衡量可衡量的，讓不可衡量的變得可衡量.
伽利略·伽利萊是科學的奠基人之一，他的這句名言是對才華橫溢的實驗室科學家、臨床醫生和理論家發出的戰鬥號召，旨在使意識可衡量：製造一種儀器，可以分辨出那些俯臥、無反應或行為像反射一樣的人，實際上是否意識到某些事物——任何事物。 這種“意識測量儀”應該可靠地區分正在做生動夢境的睡眠者（即使她稍後不記得大部分夢境內容）和無夢、深度睡眠、沒有任何感覺的睡眠者。 不僅僅是黑色，而是虛無，nichts, nada, rien。 或者區分深度麻醉、對正在進行的腹部手術一無所知的患者，以及罕見的“麻醉意識”病例。 這種裝置還應該能夠分辨出一位腦部嚴重受傷的患者，他的腦電圖 (EEG) 可能呈直線，但他正在呻吟，偶爾移動頭部或四肢，是正在經歷痛苦或苦惱，還是真的沒有意識——活著但對世界一無所知。
大多數意識學者都認為，意識到某事就是擁有單一、整合的體驗。 例如，當觀看日落時，你無法將鮮豔的紫橙色調與即將沉入地平線的明亮球體分開。 除非你是色盲，否則顏色是你體驗的整體方面。 當你向外看著世界時，你無法讓自己只意識到你視野的左半部分或右半部分。 你會同時體驗到兩者。 無論你意識到什麼資訊，都會完整而完全地呈現給你的大腦；它無法被細分。
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在這種意識統一性的背後是大腦相關部分之間的大量因果互動，這些互動創造了心智。 如果大腦區域開始斷開連線或變得碎片化和巴爾幹化，就像深度睡眠或麻醉時發生的那樣，意識就會消退，甚至可能完全消失。 神經科學家、精神病學家以及睡眠和意識專家朱利奧·託諾尼在威斯康星大學麥迪遜分校將意識的這種現象方面作為其意識整合資訊理論的核心 [參見“意識的‘複雜’理論”，意識重述；2009年7月/8月]。
託諾尼與他的同事馬爾切洛·馬西米尼（現任義大利米蘭大學教授）以及其他幾位人士一起，著手測量睡眠期間和各種病理狀態下大腦的整合程度。
意識之鐘
在一系列實驗中，研究人員透過一種稱為經顱磁刺激 (TMS) 的技術，向志願者的頭部傳遞單次高場磁能脈衝。 將一個塑膠封裝的線圈貼在頭皮上放電，會在顱骨下方的灰質中感應出短暫的電流（受試者會感到皮膚受到刺激時有輕微刺痛感）。 這種脈衝會激發腦細胞和附近的通路纖維，反過來，這些纖維將與突觸連線的神經元接合，形成在大腦內部迴響的活動級聯。 這種電活動很快就會消退。
託諾尼和馬西米尼在受試者的頭皮上安裝了 64 個電極，用於記錄腦電圖，受試者要麼安靜地休息，要麼睡覺。 當清醒時，志願者的腦電圖在 TMS 脈衝後顯示出快速、週期性腦電波的典型起伏模式，持續約三分之一秒。 對腦電圖訊號的數學分析表明，高振幅電位的熱點從 TMS 線圈定位處的運動前皮層，傳播到另一半球中匹配的運動前皮層、運動皮層和後頂葉皮層。 將大腦想象成一個巨大的教堂鍾，將 TMS 裝置想象成鍾槌。 一旦敲擊，一個鑄造精良的鐘會以其特徵音調響相當長一段時間。 清醒的皮層也是如此，每秒嗡嗡作響 10 到 40 次。
相比之下，深度睡眠者的腦部就像一個發育不良、音調失調的鐘。 雖然腦電圖的初始振幅比受試者清醒時更大，但其持續時間要短得多，並且不會在皮層中迴響到其他連線區域。 儘管神經元在睡眠中仍然活躍，正如強烈的區域性反應所證明的那樣，但整合已經崩潰。 清醒大腦典型的空間分化和時間變化的電活動序列很少存在。 接受丙泊酚或氙氣全身麻醉的受試者也是如此。 TMS 脈衝總是產生簡單的區域性反應，表明皮質-皮質相互作用的崩潰和整合的減少。
