衡量可衡量的，让不可衡量的变得可衡量.
伽利略·伽利莱是科学的奠基人之一，他的这句名言是对才华横溢的实验室科学家、临床医生和理论家发出的战斗号召，旨在使意识可衡量：制造一种仪器，可以分辨出那些俯卧、无反应或行为像反射一样的人，实际上是否意识到某些事物——任何事物。 这种“意识测量仪”应该可靠地区分正在做生动梦境的睡眠者（即使她稍后不记得大部分梦境内容）和无梦、深度睡眠、没有任何感觉的睡眠者。 不仅仅是黑色，而是虚无，nichts, nada, rien。 或者区分深度麻醉、对正在进行的腹部手术一无所知的患者，以及罕见的“麻醉意识”病例。 这种设备还应该能够分辨出一位脑部严重受伤的患者，他的脑电图 (EEG) 可能呈直线，但他正在呻吟，偶尔移动头部或四肢，是正在经历痛苦或苦恼，还是真的没有意识——活着但对世界一无所知。
大多数意识学者都认为，意识到某事就是拥有单一、整合的体验。 例如，当观看日落时，你无法将鲜艳的紫橙色调与即将沉入地平线的明亮球体分开。 除非你是色盲，否则颜色是你体验的整体方面。 当你向外看着世界时，你无法让自己只意识到你视野的左半部分或右半部分。 你会同时体验到两者。 无论你意识到什么信息，都会完整而完全地呈现给你的大脑；它无法被细分。
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在这种意识统一性的背后是大脑相关部分之间的大量因果互动，这些互动创造了心智。 如果大脑区域开始断开连接或变得碎片化和巴尔干化，就像深度睡眠或麻醉时发生的那样，意识就会消退，甚至可能完全消失。 神经科学家、精神病学家以及睡眠和意识专家朱利奥·托诺尼在威斯康星大学麦迪逊分校将意识的这种现象方面作为其意识整合信息理论的核心 [参见“意识的‘复杂’理论”，意识重述；2009年7月/8月]。
托诺尼与他的同事马尔切洛·马西米尼（现任意大利米兰大学教授）以及其他几位人士一起，着手测量睡眠期间和各种病理状态下大脑的整合程度。
意识之钟
在一系列实验中，研究人员通过一种称为经颅磁刺激 (TMS) 的技术，向志愿者的头部传递单次高场磁能脉冲。 将一个塑料封装的线圈贴在头皮上放电，会在颅骨下方的灰质中感应出短暂的电流（受试者会感到皮肤受到刺激时有轻微刺痛感）。 这种脉冲会激发脑细胞和附近的通路纤维，反过来，这些纤维将与突触连接的神经元接合，形成在大脑内部回响的活动级联。 这种电活动很快就会消退。
托诺尼和马西米尼在受试者的头皮上安装了 64 个电极，用于记录脑电图，受试者要么安静地休息，要么睡觉。 当清醒时，志愿者的脑电图在 TMS 脉冲后显示出快速、周期性脑电波的典型起伏模式，持续约三分之一秒。 对脑电图信号的数学分析表明，高振幅电位的热点从 TMS 线圈定位处的运动前皮层，传播到另一半球中匹配的运动前皮层、运动皮层和后顶叶皮层。 将大脑想象成一个巨大的教堂钟，将 TMS 设备想象成钟槌。 一旦敲击，一个铸造精良的钟会以其特征音调响相当长一段时间。 清醒的皮层也是如此，每秒嗡嗡作响 10 到 40 次。
相比之下，深度睡眠者的脑部就像一个发育不良、音调失调的钟。 虽然脑电图的初始振幅比受试者清醒时更大，但其持续时间要短得多，并且不会在皮层中回响到其他连接区域。 尽管神经元在睡眠中仍然活跃，正如强烈的局部反应所证明的那样，但整合已经崩溃。 清醒大脑典型的空间分化和时间变化的电活动序列很少存在。 接受丙泊酚或氙气全身麻醉的受试者也是如此。 TMS 脉冲总是产生简单的局部反应，表明皮质-皮质相互作用的崩溃和整合的减少。
