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你有多少的意識? 追求量化意識程度的可能性

一般公告
張貼人:網站管理員公告日期:2018-03-21
科學人-意識測量儀初登場
  

神經科學38

意識測量儀初登場

 

臺北醫學大學 心智意識與腦科學研究所 

Timothy Lane教授、曾祥非副教授、吳昌衛副教授、徐慈妤助理教授、Jihwan Myung助理教授、Niall Duncan助理教授

試想像以下畫面:你正躺在醫院的手術檯上進行手術,卻忽然感到劇痛,疼痛的來源是外科醫師在你身上劃開的一道又一道切口,你想呼救讓醫師停止動作卻無能為力,因為手術前你接受了全身麻醉導致無法自主行動。你只能忍受劇烈痛楚直至手術結束。理論上,麻醉應可使患者進入無意識狀態,但很不幸的,確實存在著麻醉只讓患者不能動作或說話卻保留了完整自我意識的案例。因此當外科醫師誤以為手術中的患者已進入無意識狀態,但患者可能正處在絕對清醒的狀態,親身經歷著手術一刀刀劃開皮膚的痛楚。

再換到另一個鏡頭:你因為頭部外傷陷入昏睡狀態,經過一段時間,你漸漸甦醒,發現自己無法控制身體,連像移動眼睛這樣的小事也做不到。在此情況下,神經科醫師極有可能因你對外界事物的無反應,進而判斷你為無意識狀態患者(unresponsive wakefulness syndrome, UWS),也就是俗稱的植物人。但你很清楚自己還保有自我意識,也能清楚地察覺別人在身旁談論自己的病情,此時的你如同與世隔絕,因為你被困在一個無法與他人溝通的身體裡。

這聽起來像是恐怖科幻小說的情節。然而在現實世界中,這些被困在身體但意識狀態清醒的人並非少數──研究顯示這類患者的誤診機率(即有意識卻被判為無意識)可能高達百分之四十。為什麼會有這麼高的誤診率?主要原因是這些患者產生的外顯行為通常模稜兩可且缺乏一致性,再加上大腦和身體神經聯結的受損程度不一,醫師往往很難區分患者產生的動作是純粹的反射或者是有意識的主動行為。因此,在缺乏有效意識量測指標的情況下,「覺察(aware)」的存在與否只能依賴患者的外顯動作來推斷,因此有時候低估了患者的意識狀態判斷標準。

究竟如何判斷人類的有效意識?面對此問題,Koch教授提出一個新的指標:擾動複雜性指標(perturbational complexity index, PCI),其核心概念是藉由計算腦波訊號的複雜度以作為判斷有效意識的量尺,但僅限於跨顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS) 短暫干擾大腦後所引發腦波變化的複雜度。TMS是利用磁生電的原理,將線圈靠在頭皮上的任何一個位置,線圈所產生的磁脈衝就能輕易且無痛的穿過頭皮和頭骨刺激到大腦皮質。而TMS所誘發的腦波訊號則會被加以拆解和分析其複雜度,通常訊息的複雜度會隨著更多的訊息加入和整合而提升,而這正是需要量測的部分。在此研究中,人類意識存在與否的臨界值為0.31,當人的PCI值大於0.31即被視為有意識者,反之低於0.31則被視為無意識者。

這一系列研究是由義大利米蘭大學的Massimini教授和他的同事們所建立,在他們研究中複雜度的計算是利用Lempel-Ziv (LZ)複雜度,這也是用來壓縮電腦檔案‘ZIP壓縮所使用的方法。當腦波訊號轉換成二進制序列,也就是用10表示訊號的最小單位,所以像是‘011001’, ‘100001’, ...等片段式的訊息,就相當於二進制世界裡的文字。一旦有了文字,相對應的字典就可以被創造出來。而ZIP壓縮方法就是利用二進制世界裡的字典去產生更短的二進制序列。在這樣的概念下,LZ複雜度則是表達有多少不同的文字出現在一個序列內,進而表示有多少訊息被存在其中。舉一個簡單的例子,一個無趣且重複出現的01,如: 0101010101,相較於有點變化的0111010101,顯然後者比前者的複雜度高,同時LZ複雜度指標也具有較高的數值。然而,第二個序列可能被誤認為第一個序列,因為兩者之間的差異僅僅只有第三位置的‘0’被替換成‘1’而已。在複雜度計算概念之下,些微的差異會是一個潛在問題:原始訊號內的雜訊可能會被誤認成有意義的訊號的一部分而使複雜度增加或減少。也就是說在LZ 複雜度的計算概念之下,高頻率的雜訊有可能被誤認為高頻率且有意義的訊號,這連帶影響著PCI計算的正確性。腦波中的雜訊量會因個人和環境而異,相對的PCI估算的錯誤率也會跟著變動。這在PCI數值遠高於0.31的時候可能不是個大問題,但若PCI非常接近0.31,而且該數值又是被用來判定意識存在與否的臨界值時,這就是個相當棘手的問題!

