傳統(tǒng)非侵入性和新興神經(jīng)調(diào)控技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展

陳傲雪,郭飛龍綜述,任大勇,張克忠審校

0 引 言

軍事人員在備戰(zhàn)和作戰(zhàn)中,往往長期暴露于非理想狀態(tài),包括惡劣的環(huán)境、匱乏的資源以及強(qiáng)烈的生理和心理壓力。這些因素不斷考驗著他們的感知、認(rèn)知、情緒和身體機(jī)能,可能導(dǎo)致神經(jīng)功能的衰退甚至傷病,從而嚴(yán)重影響日常訓(xùn)練和軍事任務(wù)的績效。隨著國際局勢的快速變化和科技水平的日益精進(jìn),未來戰(zhàn)場將更加復(fù)雜且多域化,精簡的軍事人員需在有限的補(bǔ)給和高強(qiáng)度的體能和技術(shù)輸出中持續(xù)作戰(zhàn),因此,軍事梯隊中的每個成員均需維持持久且卓越的身心狀態(tài)。針對這一需求,各國國防科學(xué)界和醫(yī)學(xué)工業(yè)界不斷革新神經(jīng)調(diào)控策略,旨在優(yōu)化神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)醫(yī)療精準(zhǔn)度,實現(xiàn)針對性靶區(qū)和功能調(diào)控,為官兵的戰(zhàn)斗力提升和軍事醫(yī)療的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。本文將對傳統(tǒng)和新興神經(jīng)調(diào)控方式進(jìn)行探討,分析它們在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

1 傳統(tǒng)神經(jīng)調(diào)控

傳統(tǒng)的神經(jīng)調(diào)控手段利用物理(電、磁、光、超聲等)刺激或藥物的傳送,通過植入性或非植入性技術(shù),特異性地調(diào)控中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)活性,改善失眠、疼痛等癥狀,提高生命質(zhì)量,或促進(jìn)神經(jīng)元功能恢復(fù),幫助肢體受損康復(fù)[1]。特別是非侵入性神經(jīng)刺激,包括經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)、經(jīng)顱聚焦超聲刺激、經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)、經(jīng)皮周圍神經(jīng)刺激等常被應(yīng)用于軍事醫(yī)療領(lǐng)域[2],對二十余種神經(jīng)或精神疾病具有良好的治療前景[3]。下面將重點回顧非侵入式神經(jīng)調(diào)控在3種典型軍事醫(yī)療場景中的應(yīng)用,以展示其在軍事領(lǐng)域的實際價值和潛在影響。

1.1創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙的治療根據(jù)美國國防部心理健康卓越中心近期評估顯示有14%的現(xiàn)役人員存在精神健康問題[4]。創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙是其中一種常見的心理障礙,并存在明顯自殺傾向,在軍人等高風(fēng)險職業(yè)人群中普遍具有較高發(fā)病率?，F(xiàn)有的一線臨床藥物和心理治療無法全面改善官兵的情緒癥狀[5]。TMS是利用磁場刺激大腦皮層神經(jīng)元活動的非侵入性技術(shù)。在頭皮上放置一個線圈,產(chǎn)生高強(qiáng)度的磁場脈沖,刺激大腦皮層神經(jīng)元,從而調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動。美國食品和藥物管理局已批準(zhǔn)TMS應(yīng)用于多種神經(jīng)精神疾病,如強(qiáng)迫癥、戒煙和焦慮抑郁癥[6],其安全性和耐受性得到廣泛證實[7]。此外,越來越多的證據(jù)支持TMS在治療官兵創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙方面具有顯著的效果, 能夠改善患者的情緒和認(rèn)知功能,降低自殺發(fā)生率[8-11]。

