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/ NetNews Usenet Archive 1992 #27 / NN_1992_27.iso / spool / sci / cryonics / 652 < prev    next >
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Text File  |  1992-11-22  |  47.4 KB  |  887 lines

  1. Newsgroups: sci.cryonics
  2. Path: sparky!uunet!decwrl!parc!merkle
  3. From: merkle@parc.xerox.com (Ralph Merkle)
  4. Subject: The Technical Feasibility of Cryonics; Part #2
  5. Message-ID: <merkle.722466887@manarken>
  6. Sender: news@parc.xerox.com
  7. Organization: Xerox PARC
  8. Date: 22 Nov 92 21:14:47 GMT
  9. Lines: 876
  10.  
  11. The Technical Feasibility of Cryonics
  12.  
  13. PART 2 of 5.
  14.  
  15. by
  16.  
  17. Ralph C. Merkle
  18. Xerox PARC
  19. 3333 Coyote Hill Road
  20. Palo Alto, CA 94304
  21. merkle@xerox.com
  22.  
  23. A shorter version of this article appeared in:
  24. Medical Hypotheses (1992)  39, pages 6-16.
  25.  
  26.  
  27. ----------------------------------------------------------
  28.  
  29. CRITERIA OF DEATH
  30.  
  31. "death \'deth\ n [ME deeth, fr. OE death; akin to ON dauthi death, 
  32. deyja to die - more at DIE]  1: a permanent cessation of all vital 
  33. functions : the end of life"
  34.           Webster's New Collegiate Dictionary
  35.  
  36. Determining when "permanent cessation of all vital functions" has 
  37. occurred is not easy.  Historically, premature declarations of death and 
  38. subsequent burial alive have been a major problem.   In the seventh 
  39. century, Celsus wrote "... Democritus, a man of well merited celebrity, 
  40. has asserted that there are in reality, no characteristics of death 
  41. sufficently certain for physicians to rely upon."[87, page 166].
  42.  
  43. Montgomery, reporting on the evacuation of the Fort Randall Cemetery, 
  44. states that nearly two percent of those exhumed were buried alive[87]. 
  45.  
  46. "Many people in the nineteenth century, alarmed by the prevalence of 
  47. premature burial, requested, as part of the last offices, that wounds or 
  48. mutilations be made to assure that they would not awaken ...  embalming 
  49. received a considerable impetus from the fear of premature burial."[87].
  50.  
  51.      New Criteria
  52.  
  53. Current criteria of "death" are sufficient to insure that spontaneous 
  54. recovery in the mortuary or later is a rare occurence.  When examined 
  55. closely, however,  such criteria are simply a codified summary of 
  56. symptoms that have proven resistant to treatment by available 
  57. techniques.  Historically, they derive from the fear that the patient 
  58. will spontaneously recover in the morgue or crypt.  There is no 
  59. underlying theoretical structure to support them, only a continued 
  60. accumulation of ad hoc procedures supported by empirical evidence.  Each 
  61. new medical advance forces a reexamination and possible change of the 
  62. existing ad hoc criteria.  The criteria used by the clinician today to 
  63. determine "death" are dramatically different from the criteria used 100 
  64. years ago, and have changed more subtly but no less surely in the last 
  65. decade[ft. 7].  It seems almost inevitable that the criteria used 200 
  66. years from now will differ dramatically from the criteria commonly 
  67. employed today.
  68.  
  69. These ever shifting criteria for "death" raise an obvious question:  is 
  70. there a definition which will not change with advances in technology?  A 
  71. definition which does have a theoretical underpinning and is not 
  72. dependent on the technology of the day?
  73.  
  74. The answer arises from the confluence and synthesis of many lines of 
  75. work, ranging from information theory, neuroscience, physics, 
  76. biochemistry and computer science to the philosophy of the mind and the 
  77. evolving criteria historically used to define death.
  78.  
  79. When someone has suffered a loss of memory or mental function, we often 
  80. say they "aren't themselves."  As the loss becomes more serious and all 
  81. higher mental functions are lost, we begin to use terms like "persistent 
  82. vegetative state."  While we will often refrain from declaring such an 
  83. individual "dead," this hesitation does not usually arise because we 
  84. view their present state as "alive" but because there is still hope of 
  85. recovery to a healthy state with memory and personality intact.  From a 
  86. physical point of view we believe there is a chance that their memories 
  87. and personalities are still present within the physical structure of the 
  88. brain, even though their behavior does not provide direct evidence for 
  89. this.  If we could reliably determine that the physical structures 
  90. encoding memory and personality had in fact been destroyed, then we we 
  91. would abandon hope and declare the person dead.
  92.  
  93.      The Information Theoretic Criterion of Death
  94.  
  95. Clearly, if we knew the coordinates of each and every atom in a person's 
  96. brain then we would (at least in principle) be in a position to 
  97. determine with absolute finality whether their memories and personality 
  98. had been destroyed in the information theoretic sense, or whether their 
  99. memories and personality were preserved but could not, for some reason, 
  100. be expressed.  If such final destruction had taken place, then there 
  101. would be little reason for hope.  If such destruction had not taken 
  102. place, then it would in principle be possible for a sufficiently 
  103. advanced technology to restore the person to a fully functional and 
  104. healthy state with their memories and personality intact.
  105.  
  106. Considerations like this lead to the information theoretic criterion of 
  107. death[ft. 8].  A person is dead according to the information theoretic 
  108. criterion if their memories, personality, hopes, dreams, etc. have been 
  109. destroyed in the information theoretic sense.  That is, if the 
  110. structures in the brain that encode memory and personality have been so 
  111. disrupted that it is no longer possible in principle to restore them to 
  112. an appropriate functional state then the person is dead.  If the 
  113. structures that encode memory and personality are sufficiently intact 
  114. that inference of the memory and personality are feasible in principle, 
  115. and therefore restoration to an appropriate functional state is likewise 
  116. feasible in principle, then the person is not dead.
  117.  