探測患者的意識
當嚴重損傷襲擊大腦時，意識可能無法恢復。 車禍、跌倒、戰鬥傷、藥物或酒精過量、溺水——任何這些都可能導致深度昏迷。 感謝救援直升機和急救醫療技術人員，他們迅速將受害者送到由專業的創傷護士和醫生組成的團隊手中，許多患者可以從死亡邊緣被拉回來。 雖然這對大多數人來說是一種祝福，但對少數人來說卻是一種詛咒。 他們活著多年，從未恢復意識，像行屍走肉一樣。
意識障礙狀態包括昏迷、植物人狀態和微意識狀態。 總體喚醒水平從昏迷的完全缺失，到植物人狀態的週期性睡眠-覺醒轉換，到微意識狀態的有目的運動的意識覺醒，再到或多或少的持續意識。
僅在美國，就有多達 25,000 名患者多年處於持續植物人狀態。 讓情況幾乎無法忍受的是，他們看起來和表現得好像完全在場。 事實上，這些患者有每日的睡眠-覺醒週期。 當他們“醒來”時，他們的眼睛是睜開的，他們可能會反射性地移動；他們可能會做鬼臉、轉頭、呻吟。 對於天真的觀察者來說，這些動作和聲音表明患者是清醒的，試圖與親人交流。 毀壞的患者空白而空虛的生活的悲劇，在臨終關懷醫院和療養院中絕望地延續了幾十年，被她的家人在她的護理上花費的愛——以及資源——所映襯和放大，他們總是希望奇蹟般的康復。
你可能還記得佛羅里達州的特里·夏沃，她在持續植物人狀態中徘徊了 15 年，直到 2005 年因醫療誘導死亡。 由於她的丈夫（主張停止生命維持）和她的父母（他們認為女兒有一定的意識）之間發生了令人討厭的公開爭吵，該案件在司法鏈中被反覆訴訟，最終甚至吸引了時任總統喬治·W·布什。 從醫學上講，她的案例沒有爭議。 她有短暫的自動症發作：轉頭、眼球運動等，但沒有可重複或一致的、有目的的行為。 她的腦電圖呈直線，表明她的大腦皮層已經關閉。 她的病情多年來沒有改善。 屍檢顯示，她的大腦皮層萎縮了一半，視覺中心萎縮；因此，與當時的公眾報道相反，她不可能看到任何東西。
與夏沃相反，微意識患者有非反射反應的波動跡象，例如用眼睛追逐目標或對簡單命令做出口頭或手部反應。 植物人狀態患者的意識已經消失，而微意識患者的意識則部分保留。 當然，區分兩者絕對至關重要。 然而，僅憑基於行為的措施通常無法做到這一點。
比利時列日大學醫院的神經學家史蒂文·勞雷斯、馬西米尼、託諾尼及其同事測量了此類患者的大腦整合範圍。 他們對睜著眼睛的患者的頂葉或額葉施加了 TMS 脈衝。 結果是明確的。 植物人狀態的患者具有簡單且區域性的腦電圖反應——通常是緩慢的、單一的正負波（當他們有任何反應時）——類似於深度睡眠和麻醉反應。 相反，在微意識患者中，磁脈衝觸發了健康、清醒受試者預期的複雜電反應。 此外，還從重症監護室招募了五名患者，他們在從昏迷中醒來後立即接受了測試。 其中三名最終恢復了意識，兩名沒有。
在那些確實恢復的患者中，意識的出現之前是腦電圖對磁脈衝反應的延長和複雜化——它們從單一的區域性波進展到更豐富的時空模式。 換句話說，這種方法可以充當粗略的意識測量儀。 微型化的 TMS 線圈與帶有少量電極的腦電圖裝置相結合，可以很容易地組裝成一臺儀器。
透過這種方式，對意識的理論見解與造福許多人的臨床實踐相結合。