新智元報道
編輯：時光 拉燕
【新智元導讀】一項由南韓、比利時等合作的最新腦科學研究發現，利用深度學習可以量化意識，研究對睡眠、麻醉、腦損傷等不同狀況都獲得了實驗資料。
現在，科學家對人類意識有了新認識！
這次的研究，是通過深度學習算法的AI方式來揭開謎題。
竟然！睡眠、全身麻醉、嚴重腦損傷等不同狀況下的意識，都得了有效測量。
量化人類意識
最近，由歐盟資助的一項有關HBP SGA3和DoCMA的項目研究取得了重大進展，已經可以量化人類意識。
論文題為《利用可解釋的深度學習量化不同狀态下的喚醒和意識》，發表在今年2月25日的《自然通訊》上。
全文下載下傳位址：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28451-0
該項目由南韓高麗大學Minji Lee牽頭，參與合作研究的還有比利時列日大學等。
論文第一作者、南韓高麗大學大腦與認知工程系Minji Lee
在這項研究中，研究團隊成功開創了一種可解釋的意識訓示器（explainable consciousness indicator，簡稱ECI），這種訓示器能幫助科學家探索意識的不同組成部分。
意識将由兩部分來描述：一部分叫做Arousal，即「清醒狀态」，另一部分叫做Awareness，指人的「認知能力」。
也就是說，正常的人睜開雙眼，就意味着這個人處于「清醒狀态」。如果他有能力接收不同的指令，依照指令行動，則表明他具備了「認知能力」。
然而，在不同條件下，包括無夢的睡眠、有夢的睡眠、麻醉狀态以及嚴重的大腦損傷，人們具有不同水準的意識能力。
這項研究正是使用了睡眠、全身麻醉、嚴重腦損傷共3類實驗資料，分别獲得了6個、16個和34個觀察樣本。
到目前為止，這是第一個對意識進行量化的研究，實驗得到了較為可靠的資料。
不過，論文合作者、列日大學昏迷研究小組主任Olivia Gosseries表示，「想要在臨床實踐中應用這項新工具，并開發出線上實時工具，還需要更多的研究。」
比利時列日大學Olivia Gosseries
Olivia認為，ECI意識訓示器在手術室或者ICU投入使用之前，我們的研究還有路要走。
ECI意識訓示器
研究是如何在ECI的幫助下進行的？這是ECI意識訓示器架構示意圖：
它的工作原理可以分步解釋為：
第一步，将原始腦電信号轉換為3D時空矩陣。
第二步，轉換後的3D特征被用于卷積神經網絡的兩種意識成分：「清醒狀态」和「認知能力」，在每種意識狀态下，腦電圖資料被訓練成兩類：低類和高類。
第三步，對每種意識狀态的類間機率取平均值，用于計算每個會話中的ECI。
最後一步，研究使用分層關聯傳播（LRP）檢查模型已經學習了哪些大腦信号，以及它為什麼會做出這樣的決定。
研究指出，ECI意識訓示器借助深度學習能夠區分「清醒狀态」和「認知能力」。
加号表示高水準，減号表示低水準
研究人員表示，這種新型的研究工具是一種可靠的「鑒别器」，是衡量意識的一種客觀工具。
與此同時，ECI還具有提升不同環境下病患臨床護理水準的潛力，例如，在手術過程中監測麻醉誘導狀态和診斷昏迷或植物人狀态。
研究顯示，大部分狀态的「清醒程度」和「認知能力」是一緻的，上圖表現即「清醒狀态」和「認知能力」欄有相同的「+」和「-」。
但是，快速眼動睡眠狀态（REM）和氯胺酮引起的麻醉狀态有較低的「清醒程度」和較高的「認知能力」，這兩種狀态和其它的狀态有顯著的差別。
該論文的第二作者、南韓高麗大學AI系的Seong-Whan Lee教授表示，論文展示了全球首創的ECI意識測量，是一種可以同時量化「清醒程度」和「認知水準」的新技術。
研究對生理、藥理、病理3類情況，進行了8種狀态的意識解釋：
在生理狀态中，第1類，正常的醒着狀态是高「清醒程度」、高「認知能力」；第2類，做夢的快速眼動（REM）睡眠狀态是低「清醒程度」、高「認知能力」；第3類，無夢的非快速眼動（NREM）睡眠狀态是低「清醒程度」、低「認知能力」。
在藥理狀态中，第4類，氯胺酮麻醉是低「清醒程度」、高「認知能力」；第5類，異丙酚或氙氣誘導麻醉是低「清醒程度」、低「認知能力」。
在病理狀态中，第6類，微意識狀态（MCS）是高「清醒程度」、高「認知能力」；第7類，無行為能力的微意識狀态（MCS*）是高「清醒程度」、高「認知能力」；第8類，無反應性覺醒綜合征狀态(UWS)是高「清醒程度」、低「認知能力」。
此外，大腦的頂葉區域和人的「清醒程度」、「認知能力」的衡量最具相關性。
據悉，這項HBP SGA3（全稱：Human Brain Project Specific Grant Agreement 3）是人腦研究項目的最後一個階段。
本次合作成果頗豐，展示了EBRAINS共享資料平台工具，在研究大規模的人類神經圖像集方面非常有效。
未來，研究量化意識的專家借助HBP小組的一些成果，繼續發展數字神經科學和腦科學。
參考資料：
https://neurosciencenews.com/human-consciousness-ai-20447/
https://www.jkwshk.tv/gwjz/20220423/135634.html
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