為了解決這潛在問題,勢必需要一套比PCI更強大且有效的數學演算法,令人振奮的是這數學演算法的革命正在台灣進行。來自國立中央大學由黃鍔院士領導的的研究團隊正在發展更強大的演算法用來拆解動態非線性的腦波訊號,這也是在複雜度計算前的重要運算步驟。同時臺灣的其他研究團隊,例如: 來自臺北醫學大學和國立政治大學的研究合作團隊,正利用此數學演算法結合腦波和功能性磁振造影來研究不同形式的無意識狀態,如::深層睡眠。除此之外,我們在臺北醫學大學的團隊也採用類似的方法進行無意識但清醒患者的臨床試驗,用以研究失去意識的神經機制,同時找尋方法來幫助患者恢復意識狀態。

Koch教授和 Massimini教授並非首度發表植物人類型論文的研究者,第一個嘗試進行這類實驗的文章來自英國劍橋大學:Owen教授與其團隊要求無意識但清醒的患者去想像在房子裡行走或者是打網球,同時利用功能性磁振造影記錄他們大腦的活動狀態。透過這樣的研究方法,科學家首次得以觀察這些沒有任何外顯行為的患者是否有任何意識跡象,他們發現至少有一個患者能夠依據研究者的指示和想像探索房子的週遭或打網球,即使該患者並沒有任何外顯的行為表現。雖然目前沒有臨床指標可以真正確認是否可以追隨指示和想像特定事物就等同於擁有和一般人相同程度的意識經驗,但此類型的腦造影研究已為未來增進臨床診斷標準開創了嶄新的可能性。除此之外,自我意識還有另一個特性是會對與個人有關的事物產生特定反應,例如自己的名字。中國的研究團隊就利用「喚名 (naming)」這樣特定的刺激材料引發大腦特定的活化形態來區分有意識和無意識的患者,他們發現這些患者對於自己名字的聲音所引發的大腦活化反應和該患者的意識程度呈現某種關聯性。

上述無論是PCI的研究或多模態腦造影整合的研究,目標皆在方便臨床醫療團隊在實務上用以區分意識的有無。但當我們將眼光放到意識損傷的患者(Disorder of Consciousness, DoC)身上,其親友家屬關切的會是另一個更加迫切的問題:患者未來是否可能恢復到比現在更高的意識水平狀態?量測「喚名」的腦部活動型態研究也許可以回答這問題,但目前測試的族群數量仍未達到科學研究的門檻,更多實驗證據仍持續地緩慢進行。臺北醫學大學的研究團隊則從另一角度進行研究。在探討不需要做任何特定事情的狀況下,也就是在休息狀態下大腦活化的型態的研究中,目前已能夠觀察出有無意識者在特定神經網絡上的表現具有顯著差異。順著此研究脈絡,接著便可探討患者的大腦活動狀態是否能推算患者在此後三個月的表現。雖然目前研究結果支持這樣的可能性,仍需要進行更多研究以建立「意識回復預測工具」的可行性,也需要提供更多互補性的證據,而非仰賴如PCI的單一指標來決定該個體是否有意識。

除了避免單一指標評估意識的有無之外,大腦狀態也不是唯一衡量的對象。大腦並非一個可以獨立於身體其他部位而存在的器官──人的身體隨時隨地有許多複雜且重要的交互作用正在進行。而腦和身體的交互作用中心臟扮演極為重要的角色:大腦的狀態會影響心臟的活動狀態,同時,心臟的活動狀態也影響著大腦。因此,這樣的交互作用是研究意識的重要素材。最顯而易見研究心臟的方式就是量測心臟的律動:隨著時間變化跳動的心跳變異率(heart rate variability, HRV)。此類研究到現在已可在某些無意識患者中發現他們的心電圖的確與正常人不同,但目前為止仍沒有有效證據顯示心電圖可以用來區分意識的有無。另外,不是只有大腦會對無預期的聲音產生特殊活化反應,來自歐洲和南美洲的研究團隊發現心臟也會對無預期的聲音產生反應。所以若未來大腦的活化方式也和心臟活動一併被記錄和研究,可能會更有機會區辨意識有無的狀態。