探测患者的意识
当严重损伤袭击大脑时，意识可能无法恢复。 车祸、跌倒、战斗伤、药物或酒精过量、溺水——任何这些都可能导致深度昏迷。 感谢救援直升机和急救医疗技术人员，他们迅速将受害者送到由专业的创伤护士和医生组成的团队手中，许多患者可以从死亡边缘被拉回来。 虽然这对大多数人来说是一种祝福，但对少数人来说却是一种诅咒。 他们活着多年，从未恢复意识，像行尸走肉一样。
意识障碍状态包括昏迷、植物人状态和微意识状态。 总体唤醒水平从昏迷的完全缺失，到植物人状态的周期性睡眠-觉醒转换，到微意识状态的有目的运动的意识觉醒，再到或多或少的持续意识。
仅在美国，就有多达 25,000 名患者多年处于持续植物人状态。 让情况几乎无法忍受的是，他们看起来和表现得好像完全在场。 事实上，这些患者有每日的睡眠-觉醒周期。 当他们“醒来”时，他们的眼睛是睁开的，他们可能会反射性地移动；他们可能会做鬼脸、转头、呻吟。 对于天真的观察者来说，这些动作和声音表明患者是清醒的，试图与亲人交流。 毁坏的患者空白而空虚的生活的悲剧，在临终关怀医院和疗养院中绝望地延续了几十年，被她的家人在她的护理上花费的爱——以及资源——所映衬和放大，他们总是希望奇迹般的康复。
你可能还记得佛罗里达州的特里·夏沃，她在持续植物人状态中徘徊了 15 年，直到 2005 年因医疗诱导死亡。 由于她的丈夫（主张停止生命维持）和她的父母（他们认为女儿有一定的意识）之间发生了令人讨厌的公开争吵，该案件在司法链中被反复诉讼，最终甚至吸引了时任总统乔治·W·布什。 从医学上讲，她的案例没有争议。 她有短暂的自动症发作：转头、眼球运动等，但没有可重复或一致的、有目的的行为。 她的脑电图呈直线，表明她的大脑皮层已经关闭。 她的病情多年来没有改善。 尸检显示，她的大脑皮层萎缩了一半，视觉中心萎缩；因此，与当时的公众报道相反，她不可能看到任何东西。
与夏沃相反，微意识患者有非反射反应的波动迹象，例如用眼睛追逐目标或对简单命令做出口头或手部反应。 植物人状态患者的意识已经消失，而微意识患者的意识则部分保留。 当然，区分两者绝对至关重要。 然而，仅凭基于行为的措施通常无法做到这一点。
比利时列日大学医院的神经学家史蒂文·劳雷斯、马西米尼、托诺尼及其同事测量了此类患者的大脑整合范围。 他们对睁着眼睛的患者的顶叶或额叶施加了 TMS 脉冲。 结果是明确的。 植物人状态的患者具有简单且局部的脑电图反应——通常是缓慢的、单一的正负波（当他们有任何反应时）——类似于深度睡眠和麻醉反应。 相反，在微意识患者中，磁脉冲触发了健康、清醒受试者预期的复杂电反应。 此外，还从重症监护室招募了五名患者，他们在从昏迷中醒来后立即接受了测试。 其中三名最终恢复了意识，两名没有。
在那些确实恢复的患者中，意识的出现之前是脑电图对磁脉冲反应的延长和复杂化——它们从单一的局部波进展到更丰富的时空模式。 换句话说，这种方法可以充当粗略的意识测量仪。 微型化的 TMS 线圈与带有少量电极的脑电图设备相结合，可以很容易地组装成一台仪器。
通过这种方式，对意识的理论见解与造福许多人的临床实践相结合。