Nature: 科学者がディープラーニングを使って初めて人間の意識を定量化

今、科学者たちは人間の意識について新たな理解を得ています!

この研究では、ディープラーニングアルゴリズムなどの AI 手法を使用して謎を解き明かします。

そうなりました！睡眠、全身麻酔、重度の脳損傷など、さまざまな状況下での意識が効果的に測定されています。

人間の意識を定量化する

最近、HBP SGA3 と DoCMA が関与する EU 資金提供プロジェクトは大きな進歩を遂げ、人間の意識を定量化できるようになりました。

「説明可能なディープラーニングを用いたさまざまな状態における覚醒と意識の定量化」と題されたこの論文は、今年2月25日にネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された。

全文ダウンロードアドレス: https://www.nature.com/articles/s41467-022-28451-0

このプロジェクトは韓国の高麗大学のミンジ・リー氏が主導し、ベルギーのリエージュ大学などが協力している。

ミンジ・リー、論文筆頭著者、韓国、高麗大学脳認知工学部

この研究で、研究チームは、科学者が意識のさまざまな要素を調査するのに役立つ、説明可能な意識指標（ECI）を作成することに成功しました。

意識は 2 つの部分で説明されます。1 つは「覚醒状態」を意味する「覚醒」、もう 1 つは「認識」と呼ばれ、人の「認知能力」を指します。

つまり、通常の人が目を開けるということは、その人が「覚醒状態」にあることを意味します。さまざまな指示を受け取り、それに従って行動できる場合、それは彼が「認知能力」を持っていることを意味します。

しかし、夢を見ない睡眠、夢を見る睡眠、麻酔、重度の脳損傷など、さまざまな状況下では、人々の意識レベルは異なります。

この研究では、睡眠、全身麻酔、重度の脳損傷の 3 種類の実験データを使用し、それぞれ 6、16、34 の観察サンプルを取得しました。

今のところ、意識を定量化した研究はこれが初めてであり、実験では比較的信頼性の高いデータが得られています。

しかし、論文の共著者であり、リエージュ大学コーマ研究グループのディレクターであるオリビア・ゴセリーズ氏は、「この新しいツールを臨床診療に適用し、オンラインのリアルタイムツールを開発するには、さらなる研究が必要だ」と述べた。

オリビア・ゴセリーズ、リエージュ大学、ベルギー

オリビアさんは、ECI 意識インジケーターが手術室や ICU で使用できるようになるまでには、まだ長い道のりがあると考えています。

ECI 認識指標

ECI の支援を受けて研究はどのように行われますか?これは、ECI 認識指標フレームワークの概略図です。

仕組みは段階的に説明できます:

最初のステップは、元の EEG 信号を 3D 時空間マトリックスに変換することです。

2 番目のステップでは、変換された 3D 特徴が、畳み込みニューラル ネットワークの 2 つの意識コンポーネント、「覚醒状態」と「認知能力」に使用されます。意識の各状態において、EEG データは低と高の 2 つのカテゴリにトレーニングされます。

3 番目のステップでは、各意識状態のクラス間確率を平均し、各セッションの ECI を計算するために使用しました。

最終段階として、この研究では階層的関連性伝播（LRP）を使用して、モデルがどの脳信号を学習したか、そしてなぜそのような決定を下したかを調べました。

研究では、ECI意識指標はディープラーニングの助けを借りて「覚醒状態」と「認知能力」を区別できることが指摘された。

プラス記号は高レベルを示し、マイナス記号は低レベルを示します

研究者らは、この新しい研究ツールは信頼できる「識別器」であり、意識を測定する客観的なツールであると述べている。

同時に、ECI は、手術中の麻酔導入の監視や昏睡や植物状態の診断など、さまざまな状況における患者の臨床ケアのレベルを向上させる可能性もあります。

研究によると、上の図に示すように、「覚醒レベル」と「認知能力」はほとんどの州で一貫しており、「覚醒」と「認知能力」の列には同じ「+」と「-」が表示されています。

しかし、ケタミンによって誘発されるレム睡眠（急速眼球運動）状態と麻酔状態は、「覚醒度」が低く、「認知能力」が高く、他の状態とは大きく異なります。

論文の2人目の著者である韓国の高麗大学人工知能学部のイ・ソンファン教授は、この論文は「覚醒レベル」と「認知レベル」を同時に定量化できる新技術であるECI意識測定を世界初実証したと述べた。

この研究では、生理学的、薬理学的、病理学的の 3 つのカテゴリで 8 つの意識状態が説明されました。

生理学的状態において、第一のカテゴリーである通常の覚醒状態は「覚醒度」が高く、「認知能力」も高い。第二のカテゴリーである夢を見ている急速眼球運動（REM）睡眠状態は「覚醒度」が低く、「認知能力」も高い。第三のカテゴリーである夢を見ない非急速眼球運動（NREM）睡眠状態は「覚醒度」が低く、「認知能力」も低い。

薬理学的状態では、第 4 のカテゴリであるケタミン麻酔は「意識レベル」が低く、「認知能力」が高いです。第 5 のカテゴリであるプロポフォールまたはキセノン誘発麻酔は「意識レベル」が低く、「認知能力」が低いです。

病的状態のうち、6 番目のカテゴリである最小意識状態 (MCS) は、「覚醒度」と「認知能力」が高いのが特徴です。7 番目のカテゴリである無力最小意識状態 (MCS*) は、「覚醒度」と「認知能力」が高いのが特徴です。8 番目のカテゴリである無反応覚醒症候群 (UWS) は、「覚醒度」と「認知能力」が低いのが特徴です。

さらに、脳の頭頂葉領域は、人の「覚醒レベル」と「認知能力」の測定に最も関連しています。

このHBP SGA3（正式名称：Human Brain Project Specific Grant Agreement 3）は、ヒト脳研究プロジェクトの最終段階であると報告されています。

このコラボレーションは非常に実り多いものであり、EBRAINS 共有データ プラットフォーム ツールが大規模な人間の神経画像セットの研究に非常に効果的であることが実証されました。

今後、定量化された意識を研究する専門家は、HBP グループの成果の一部を活用して、デジタル神経科学と脳科学の発展を継続していくでしょう。