1.2認(rèn)知能力的提高非侵入式神經(jīng)刺激可以通過刺激大腦皮層,有助于提高認(rèn)知能力,包括學(xué)習(xí)能力、記憶力、決策能力等,對于軍事訓(xùn)練和作戰(zhàn)能力的提高都具有重要意義。許多早期研究已明確了TMS在優(yōu)化認(rèn)知或?qū)蛊谥械臐摿12]。近年來TMS也被證實可提高官兵的射擊準(zhǔn)確度、反應(yīng)速度和判斷能力,從而提高作戰(zhàn)效能[13]。持續(xù)注意力(又稱警惕性),是指長時間保持目標(biāo)導(dǎo)向行為和對環(huán)境中的間歇性目標(biāo)作出反應(yīng)的能力,對于執(zhí)行軍事任務(wù)具有至關(guān)重要的作用。隨著任務(wù)時間的延長,目標(biāo)檢測能力減弱,反應(yīng)時間增加,警惕性出現(xiàn)下降。研究發(fā)現(xiàn)tDCS可有效改善大腦中動脈血流速度,增加前額葉皮層相關(guān)氧合水平,使被試者的警惕性恢復(fù)至基線狀態(tài)[14]。相比于咖啡因,tDCS表現(xiàn)出更有效糾正疲勞和警惕性下降的能力[15],有助于減少軍事活動中的人力需求。同時,使用tDCS也可增強(qiáng)記憶,提高復(fù)雜運(yùn)動技能的學(xué)習(xí)能力[16]。通過刺激枕大神經(jīng),誘導(dǎo)藍(lán)斑-去甲腎上腺素能系統(tǒng)激活,促進(jìn)去甲腎上腺素的釋放,加強(qiáng)藍(lán)斑、杏仁核與海馬之間的功能連接[17]。

1.3疼痛的緩解疼痛是一種常見的軍事傷害后遺癥,常導(dǎo)致患者的生活質(zhì)量下降。神經(jīng)刺激調(diào)控可顯著減輕患者的疼痛感[18]。除反復(fù)tDCS療程中明確的短期頭痛緩解獲益,Volta等[19]還觀察到,最后一次刺激后3個月,80%的患者每月頭痛頻率,以及頭痛持續(xù)的時間和強(qiáng)度等疼痛評分參數(shù)依然降低50%。對側(cè)運(yùn)動皮層高頻重復(fù)TMS對慢性難治性面部疼痛具有明顯鎮(zhèn)痛維持作用[20]。研究證實TMS在25周甚至2.8年的時間范圍內(nèi)均具有顯著降低疼痛強(qiáng)度的療效[21-22]。非侵入性神經(jīng)調(diào)控存在長期疼痛緩解的可能性。關(guān)于鎮(zhèn)痛現(xiàn)象的機(jī)制解釋現(xiàn)有3種假說:①廣泛的大腦皮層尤其是初級運(yùn)動皮層的調(diào)控[23-24];②內(nèi)源性阿片類藥物系統(tǒng)的激活[25-26];③促進(jìn)γ-氨基丁酸的釋放,改善皮層抑制的損傷[27]。神經(jīng)刺激調(diào)控的疼痛治療效果個體差異性較大,潛在機(jī)制復(fù)雜多樣,有待進(jìn)一步闡明。

傳統(tǒng)神經(jīng)調(diào)控具有非侵入性、可逆性、無需麻醉和無不良反應(yīng)等優(yōu)勢,為其在日常軍事活動中的應(yīng)用提供了廣闊的前景。然而,這些技術(shù)同時存在刺激范圍有限、個體差異等局限性。為確保在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)最大效益,未來研究需要進(jìn)一步探討最佳刺激參數(shù)及個體化治療方案的確定。這將有助于克服傳統(tǒng)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)在實際應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn),使其更好地服務(wù)于軍事醫(yī)療領(lǐng)域。

