自我和記憶作用的相關邏輯是正確的，玻璃化固定過程在本質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構意義重大，保存這些結構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去發(fā)現嗎？他們不會相信你的。”

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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)來自于利用神經科學從大腦中提取記憶的前景，因為大腦中包含的關于經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——本質上是一種“活著的記憶”，是實際在現場感受到的第一手信息。我們每個人都會經歷不同的歷史階段，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。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？他們得出的結論是，最好的方法是在未來出現目前根本想象不到的技術，能夠將這些記憶的基礎，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)爭事件而改變人生的士兵為例，他們所獲得的智慧是非常寶貴的。這與教科書或個人回憶錄中關于世界大戰(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歷戰(zhàn)爭的鮮活記憶，也無法展現其中的細節(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、終結人類物種的道路。

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　　現在，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。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，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，構成大腦的蛋白質都將連接成一個穩(wěn)定的網狀結構。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。如果一個人的本質是由所有相關信息構成的，那就可以被掃描出來，然后以某種方式轉移至人工媒介；從功能的角度來看，這個媒介在本質上就與大腦無異。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、身份和經驗的神經活動模式，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絡上運行，那它們也可以是“基質獨立”的，即所有重要的思維信息都包含在這些連接結構和操作當中，而不是任何給定的基質本身。

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　　盡管相關的研究還處于起步階段，但科學家已經取得了一些重大的成就。許多方法都預見了模擬涉及數字信息空間的大腦活動的計算介質。目前，腦機接口技術已經使通過思維控制假肢成為可能。實際的神經修復技術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都在投入數百萬美元的資金，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注。第一種方法是對連接組及其活動進行數字模擬——可能是在分子尺度上——然后將其釋放到網絡空間。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實世界中。

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　　然而，就生存問題的本質而言，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，只要它能產生“神經音符”。

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　　另外，對我們個人而言，身份和生存的定義應該是連續(xù)的屬性，而不是一個二元的、是或否的選項。當你變老時，你本質上只和出生時部分相同，但在這個轉變過程中，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問題是，我們是否注定要以目前構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，但當未來真的實現這一目標時，人類的知識、文化和技術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?！彼灿肈NA的發(fā)現做了類比，“當它在70年前被發(fā)現時，沒有人真正知道該怎么利用它，而現在……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……人類最終將搞清楚這一切?！?/p>

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　　一項新技術的前景有多遠大，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？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最終實現，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。該公司網站上的介紹稱，其主要目標是保存并從本質上存檔人類記憶。到目前為止，Nectome已經籌集了超過100萬美元的資金，并從美國國家心理健康研究所獲得了96萬美元的聯邦撥款，用于“全腦納米級保存和成像”。這筆聯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，根據現行的醫(yī)生協(xié)助絕癥患者自殺法律，這在技術上是合法的。事實上，Nectome唯一一次人體玻璃化固定手術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?！辈贿^，作為對輿論的回應，麻省理工學院于2018年終止了與該公司正在進行的神經科學合作。

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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”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，人們不應該沖動地選擇保存大腦，這只是想進一步研究這一科學領域。顯然，這可能不會起作用，但也有一些人正在走向死亡。玻璃固定術已經被證明可以準確、可靠地保存現代神經科學所說的編碼意識的結構和分子。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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