  118. A simple example from computer science is in order.  If a computer is 
  119. fully functional, then its memory and "personality" are completely 
  120. intact.  If we took an axe to the CPU, then the computer would no longer 
  121. be functional.  However, its memory and "personality" would still be 
  122. present on disk, and once we repaired the CPU we could fully restore the 
  123. computer[ft. 9].
  124.  
  125. In a similar fashion, as long as the structures that encode the memory 
  126. and personality of a human being have not been irretrievably "erased" 
  127. (to use computer jargon) then restoration to a fully functional state 
  128. with memory and personality intact is in principle feasible.  Any 
  129. technology independent definition of "death" should conclude that such a 
  130. person is not dead, for a sufficiently advanced technology could restore 
  131. the person to a healthy state.
  132.  
  133. On the flip side of the coin, if the structures encoding memory and 
  134. personality have suffered sufficient damage to obliterate them beyond 
  135. recognition, then death by the information theoretic criterion has 
  136. occurred.  An effective method of insuring such destruction is to burn 
  137. the structure and stir the ashes.  This is commonly employed to insure 
  138. the destruction of classified documents.  Under the name of "cremation" 
  139. it is also employed on human beings and is sufficient to insure that 
  140. death by the information theoretic criterion takes place.
  141.  
  142.      More Exotic Approaches
  143.  
  144. It is not obvious that the preservation of life requires the physical 
  145. repair or even the preservation of the brain[11,12].  Although the brain 
  146. is made of neurons, synapses, protoplasm, DNA and the like; most modern 
  147. philosophers of consciousness view these details as no more significant 
  148. than hair color or clothing style.   Three samples follow.
  149.  
  150. The ethicist and prolific author Robert Veatch said, in "Death, Dying, 
  151. and the Biological Revolution", "An 'artificial brain' is not possible 
  152. at present, but a walking, talking, thinking individual who had one 
  153. would certainly be considered living."[15, page 23].
  154.  
  155. The noted philosopher of consciousness Paul Churchland said, in "Matter 
  156. and Consciousness," "If machines do come to simulate all of our internal 
  157. cognitive activities, to the last computational detail, to deny them the 
  158. status of genuine persons would be nothing but a new form of 
  159. racism."[12, page 120].
  160.  
  161. Hans Moravec, renowned roboticist and Director of the Mobile Robot Lab 
  162. at Carnegie Mellon said, "Body-identity assumes that a person is defined 
  163. by the stuff of which a human body is made.  Only by maintaining 
  164. continuity of body stuff can we  preserve an individual person.  
  165. Pattern-identity, conversely, defines the essence of a person, say 
  166. myself, as the pattern and the process going on in my head and body, not 
  167. the machinery supporting that process.  If the process is preserved, I 
  168. am preserved.  The rest is mere jelly."[50, page 117].
  169.  
  170.      We'll Use the Conservative Approach
  171.  
  172. Restoration of the existing structure will be more difficult than 
  173. building an artifical brain (particularly if the restoration is down to 
  174. the molecular level). Despite this, we will examine the technically more 
  175. exacting problem of restoration because it is more generally acceptable.  
  176. Most people accept the idea that restoring the brain to a healthy state 
  177. in a healthy body is a desirable objective.  A range of increasingly 
  178. less restrictive objectives (as described) are possible.  To the extent 
  179. that more relaxed criteria are acceptable, the technical problems are 
  180. much less demanding.  By deliberately adopting such a conservative 
  181. position, we lay ourselves open to the valid criticism that the methods 
  182. described here will not prove necessary.  Simpler techniques that relax 
  183. to some degree the philosophical constraints we have imposed might well 
  184. be adopted in practice.  In this paper we will eschew the more exotic 
  185. possibilities (without, however, adopting any position on their 
  186. desirability).
  187.  
  188. Another issue is not so much philosophical as emotional.  Major surgery 
  189. is not a pretty sight.  There are few people who can watch a surgeon cut 
  190. through living tissue with equanimity.  In a heart transplant, for 
  191. example, surgeons cut open the chest of a dying patient to rip out their 
  192. dying heart, cut open a fresh cadaver to seize its still-beating heart, 
  193. and then stitch the cadaver's heart into the dying patients chest.  
  194. Despite this (which would have been condemned in the middle ages as the 
  195. blackest of black magic), we cheer the patient's return to health and 
  196. are thankful that we live in an era when medicine can save lives that 
  197. were formerly lost.
  198.  
  199. The mechanics of examining and repairing the human brain, possibly down 
  200. to the level of individual molecules, might not be the best topic for 
  201. after dinner conversation.  While the details will vary depending on the 
  202. specific method used, this could also be described by lurid language 
  203. that failed to capture the central issue:  the restoration to full 
  204. health of a human being.
  205.  
  206. A final issue that should be addressed is that of changes introduced by 
  207. the process of restoration itself.  The exact nature and extent of these 
  208. changes will vary with the specific method.  Current surgical 
  209. techniques, for example, result in substantial tissue changes.  
  210. Scarring, permanent implants, prosthetics, etc. are among the more 
  211. benign outcomes.  In general, methods based on a sophisticated ability 
  212. to rearrange atomic structure should result in minimal undesired 
  213. alterations to the tissue.
  214.  
  215. "Minimal changes" does not mean "no changes."  A modest amount of change 
  216. in molecular structure, whatever technique is used, is both unavoidable 
  217. and insignificant.  The molecular structure of the human brain is in a 
  218. constant state of change during life - molecules are synthesized, 
  219. utilized, and catabolized in a continuous cycle.  Cells continuously 
  220. undergo slight changes in morphology.  Cells also make small errors in 
  221. building their own parts.  For example, ribosomes make errors when they 
  222. build proteins.  About one amino acid in every 10,000 added to a growing 
  223. polypeptide chain by a ribosome is incorrect[14, page 383].  Changes and 
  224. errors of a similar magnitude introduced by the process of restoration 
  225. can reasonably be neglected.
  226.  
  227.  
  228.      Does the Information Theoretic Criterion Matter?
  229.  