2 新興神經(jīng)調(diào)控

腦機(jī)接口(brain-computer interface,BCI)作為一種新興的神經(jīng)調(diào)控技術(shù),通過在人或動物腦(或腦細(xì)胞培養(yǎng)物)與計算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立一種不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路(如外周神經(jīng)和肌肉組織)的全新通訊和控制技術(shù)[28]。BCI技術(shù)通過采集、解碼和轉(zhuǎn)換腦電信號實現(xiàn)人機(jī)交互,具有侵入式、半侵入式和非侵入式三種類型。侵入式BCI需要外科手術(shù)將微電極植入大腦皮質(zhì),直接接觸神經(jīng)元和組織來獲取腦電信號。然而,由于異物置入,這種方法存在安全風(fēng)險[29]。相對而言,半侵入式BCI將電極置于硬腦膜或蛛網(wǎng)膜上,以獲得皮層腦電圖信號,其信號質(zhì)量較好且侵入程度較低。非侵入式BCI則將電極置于頭皮上、顱骨之外,直接采集頭皮腦電波。雖然非侵入式BCI在便攜性和安全性方面具有優(yōu)勢,但其信號量和信息準(zhǔn)確度相對較差[30]。綜上所述,每種類型的BCI都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點,因此在實際應(yīng)用中需根據(jù)具體需求和場景選擇合適的BCI技術(shù)。未來研究應(yīng)關(guān)注如何克服各類BCI技術(shù)的局限性,以及提高其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用效果,從而為人機(jī)交互的發(fā)展提供更多創(chuàng)新性和實用性的解決方案。BCI技術(shù)已在諸如醫(yī)療、教育和娛樂等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用,同時在軍事領(lǐng)域也開始展現(xiàn)其重要作用。

2.1BCI在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1.1 智能輔助裝備BCI可應(yīng)用于智能輔助裝備中,如智能頭盔、手套、無人機(jī)等。通過記錄和解碼大腦信號,實現(xiàn)對裝備的控制和操作。美國陸軍研究實驗室使用3D打印技術(shù)來制造出完全適合每個用戶的頭盔,然后結(jié)合腦電圖傳感器來監(jiān)測大腦活動,評估認(rèn)知工作量和身心壓力,同時官兵可通過BCI技術(shù)控制智能頭盔內(nèi)置的攝像頭,實現(xiàn)目標(biāo)識別和跟蹤,從而提高作戰(zhàn)效率[31]。在無人機(jī)領(lǐng)域,官兵可通過BCI技術(shù)實現(xiàn)對無人機(jī)系統(tǒng)的無線控制,包括關(guān)閉系統(tǒng)或發(fā)射武器等。美國防高級研究計劃局、美國陸軍研究實驗室和匹茲堡大學(xué)聯(lián)合開展了一項實驗,為受試者的運(yùn)動皮層植入兩個96微電極陣列。通過評估執(zhí)行指令的機(jī)動調(diào)節(jié)、保持飛行路徑和避免俯沖、旋轉(zhuǎn)和墜毀等控制損失的能力,研究人員定性地確定了成功飛行的可能性。研究結(jié)束時,受試者已可成功利用BCI操作飛行模擬器[32]。伴隨著頭戴式顯示器的出現(xiàn),研究人員逐漸嘗試將虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)融入BCI,以實現(xiàn)“腦控”無人機(jī)。這些嘗試均取得了顯著進(jìn)展[33]。

2.1.2戰(zhàn)斗訓(xùn)練在虛擬實境、模擬戰(zhàn)場等戰(zhàn)斗訓(xùn)練中,可通過BCI技術(shù)記錄官兵的行為和反應(yīng),從而評估其戰(zhàn)斗能力和訓(xùn)練效果。例如,美國陸軍研究實驗室牽頭的一項基于腦電圖數(shù)據(jù)的研究,旨在預(yù)測官兵在昏睡和警覺狀態(tài)下的深度學(xué)習(xí)能力,為訓(xùn)練優(yōu)化提供依據(jù)[31]。此外,美國防高級研究計劃局資助的“恢復(fù)活躍記憶”項目探討了如何識別患者大腦中的記憶編碼或模式,并通過編寫腦細(xì)胞代碼以改善現(xiàn)有記憶。研究者采用“非線性多輸入多輸出”模型計算海馬CA3和CA1神經(jīng)元放電,并通過神經(jīng)集合的時空發(fā)射編碼記憶。結(jié)合電刺激技術(shù),實驗結(jié)果顯示受試者的短期記憶力在基線水平上提高了35%[34]。BCI大腦植入物還可利用算法識別不同的情感狀態(tài),幫助軍事人員更好地應(yīng)對戰(zhàn)場上的情緒波動和壓力。