在瞭解了目前科學界對於意識狀態的種種研究後,再回到關於PCI的討論來。前面所描述的研究背後有一個共通的本質被動量測,如研究者記錄著腦造影的訊號且被動地觀察這些訊號是否隨著患者行為或意識程度不同而有變化,並沒有和患者有任何主動的互動。不同於被動式的研究取向,PCI的研究則採用TMS主動干擾患者大腦的活動狀態。因此,相較於量測大腦在休息狀態下的表現,PCI試圖量化大腦對於外界刺激的反應,而「喚名」的系列研究也是利用類似邏輯,科學家量測患者大腦對自己名字的反應。可以想像這如同擲出卵石到一池靜止的湖水而且透過觀察湖水的漣漪來決定這湖水有多深或多黏稠。TMS的作用就如同聲納作用在大腦上,透過TMS所引發在腦波上漣漪表現來區分一個人的意識程度。相對的,休息狀態的研究取向則是單純觀察湖水的表面,能提供的訊息相對有限。量測大腦對外界刺激反應的研究取向在近幾年相當成功,不僅僅是因為給予大腦刺激而引發相對應的反應而已,更重要的是這所謂的外界刺激可以依實驗目的而客制化:如自己的名字、喜歡的歌曲或者甚至是一個簡單的磁刺激,都會有效提升這類型研究的精確性。

作為一個有潛在價值的臨床診斷工具,PCI的研究開啟更多關於意識本身相關的疑問。提出PCI的研究者認為該數值落在0.31時就表示介在有無意識間的臨界值,但同時我們又可以想像這指標可能廣泛的落在0.31之上或之下,而這些微的差異又怎麼表示意識的程度呢? 這是否代表意識的本質不是二分法(非有即無),而是可以更多或是更少?如果某人PCI數值高達0.9是否表示比數值落在0.4的人具有更「多」的意識?若是如此,又該如何定義「更多意識」?是源自於不同的感官層面?越大的數值就表示更深刻的體驗或感受到更廣泛的內容嗎?這些更廣泛的意識經驗內容能對應到這些數值的變化嗎?

       

如果在人類身上可以得到各式各樣PCI數值,同樣的技術套用在其他動物身上會發生什麼事呢?理論上來說,這技術應該可以延伸到量測其他動物的PCI數值。(在不考慮其他變因下)如果我們真的可以這麼做,屆時也是套用相同的意識評估指標在這些動物身上嗎?如果是如此,當我們觀察到某些動物的PCI數值高於0.31,又該如何下結論呢?以章魚為例,牠們有極複雜的神經系統且表現出高度智商的行為,但牠們演化成和人類完全不同的型態。章魚在整個解剖結構和人類相當不同,章魚的PCI數值有任何意義嗎?如果不行,那PCI能說是一個量測意識的通則嗎?或者是只限定於「類人類」的動物的量測方式?但不論PCI或者是其他量測方式,倘若任一指標可以運用到不同生物種類時,屆時我們就得準備好開始回答一個長久存在於哲學和科學間的重要問題:在長久的演化過程中人類是否因為某些特別特質而取得不同於其他動物的意識?或者是否有一種可能,意識的演化過程就如同眼睛在各種生物的演化歷程,不同演化途徑造就出不同形態的意識?在這樣的前提下,也許人類的意識並非如此迥異於其他生物。

雖然過去也有人用不同的方式問著這些重要的問題,但在缺乏一個客觀的標準之下,人們很難回答這些問題。隨著PCI的發展,哲學家和科學家終於可以聚在一起思考這些重要問題,並且找到更好的方式來定義這些相關概念的異同。總結來說,哲學家和科學家可以利用PCI技術或者更創新的研究方法,開始回答這些最根源的問題。

PCI的發展如同Koch教授的描述已經開啟一個有價值臨床研究的契機,藉此有機會改善許多患者的生命。如同以上所討論,這一系列研究也帶我們進入到重要的哲學性問題意識的倫理和本質,不僅如此,也引領我們到一個東西方哲學家已經討論超過兩千年仍未解的習題:我們知道我們自己是有意識的,但我們要如何知道其他人或者是動物是否有意識? 隨著PCI的誕生,以及其他腦造影技術的躍進,為人類帶來首次揭開意識起源的契機。

 

最後修改時間:2018-03-28 AM 9:28

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