  230. It is normally a matter of small concern whether a physician of 2190 
  231. would or would not concur with the diagnosis of "death" by a 
  232. contemporary physician applied to a specific patient in 1990.  A 
  233. physician of today who found himself in 1790 would be able to do little 
  234. for a patient whose heart had stopped, even though he knew 
  235. intellectually that an intensive care unit would likely be able to save 
  236. the patients life.  Intensive care units were simply not available in 
  237. 1790, no matter what the physician knew was possible.  So, too, with the 
  238. physician of today when informed that a physician 200 years hence could 
  239. save the life of the patient that he has just pronounced "dead."   There 
  240. is nothing he can do, for he can only apply the technologies of today - 
  241. except in the case of cryonic suspension.
  242.  
  243. In this one instance, we must ask not whether the person is dead by 
  244. today's (clearly technology dependent) criteria, but whether the person 
  245. is dead by all future criteria.  In short, we must ask whether death by 
  246. the information theoretic criterion has taken place.  If it has not, 
  247. then cryonic suspension is a reasonable (and indeed life saving) course 
  248. of action.
  249.  
  250.  
  251. Experimental Proof or Disproof of Cryonics
  252.  
  253. It is often said that "cryonics is freezing the dead."  It is more 
  254. accurate to say that "cryonics is freezing the terminally ill.  Whether 
  255. or not they are dead remains to be seen."
  256.  
  257. The scientifically correct experiment to verify that cryonics works (or 
  258. demonstrate that it does not work) is quite easy to describe:
  259.  
  260.      1.)     Select N experimental subjects.
  261.      2.)     Freeze them.
  262.      3.)     Wait 200 years.
  263.      4.)     See if the technology available 200 years from now can
  264.              (or cannot) cure them.
  265.  
  266. The drawback of this experimental protocol is obvious:  we can't get the 
  267. results for 200 years.  This problem is fundamental.  The use of future 
  268. technology is an inherent part of cryonics.
  269.  
  270. This kind of problem is not unique to cryonics.  A new AIDS treatment 
  271. might undergo clinical trials lasting a few years.  The ethical dilemma 
  272. posed by the terminally ill AIDS patient who might be assisted by the 
  273. experimental treatment is well known.  If the AIDS patient is given the 
  274. treatement prior to completion of the clinical trials, it is possible 
  275. that his situation could be made signficantly worse.  On the other hand, 
  276. to deny a potentially life saving treatment to someone who will soon die 
  277. anyway is ethically untenable.
  278.  
  279. In the case of cryonics this is not an interrim dilemma pending the 
  280. (near term) outcome of clinical trials.  It is a dilemma inherent in the 
  281. nature of the proposal.  Clinical trials, the bulwark of modern medical 
  282. practice, are useless in resolving the effectiveness of cryonics in a 
  283. timely fashion.
  284.  
  285. Further, cryonics (virtually by definition) is a procedure used only 
  286. when the patient has exhausted all other available options.  In current 
  287. practice the patient is suspended after legal death: the fear that the 
  288. treatment might prove worse than the disease is absent.  Of course, 
  289. suspension of the terminally ill patient somewhat before legal death has 
  290. significant advantages.  For example, a patient suffering from a brain 
  291. tumour might view suspension following the obliteration of his brain as 
  292. significantly less desirable than suspension prior to such obliteration, 
  293. even if the suspension occurred at a point in time when the patient was 
  294. legally "alive."
  295.  
  296. In such a case, it is inappropriate to disregard or override the 
  297. patient's own wishes.  To quote the American College of Physicians 
  298. Ethics Manual, "Each patient is a free agent entitled to full 
  299. explanation and full decision-making authority with regard to his 
  300. medical care.  John Stuart Mill expressed it as:  'Over himself, his own 
  301. body and mind, the individual is sovereign.'  The legal counterpart of 
  302. patient autonomy is self-determination.  Both principles deny legitimacy 
  303. to paternalism by stating unequivocally that, in the last analysis, the 
  304. patient determines what is right for him."  "If the [terminally ill] 
  305. patient is a mentally competent adult, he has the legal right to accept 
  306. or refuse any form of treatment, and his wishes must be recognized and 
  307. honored by his physician."[92]
  308.  
  309. If clinical trials cannot provide us with an answer, are there any other 
  310. methods of evaluating the proposal?  Can we do more than say that (a) 
  311. cryonic suspension can do no harm (in keeping with the Hippocratic 
  312. oath), and (b) it has some difficult-to-define chance of doing good?
  313.  
  314. Failure Criteria
  315.  
  316. Trying to prove something false is often the simplest method of 
  317. clarifying exactly what is required to make it true.  A consideration of 
  318. the information theoretic criterion of death makes it clear that, from a 
  319. technical point of view (ignoring various non-technical issues) there 
  320. are two and only two ways in which cryonics can fail[ft. 10].
  321.  
  322. Cryonics will fail if:
  323.  
  324. (1)     Information theoretic death occurs prior to reaching liquid 
  325.         nitrogen temperature[ft. 11].
  326.  
  327. (2)     Repair technology that is feasible in principle is never developed 
  328.         and applied in practice, even after the passage of centuries.
  329.  
  330. The first failure criterion can only be considered against the 
  331. background of current understanding of freezing damage, ischemic injury 
  332. and mechanisms of memory and synaptic plasticity.  Whether or not memory 
  333. and personality are destroyed in the information theoretic sense by 
  334. freezing and the ischemic injury that might precede it can only be 
  335. answered by considering both the physical nature of memory and the 
  336. nature of the damage to which the brain is subjected before reaching the 
  337. stability provided by storage in liquid nitrogen.  The following 
  338. sections will therefore provide brief reviews of these subjects.
  339.  
  340. The second failure criterion is considered in the later sections on 
  341. technical issues, which discuss in more detail how future technologies 
  342. might be applied to the repair of frozen tissue.
  343.  
