現(xiàn)在，科學(xué)家對(duì)人類意識(shí)有了新認(rèn)識(shí)！

這次的研究，是通過深度學(xué)習(xí)算法的AI方式來揭開謎題。

竟然！睡眠、全身麻醉、嚴(yán)重腦損傷等不同狀況下的意識(shí)，都得了有效測量。

量化人類意識(shí)

最近，由歐盟資助的一項(xiàng)有關(guān)HBP SGA3和DoCMA的項(xiàng)目研究取得了重大進(jìn)展，已經(jīng)可以量化人類意識(shí)。

論文題為《利用可解釋的深度學(xué)習(xí)量化不同狀態(tài)下的喚醒和意識(shí)》，發(fā)表在今年2月25日的《自然通訊》上。

全文下載地址：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28451-0

該項(xiàng)目由韓國高麗大學(xué)Minji Lee牽頭，參與合作研究的還有比利時(shí)列日大學(xué)等。

論文第一作者、韓國高麗大學(xué)大腦與認(rèn)知工程系Minji Lee

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)成功開創(chuàng)了一種可解釋的意識(shí)指示器（explainable consciousness indicator，簡稱ECI），這種指示器能幫助科學(xué)家探索意識(shí)的不同組成部分。

意識(shí)將由兩部分來描述：一部分叫做Arousal，即「清醒狀態(tài)」，另一部分叫做Awareness，指人的「認(rèn)知能力」。

也就是說，正常的人睜開雙眼，就意味著這個(gè)人處于「清醒狀態(tài)」。如果他有能力接收不同的指令，依照指令行動(dòng)，則表明他具備了「認(rèn)知能力」。

然而，在不同條件下，包括無夢的睡眠、有夢的睡眠、麻醉狀態(tài)以及嚴(yán)重的大腦損傷，人們具有不同水平的意識(shí)能力。

這項(xiàng)研究正是使用了睡眠、全身麻醉、嚴(yán)重腦損傷共3類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別獲得了6個(gè)、16個(gè)和34個(gè)觀察樣本。

到目前為止，這是第一個(gè)對(duì)意識(shí)進(jìn)行量化的研究，實(shí)驗(yàn)得到了較為可靠的數(shù)據(jù)。

不過，論文合作者、列日大學(xué)昏迷研究小組主任Olivia Gosseries表示，「想要在臨床實(shí)踐中應(yīng)用這項(xiàng)新工具，并開發(fā)出線上實(shí)時(shí)工具，還需要更多的研究。」

比利時(shí)列日大學(xué)Olivia Gosseries

Olivia認(rèn)為，ECI意識(shí)指示器在手術(shù)室或者ICU投入使用之前，我們的研究還有路要走。

ECI意識(shí)指示器

研究是如何在ECI的幫助下進(jìn)行的？這是ECI意識(shí)指示器框架示意圖：

它的工作原理可以分步解釋為：

第一步，將原始腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換為3D時(shí)空矩陣。

第二步，轉(zhuǎn)換后的3D特征被用于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩種意識(shí)成分：「清醒狀態(tài)」和「認(rèn)知能力」，在每種意識(shí)狀態(tài)下，腦電圖數(shù)據(jù)被訓(xùn)練成兩類：低類和高類。

第三步，對(duì)每種意識(shí)狀態(tài)的類間概率取平均值，用于計(jì)算每個(gè)會(huì)話中的ECI。

最后一步，研究使用分層關(guān)聯(lián)傳播（LRP）檢查模型已經(jīng)學(xué)習(xí)了哪些大腦信號(hào)，以及它為什么會(huì)做出這樣的決定。

研究指出，ECI意識(shí)指示器借助深度學(xué)習(xí)能夠區(qū)分「清醒狀態(tài)」和「認(rèn)知能力」。

加號(hào)表示高水平，減號(hào)表示低水平

研究人員表示，這種新型的研究工具是一種可靠的「鑒別器」，是衡量意識(shí)的一種客觀工具。

與此同時(shí)，ECI還具有提升不同環(huán)境下病患臨床護(hù)理水平的潛力，例如，在手術(shù)過程中監(jiān)測麻醉誘導(dǎo)狀態(tài)和診斷昏迷或植物人狀態(tài)。

研究顯示，大部分狀態(tài)的「清醒程度」和「認(rèn)知能力」是一致的，上圖表現(xiàn)即「清醒狀態(tài)」和「認(rèn)知能力」欄有相同的「+」和「-」。

但是，快速眼動(dòng)睡眠狀態(tài)（REM）和氯胺酮引起的麻醉狀態(tài)有較低的「清醒程度」和較高的「認(rèn)知能力」，這兩種狀態(tài)和其它的狀態(tài)有顯著的區(qū)別。

該論文的第二作者、韓國高麗大學(xué)AI系的Seong-Whan Lee教授表示，論文展示了全球首創(chuàng)的ECI意識(shí)測量，是一種可以同時(shí)量化「清醒程度」和「認(rèn)知水平」的新技術(shù)。

研究對(duì)生理、藥理、病理3類情況，進(jìn)行了8種狀態(tài)的意識(shí)解釋：

在生理狀態(tài)中，第1類，正常的醒著狀態(tài)是高「清醒程度」、高「認(rèn)知能力」；第2類，做夢的快速眼動(dòng)（REM）睡眠狀態(tài)是低「清醒程度」、高「認(rèn)知能力」；第3類，無夢的非快速眼動(dòng)（NREM）睡眠狀態(tài)是低「清醒程度」、低「認(rèn)知能力」。

在藥理狀態(tài)中，第4類，氯胺酮麻醉是低「清醒程度」、高「認(rèn)知能力」；第5類，異丙酚或氙氣誘導(dǎo)麻醉是低「清醒程度」、低「認(rèn)知能力」。

在病理狀態(tài)中，第6類，微意識(shí)狀態(tài)（MCS）是高「清醒程度」、高「認(rèn)知能力」；第7類，無行為能力的微意識(shí)狀態(tài)（MCS*）是高「清醒程度」、高「認(rèn)知能力」；第8類，無反應(yīng)性覺醒綜合征狀態(tài)(UWS)是高「清醒程度」、低「認(rèn)知能力」。

此外，大腦的頂葉區(qū)域和人的「清醒程度」、「認(rèn)知能力」的衡量最具相關(guān)性。

據(jù)悉，這項(xiàng)HBP SGA3（全稱：Human Brain Project Specific Grant Agreement 3）是人腦研究項(xiàng)目的最后一個(gè)階段。

本次合作成果頗豐，展示了EBRAINS共享數(shù)據(jù)平臺(tái)工具，在研究大規(guī)模的人類神經(jīng)圖像集方面非常有效。

未來，研究量化意識(shí)的專家借助HBP小組的一些成果，繼續(xù)發(fā)展數(shù)字神經(jīng)科學(xué)和腦科學(xué)。