  344. As the reader will readily appreciate, the following reviews will 
  345. consider only the most salient points that are of the greatest 
  346. importance in determining overall feasibility.  They are necessarily too 
  347. short to consider the topics in anything like full detail, but should 
  348. provide sufficient information to give the reader an overview of the 
  349. relevant issues.  References to further reading are provided 
  350. throughout[ft. 12].
  351.  
  352.  
  353. FREEZING DAMAGE
  354.  
  355. There is an extensive literature on the damage caused by both cooling 
  356. and freezing to liquid nitrogen temperatures.  Some reviews are[5, 6, 
  357. 68, 70].  Scientific American had a recent and quite accessible 
  358. article[57].  In this section, we briefly review the nature of such 
  359. damage and consider whether it is likely to cause information theoretic 
  360. death. Damage, per se, is not meaningful except to the extent that it 
  361. obscures or obliterates the nature of the original structure.
  362.  
  363. While cooling tissue to around 0 degrees C creates a number of problems, the 
  364. ability to cool mammals to this temperature or even slightly below (with 
  365. no ice formation) using current methods followed by subsequent complete 
  366. recovery[61, 62] shows that this problem can be controlled and is 
  367. unlikely to cause information theoretic death.  We will, therefore, 
  368. ignore the problems caused by such cooling.  This problem is discussed 
  369. in [5] and elsewhere.
  370.  
  371. Further, some "freezing" damage in fact occurs upon re-warming.  Current 
  372. work supports this idea because the precise method used to re-warm 
  373. tissue can strongly affect the success or failure of present experiments 
  374. even when freezing conditions are identical[5, 6].  If we presume that 
  375. future repair methods avoid the step of re-warming the tissue prior to 
  376. analysis and instead analyze the tissue directly in the frozen state 
  377. then this source of damage will be eliminated.  Several current methods 
  378. can be used to distinguish between damage that occurs during freezing 
  379. and damage that occurs while thawing.  At present, it seems likely that 
  380. some damage occurs during each process.  While significant damage does 
  381. occur during slow freezing, it does not induce structural changes which 
  382. obliterate the cell.
  383.  
  384.      Present Day Successes
  385.  
  386. Many types of tissue including human embryos, sperm, skin, bone, red and 
  387. white blood cells, bone marrow, and others [5, 6, 59] have been frozen 
  388. in liquid nitrogen, thawed, and have recovered.  This is not true of 
  389. whole mammals[ft. 13].  The brain seems more resistant than most organs 
  390. to freezing damage[58, 79].  Recovery of overall brain function 
  391. following freezing to liquid nitrogen temperature has not been 
  392. demonstrated, although recovery of unit level electrical activity 
  393. following freezing to -60 degrees C has been demonstrated[79].
  394.  
  395.      Fractures
  396.  
  397. Perhaps the most dramatic injury caused by freezing is macroscopic 
  398. fractures[56].  Tissue becomes extremely brittle at or below the "glass 
  399. transition temperature" at about 140K.  Continued cooling to 77K (the 
  400. temperature of liquid nitrogen) creates tensile stress in the glassy 
  401. material.  This is exacerbated by the skull, which inhibits shrinkage of 
  402. the cranial contents.  This stress causes readily evident macroscopic 
  403. fractures in the tissue.
  404.  
  405. Fractures that occur below the glass transition temperature result in 
  406. very little information loss.  While dramatic, this damage is unlikely 
  407. to cause or contribute to information theoretic death.
  408.  
  409.      Ice
  410.  
  411. The damage most commonly associated with freezing is that caused by ice.  
  412. Contrary to common belief, freezing does not cause cells to burst open 
  413. like water pipes on a cold winter's day.  Quite the contrary, ice 
  414. formation takes place outside the cells in the extracellular region.  
  415. This is largely due to the presence of extracellular nucleating agents 
  416. on which ice can form, and the comparative absence of intracellular 
  417. nucleating agents.  Consequently the intracellular liquid supercools.
  418.  
  419. Extracellular ice formation causes an increase in the concentration of 
  420. the extra-cellular solute, e.g., the chemicals in the extracellular 
  421. liquid are increased in concentration by the decrease in available 
  422. water.  The immediate effect of this increased extracellular 
  423. concentration is to draw water out of the cells by osmosis.  Thus, 
  424. freezing dehydrates cells.
  425.  
  426. Damage can be caused by the extracellular ice, by the increased 
  427. concentration of solute, or by the reduced temperature itself.  All 
  428. three mechanisms can play a role under appropriate conditions.
  429.  
  430. The damage caused by extracellular ice formation depends largely on the 
  431. fraction of the initial liquid volume that is converted to ice[6, 57].  
  432. (The initial liquid volume might include a significant amount of 
  433. cryoprotectant as well as water).  When the fraction of the liquid 
  434. volume converted to ice is small, damage is often reversible even by 
  435. current techniques.  In many cases, conversion of significantly more 
  436. than 40% of the liquid volume to ice is damaging[70, page 134; 71].  The 
  437. brain is more resistant to such injury: conversion of up to 60% of the 
  438. liquid volume in the brain to ice is associated with recovery of 
  439. neuronal function[58, 62, 66, 82].  Storey and Storey said "If the cell 
  440. volume falls below a critical minimum, then the bilayer of phospholipids 
  441. in the membrane becomes so greatly compressed that its structure breaks 
  442. down.  Membrane transport functions cannot be maintained, and breaks in 
  443. the membrane spill cell contents and provide a gate for ice to propagate 
  444. into the cell.  Most freeze-tolerant animals reach the critical minimum 
  445. cell volume when about 65 percent of total body water is sequestered as 
  446. ice."[57].
  447.  
  448. Appropriate treatment with cryoprotectants (in particular glycerol) 
  449. prior to freezing will keep more than 40% of the liquid volume from 
  450. being converted to ice even at liquid nitrogen temperatures.
  451.  
  452. Fahy has said "All of the postulated problems in cryobiology - cell 
  453. packing [omitted reference], channel size constraints [omitted 
  454. reference], optimal cooling rate differences for mixed cell populations 
  455. [omitted reference], osmotically mediated injury[omitted references], 
  456. and the rest - can be solved in principle by the selection of a 
  457. sufficiently high concentration of cryoprotectant prior to freezing.  In 
  458. the extreme case, all ice formation could be suppressed completely by 
  459. using a concentration of agent sufficient to ensure vitrification of the 
  460. biological system in question [omitted reference]"[73].  Unfortunately, 
  461. a concentration of cryoprotectant sufficiently high to protect the 
  462. system from all freezing injury would itself be injurious[73].  It 
  463. should be possible to trade the mechanical injury caused by ice 
  464. formation for the biochemical injury caused by the cryoprotectant, which 
  465. is probably advantageous.  In some suspensions done by Alcor both venous 
  466. and arterial glycerol concentrations have exceeded 6 molar.  If this 
  467. concentration of cryoprotectant is also reaching the tissues, it should 
  468. keep over 60% of the initial liquid volume from being converted to ice 
  469. at liquid nitrogen temperatures.
  470.  
  471.      Concentration Effects
  472.  
  473. "Dehydration and concentration of solutes past some critical level may 
  474. disrupt metabolism and denature cell proteins and macromolecular 
  475. complexes"[70, page 125].  The functional losses caused by this 
  476. mechanism seem unlikley to result in significant information loss.  One 
  477. qualification to this conclusion is that cell membranes appear to be 
  478. weakened by increased solute concentration[5, page 92].  To the extent 
  479. that structural elements are weakened by increased solute concentrations 
  480. the vulnerability of the cell to structural damage is increased.
  481.  
  482.      Denaturing
  483.  
  484. Finally, denaturing of proteins might occur at low temperature.  In this 
  485. process the tertiary and perhaps even secondary structure of the protein 
  486. might be disrupted leading to significant loss of protein function.  
  487. However, the primary structure of the protein (the linear sequence of 
  488. amino acids) is still intact and so inference of the correct functional 
  489. state of the protein is in principle trivial.  Further, the extent of 
  490. protein denaturation caused by freezing must necessarily be limited 
  491. given the relatively wide range of tissues that have been successfully 
  492. frozen and thawed.
  493.  
  494.      Intracellular Freezing
  495.  
  496. Intracellular freezing is another damaging event which might occur[6].  
  497. If cooling is slow enough to allow the removal of most of the water from 
  498. the cell's interior by osmosis, then the high concentration of solute 
  499. will prevent the small amount of remaining water from freezing.  If 
  500. cooling is too rapid, there will be insufficient time for the water 
  501. within the cell to escape before it freezes.  In the latter case, the 
  502. intracellular contents are supercooled and freezing is abrupt (the cell 
  503. "flashes").  While this correlates with a failure to recover function[5, 
  504. 6, 68, 70] it is difficult to believe that flash freezing results in 
  505. significant loss of information.
  506.  
  507. Intracellular freezing is largely irrelevant to cryonic suspensions 
  508. because of the slow freezing rates dictated by the large mass of tissue 
  509. being frozen.  Such freezing rates are too slow for intracellular 
  510. freezing to occur except when membrane rupture allows extracellular ice 
  511. to penetrate the intracellular region.  If the membrane does fail, one 
  512. would expect the interior of the cell to "flash."
  513.  
  514.      Loss of Information versus Loss of Function
  515.  
  516. Spontaneous recovery of function following freezing to liquid nitrogen 
  517. temperatures using the best currently available techniques appears 
  518. unlikely for mammalian organs, including the brain.  Despite this, the 
  519. level of structural preservation can be excellent.   The complexity of 
  520. the systems that have been successfully frozen and rewarmed is 
  521. remarkable, and supports the claim that good structural preservation is 
  522. often achieved.  While spontaneous recovery of function by the human 
  523. brain cannot be viewed as likely, the mechanisms of damage that have 
  524. been postulated in the literature are sufficiently subtle that 
  525. information loss is likely to be small;  that is, death by the 
  526. information theoretic criterion is unlikely to have occurred.
  527.  
  528.  
  529. ISCHEMIC INJURY AND PRE-SUSPENSION INJURY
  530.  
  531. Today, cryonic suspensions cannot be initiated until after legal death.  
  532. Even operating under this constraint, it is often possible to initiate 
  533. suspensions within two or three minutes following cessation of 
  534. heartbeat. Future suspensions might eliminate delay entirely[ft. 14].  
  535. However, delay is sometimes unavoidable[ft. 15].  The most significant 
  536. type of damage that such delay causes is ischemic injury.
  537.  
  538. It should be emphasized that delay in initiating cryonic suspension is 
  539. caused by the current social and legal context.  From a technical point 
  540. of view it is usually relatively easy to initiate suspension without 
  541. delay and without ischemia.  It is therefore incorrect for two reasons 
  542. to argue that cryonic suspension must fail because it is initiated 
  543. following legal death.  First, legal death and information theoretic 
  544. death are logically distinct: information theoretic death will often 
  545. occur well after legal death.  Second, a change in legal climate would 
  546. permit suspensions to begin prior to legal death.  This would completely 
  547. eliminate ischemia as a cause for concern in the feasibility of 
  548. cryonics.
  549.  
  550. Broadly speaking, the structure of the human brain remains intact for 
  551. several hours or more following the cessation of blood flow, or 
  552. ischemia.  The tissue changes that occur subsequent to ischemia have 
  553. been well studied.  There have also been studies of the "postmortem" 
  554. changes that occur in tissue.  Perhaps the most interesting of these 
  555. studies was conducted by Kalimo et. al.[65].
  556.  
  557.      "Postmortem" Changes in the Human Brain
  558.  
  559. In order to study immediate "postmortem" changes, Kalimo et. al. 
  560. perfused the brains of 5 patients with aldeyhydes within half an hour of 
  561. "clinical death".  Subsequent examination of the preserved brain tissue 
  562. with both light and electron microscopy showed the level of structural 
  563. preservation.  In two cases, the changes described were consistent with 
  564. approximately one to two hours of ischemic injury.  (Ischemic injury 
  565. often begins prior to declaration of "clinical death", hence the 
  566. apparently longer ischemic period compared with the interval following 
  567. declaration of death and prior to perfusion of fixative).  Physical 
  568. preservation of cellular structure and ultrastructure was excellent.  It 
  569. is difficult to avoid the conclusion that information loss was 
  570. negligible in these cases.  In two other cases, elevated 
  571. intraparenchymal pressure prevented perfusion with the preservative, 
  572. thus preventing examination of the tissue.  Without such an examination, 
  573. it is difficult to draw conclusions about the extent of information 
  574. loss.  In the final case, "...the most obvious abnormality was the 
  575. replacement of approximately four-fifths of the parenchyma of the brain 
  576. by a fluid-containing cavity that was lined by what seemed to be very 
  577. thin remnants of the cerebral cortex."  Cryonic suspension in this last 
  578. case would not be productive.
  579.  
  580. As an aside, the vascular perfusion of chemical fixatives to improve 
  581. stability of tissue structures prior to perfusion with cryoprotectants 
  582. and subsequent storage in liquid nitrogen would seem to offer 
  583. significant advantages.  The main issue that would require resolution 
  584. prior to such use is the risk that fixation might obstruct circulation, 
  585. thus impeding subsequent perfusion with cryoprotectants.  Other than 
  586. this risk, the use of chemical fixatives (such as aldehydes and in 
  587. particular glutaraldehyde) would reliably improve structural 
  588. preservation and would be effective at halting almost all deterioration 
  589. within minutes of perfusion[67].  The utility of chemical preservation 
  590. has been discussed by Drexler[1] and by Olson[90], among others.
  591.  
  592.      Ischemia
  593.  
  594. The events following ischemia have been reasonably well characterized.  
  595. Following experimental induction of ischemia in cats, Kalimo et. al.[74] 
  596. found "The resulting cellular alterations were homogeneous and uniform 
  597. throughout the entire brain:  they included early chromatin clumping, 
  598. gradally increasing electron lucency of the cell sap, distention of 
  599. endoplasmic reticulum and Golgi cisternae, transient mitochondrial 
  600. condensation followed by swelling and appearance of flocculent 
  601. densities, and dispersion of ribosomal rosettes."  Energy levels within 
  602. the cell drop sharply within a few minutes of cessation of blood flow.  
  603. The chromatin clumping is a reversible early change.  The loss of energy 
  604. results fairly quickly in failure to maintain trans-membrane 
  605. concentration gradients (for example the Na+K+ pump stops working, 
  606. resulting in increased intracellular Na+ and increased extracellular 
  607. K+).  The uneven equilibration of concentration gradients results in 
  608. changes in osmotic pressure with consequent flows of water.  Swelling of 
  609. mitochondria and other structures occurs.  The appearance of "flocculent 
  610. densities" in the mitochondria is thought to indicate severe internal 
  611. membrane damage which is "irreversible."[ft. 16] 
  612.  
  613. Ischemic changes do not appear to result in any damage that would 
  614. prevent repair (e.g., changes that would result in significant loss of 
  615. information about structure) for at least a few hours.  Temporary and 
  616. sometimes even permanent functional recovery has been demonstrated in 
  617. optimal situations after as long as 60 minutes of total ischemia[93, 94, 
  618. 95].  Hossmann, for example, reported results on 143 cats subjected to 
  619. one hour of normothermic global brain ischemia[97].  "Body temperature 
  620. was maintained at 36 to 37 degrees C with a heating pad. ... Completeness of 
  621. ischemia was tested by injecting 133 Xe into the innominate artery 
  622. immediately before vascular occlusion and monitoring the absence of 
  623. decay of radioactivity from the head during ischemia, using external 
  624. scintillation detectors. ...  In 50% of the animals, even major 
  625. spontaneous EEG activity returned after ischemia....  One cat survived 
  626. for 1 yr after one hour of normothermic cerebrocirculatory arrest with 
  627. no electrophysiologic deficit and with only minor neurologic and 
  628. morphologic disturbances."  Functional recovery is a more stringent 
  629. criterion than the more relaxed information theoretic criterion, which 
  630. merely requires adequate structural preservation to allow inference 
  631. about the pre-existing structure.  Reliable identification of the 
  632. various cellular structures is possible hours (and sometimes even days) 
  633. later.  Detailed descriptions of ischemia and its time course[72, page 
  634. 209 et sequitur] also clearly show that cooling substantially slows the 
  635. rate of deterioration.  Thus, even moderate cooling "postmortem" slows 
  636. deterioration significantly.
  637.  
  638.      Lysosomes
  639.  
  640. The theory that lysosomes ("suicide bags") rupture and release digestive 
  641. enzymes into the cell that result in rapid deterioration of chemical 
  642. structure appears to be incorrect.  More broadly, there is a body of 
  643. work suggesting that structural deterioration does not take place 
  644. rapidly.
  645.  
  646. Kalimo et. al.[74] said "It is noteworthy that after 120 min of complete 
  647. blood deprivation we saw no evidence of membrane lysosomal breakdown, an 
  648. observation which has also been reported in studies of in vitro lethal 
  649. cell injury[omitted references], and in regional cerebral 
  650. ischemia[omitted references]."
  651.  
  652. Hawkins et. al.[75] said "...lysosomes did not rupture for approximately 
  653. 4 hours and in fact did not release the fluorescent dye until after 
  654. reaching the postmortem necrotic phase of injury. ... The original 
  655. suicide bag mechanism of cell damage thus is apparently not operative in 
  656. the systems studied.  Lysosomes appear to be relatively stable 
  657. organelles...."
  658.  
  659.      Messenger RNA and Protein
  660.  
  661. Morrison and Griffin[76] said "We find that both rat and human 
  662. cerebellar mRNAs are surprisingly stable under a variety of postmortem 
  663. conditions and that biologically active, high-molecular-weight mRNAs can 
  664. be isolated from postmortem tissue. ... A comparison of RNA recoveries 
  665. from fresh rat cerebella and cerebella exposed to different postmortem 
  666. treatments showed that 83% of the total cytoplasmic RNAs present 
  667. immediately postmortem was recovered when rat cerebella were left at 
  668. room temperature for 16 h [hours] postmortem and that 90% was recovered 
  669. when the cerebella were left at 4 degrees C for this length of time .... In 
  670. neither case was RNA recovery decreased by storing the cerebella in 
  671. liquid nitrogen prior to analysis. ... Control studies on protein 
  672. stability in postmortem rat cerebella show that the spectrum of abundant 
  673. proteins is also unchanged after up to 16 h [hours] at room 
  674. temperature...."
  675.  
  676.      17 Million Year Survival of DNA
  677.  
  678. The ability of DNA to survive for long periods was dramatically 
  679. illustrated by its recovery and sequencing from a 17 to 20 million year 
  680. old magnolia leaf[81].  "Sediments and fossils seem to have accumulated 
  681. in an anoxic lake bottom environment; they have remained unoxidized and 
  682. water-saturated to the present day."  "Most leaves are preserved as 
  683. compression fossils, commonly retaining intact cellular tissue with 
  684. considerable ultrastructural preservation, including cell walls, leaf 
  685. phytoliths, and intracellular organelles, as well as many organic 
  686. constituents such as flavonoids and steroids[omitted references].  There 
  687. is little evidence of post-depositional (diagenetic) change in many of 
  688. the leaf fossils."
  689.  
  690.      Cell Cultures taken after "Death"
  691.  
  692. Gilden et. al.[77] report that "...nearly two-thirds of all tissue 
  693. acquired in less than six hours after death was succesfully grown, 
  694. whereas only one-third of all tissue acquired more than six hours after 
  695. death was successfully grown in tissue culture."  While it would be 
  696. incorrect to conclude that widespread cellular survival occurred based 
  697. on these findings, they do show that structural deterioration is 
  698. insufficient to disrupt function in at least some cells.  This supports 
  699. the idea that structural deterioration in many other cells should not be 
  700. extensive.
  701.  
  702.      Information Loss and Ischemia
  703.  
  704. It is currently possible to initiate cryonic suspension immediately 
  705. after legal death.  In favorable circumstances legal death can be 
  706. declared upon cessation of heartbeat in an otherwise revivable 
  707. terminally ill patient who wishes to die a natural death and has refused 
  708. artificial means of prolonging the dieing process.  In such cases, the 
  709. ischemic interval can be short (two or three minutes).  It is 
  710. implausible that ischemic injury would cause information theoretic death 
  711. in such a case.
  712.  
  713. As the ischemic interval lengthens the level of damage increases.  It is 
  714. not clear exactly when information loss begins or when information 
  715. theoretic death occurs.  Present evidence supports but does not prove 
  716. the hypothesis that information theoretic death does not occur for at 
  717. least a few hours following the onset of ischemia.  Quite possibly many 
  718. hours of ischemia can be tolerated.  Freezing of tissue within that time 
  719. frame followed by long term storage in liquid nitrogen should provide 
  720. adequate preservation of structure to allow repair[ft. 17].
  721.  
  722.  
  723. MEMORY
  724.  
  725. It is essential to ask whether the important structural elements 
  726. underlying "behavioral plasticity" (human memory and human personality) 
  727. are likely to be preserved by cryonic suspension.  Clearly, if human 
  728. memory is stored in a physical form which is obliterated by freezing, 
  729. then cryonic suspension won't work.  In this section we briefly consider 
  730. a few major aspects of what is known about long term memory and whether 
  731. known or probable mechanisms are likely to be preserved by freezing.
  732.  
  733. It appears likely that short term memory, which can be disrupted by 
  734. trauma or a number of other processes, will not be preserved by cryonic 
  735. suspension.  Consolidation of short term memory into long term memory is 
  736. a process that takes several hours.  We will focus attention exclusively 
  737. on long term memory, for this is far more stable.  While the retention 
  738. of short term memory cannot be excluded (particularly if chemical 
  739. preservation is used to provide rapid initial fixation), its greater 
  740. fragility renders this significantly less likely.
  741.  
  742. To see the Mona Lisa or Niagara Falls changes us, as does seeing a 
  743. favorite television show or reading a good book.  These changes are both 
  744. figurative and literal, and it is the literal (or neuroscientific) 
  745. changes that we are interested in:  what are the physical alterations 
  746. that underlie memory?
  747.  
  748. Briefly, the available evidence supports the idea that memory and 
  749. personality are stored in identifiable physical changes in the nerve 
  750. cells, and that alterations in the synapses between nerve cells play a 
  751. critical role.
  752.  
  753. Shepherd in "Neurobiology"[38, page 547] said:  "The concept that brain 
  754. functions are mediated by cell assemblies and neuronal circuits has 
  755. become widely accepted, as will be obvious to the reader of this book, 
  756. and most neurobiologists believe that plastic changes at synapses are 
  757. the underlying mechanisms of learning and memory."
  758.  
  759. Kupfermann in "Principles of Neural Science"[13, page 812] said: 
  760. "Because of the enduring nature of memory, it seems reasonable to 
  761. postulate that in some way the changes must be reflected in long-term 
  762. alterations of the connections between neurons."
  763.  
  764. Squire in "Memory and Brain"[109, page 10] said:  "The most prevalent 
  765. view has been that the specificity of stored information is determined 
  766. by the location of synaptic changes in the nervous system and by the 
  767. pattern of altered neuronal interactions that these changes produce.  
  768. This idea is largely accepted at the present time, and will be explored 
  769. further in this and succeeding chapters in the light of current 
  770. evidence."
  771.  
  772. Lynch, in "Synapses, Circuits, and the Beginnings of Memory"[34, page 3] 
  773. said:  "The question of which components of the neuron are responsible 
  774. for storage is vital to attempts to develop generalized hypotheses about 
  775. how the brain encodes and makes use of memory.  Since individual neurons 
  776. receive and generate thousands of connections and hence participate in 
  777. what must be a vast array of potential circuits, most theorists have 
  778. postulated a central role for synaptic modifications in memory storage."
  779.  
  780. Turner and Greenough said "Two non-mutually exclusive possible 
  781. mechanisms of brain information storage have remained the leading 
  782. theories since their introduction by Ramon y Cajal [omitted reference] 
  783. and Tanzi [omitted reference].  The first hypothesis is that new synapse 
  784. formation, or selected synapse retention, yields altered brain circuitry 
  785. which encodes new information.  The second is that altered synaptic 
  786. efficacy brings about similar change."[22].
  787.  
  788. Greenough and Bailey in "The anatomy of a memory: convergence of results 
  789. across a diversity of tests"[39] say:  "More recently it has become 
  790. clear that the arrangement of synaptic connections in the mature nervous 
  791. system can undergo striking changes even during normal functioning.  As 
  792. the diversity of species and plastic processes subjected to 
  793. morphological scrutiny has increased, convergence upon a set of 
  794. structurally detectable phenomena has begun to emerge.  Although several 
  795. aspects of synaptic structure appear to change with experience, the most 
  796. consistent potential substrate for memory storage during behavioral 
  797. modification is an alteration in the number and/or pattern of synaptic 
  798. connections."
  799.  
  800. It seems likely, therefore, that human memory is encoded by detectable 
  801. physical changes in cell structure and in particular in synaptic 
  802. structure.
  803.  
  804.      Plastic Changes in Model Systems
  805.  
  806. What, exactly, might these changes be?  Very strong statements are 
  807. possible in simple "model systems".  Bailey and Chen, for example, 
  808. identified several specific changes in synaptic structure that encoded 
  809. learned memories from sea slugs (Aplysia californica) by direct 
  810. examination of the changed synapse with an electron microscope[36].
  811.  
  812. "Using horseradish peroxidase (HRP) to label the presynaptic terminals 
  813. (varicosities) of sensory neurons and serial reconstruction to analyze 
  814. synaptic contacts, we compared the fine structure of identified sensory 
  815. neuron synapses in control and behaviorally modified animals.  Our 
  816. results indicate that learning can modulate long-term synaptic 
  817. effectiveness by altering the number, size, and vesical complement of 
  818. synaptic active zones."
  819.  
  820. Examination by transmission electron microscopy in vacuum of sections 
  821. 100 nanometers (several hundred atomic diameters) thick recovers little 
  822. or no chemical information.  Lateral resolution is at best a few 
  823. nanometers (tens of  atomic diamters), and depth information (within the 
  824. 100 nanometer section) is entirely lost.  Specimen preparation included 
  825. removal and desheathing of the abdominal ganglion which was then bathed 
  826. in seawater for 30 minutes before impalement and intrasomatic pressure 
  827. injection of HRP.  Two hours later the ganglia were fixed, 
  828. histochemically processed, and embedded.  Following this treatment, 
  829. Bailey and Chen concluded that "...clear structural changes accompany 
  830. behavioral modification, and those changes can be detected at the level 
  831. of identified synapses that are critically involved in learning."
  832.  
  833. The following observations about this work seem in order.  First, 
  834. several different types of changes were present.  This provides 
  835. redundant evidence of synaptic alteration.  Inability to detect one type 
  836. of change, or obliteration of one specific type of change, would not be 
  837. sufficient to prevent recovery of the "state" of the synapse.  Second, 
  838. examination by electron microscopy is much cruder than the techniques 
  839. considered here which literally propose to analyze every molecule in the 
  840. structure.  Further alterations in synaptic chemistry will be detectable 
  841. when the synapse is examined in more detail at the molecular level.  
  842. Third, there is no reason to believe that freezing would obliterate the 
  843. structure beyond recognition.
  844.  
  845.      Implications for Human Memory
  846.  
  847. Such satisfying evidence is at present confined to "model systems;" what 
  848. can we conclude about more complex systems, e.g., humans?  Certainly, it 
  849. seems safe to say that synaptic alterations are also used in the human 
  850. memory system, that synaptic changes of various types take place when 
  851. the synapse "remembers" something, that the changes involve alterations 
  852. in at least many thousands of molecules and probably involve mechanisms 
  853. similar to those used in lower organisms (evolution is notoriously 
  854. conservative).
  855.  
  856. It seems likely that knowledge of the morphology and connectivity of 
  857. nerve cells along with some specific knowledge of the biochemical state 
  858. of the cells and synapses would be sufficient to determine memory and 
  859. personality.  Perhaps, however, some fundamentally different mechanism 
  860. is present in humans?  Even if this were to prove true, any such system 
  861. would be sharply constrained by the available evidence.  It would have 
  862. to persist over the lifetime of a human being, and thus would have to be 
  863. quite stable.  It would have to tolerate the natural conditions 
  864. encountered by humans and the experimental conditions to which primates 
  865. have been subjected without loss of memory and personality (presuming 
  866. that the primate brain is similar to the human brain).  And finally, it 
  867. would almost certainly involve changes in tens of thousands of molecules 
  868. to store each bit of information.  Functional studies of human long term 
  869. memory suggest it has a capacity of only 10^9 bits (somewhat over 100 
  870. megabytes)[37] (though this did not consider motor memory, e.g., the 
  871. information storage required when learning to ride a bicycle).  Such a 
  872. low memory capacity suggests that, independent of the specific 
  873. mechanism, a great many molecules are required to remember each bit.  It 
  874. even suggests that many synapses are used to store each bit (recall 
  875. there are perhaps 10^15 synapses - which implies some 10^6 synapses per 
  876. bit of information stored in long term memory).
  877.  
  878. Given that future technology will allow the molecule-by-molecule 
  879. analysis of the structures that store memory, and given that such 
  880. structures are large on the molecular scale (involving tens of thousands 
  881. of molecules each) then it appears unlikely that such structures will 
  882. survive the lifetime of the individual only to be obliterated beyond 
  883. recognition by freezing.   Freezing is unlikely to cause information 
  884. theoretic death.
  885.  
  886.  
  887.