2.1.3戰(zhàn)斗傷害治療BCI在傷殘官兵的運(yùn)動康復(fù)中具有很好的應(yīng)用前景,幫助他們恢復(fù)肢體的功能。既往的研究表明,盡管癱瘓患者的大腦依然具有產(chǎn)生運(yùn)動意圖的能力,但受損的神經(jīng)通路,使這些意圖無法順利傳達(dá)到相應(yīng)的運(yùn)動肌肉,進(jìn)而導(dǎo)致行為能力受限。然而,BCI突破了這一難題,將大腦受損神經(jīng)系統(tǒng)周圍的運(yùn)動信號轉(zhuǎn)換成機(jī)器指令,并通過傳遞和控制機(jī)械臂等外部設(shè)備來實現(xiàn)對失去運(yùn)動功能的替代。通過對四肢癱瘓病人植入初級運(yùn)動皮層的96微電極陣列,記錄的神經(jīng)元集合活動表明,脊髓損傷3年后,有意圖的手部運(yùn)動調(diào)節(jié)了皮質(zhì)尖峰模式,由此研究人員獲得神經(jīng)解碼器,實現(xiàn)了多關(guān)節(jié)機(jī)械臂執(zhí)行簡單抓取動作[35]。2014 年美國防高級研究計劃局啟動“手部本體感受和觸感界面”計劃,不斷提升機(jī)械臂的人體還原度。2019 年美國猶他大學(xué)發(fā)表“LUKE 手臂”的最新測試數(shù)據(jù),與傳統(tǒng)假肢的無觸覺金屬抓手不同,研究團(tuán)隊引入透明硅“皮膚”,結(jié)合包含100個微電極的“猶他斜電極陣列”,創(chuàng)建出可感知軟硬觸覺的新型機(jī)械臂,并可通過傳感器將“握力”信息反饋給受試者,以便進(jìn)行精細(xì)運(yùn)動調(diào)整[36]。

2.2BCI在軍事領(lǐng)域的未來發(fā)展方向

2.2.1 多模態(tài)腦機(jī)接口(multimodal brain-computer interface,MMBCI)未來的BCI技術(shù)將會更加多樣化和復(fù)雜化,MMBCI將成為其中一個重要的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)單一傳感器或設(shè)備的BCI相比,MMBCI可同時結(jié)合多種傳感器技術(shù)和設(shè)備,如眼動、語音等,獲取多種腦信號和生理信號,研究人員可獲得更全面的生理信息,實現(xiàn)更加準(zhǔn)確和自然的腦機(jī)交互[37-38]。此外,MMBCI還有助于解決傳統(tǒng)單一模態(tài)BCI所面臨的一些挑戰(zhàn),如信號強(qiáng)度較弱、易受干擾等問題,從而提高整體系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。MMBCI的出現(xiàn),不僅優(yōu)化了用戶體驗,還拓寬了可擴(kuò)展性和應(yīng)用前景。

2.2.2腦-機(jī)-體一體化(brain-computer-bodyinterface,BCBI)未來BCI技術(shù)將朝著更加融合和一體化的方向發(fā)展,實現(xiàn)腦-機(jī)-體的無縫連接?？蓪⒛X信號與人體外設(shè)備、假肢等外部設(shè)備緊密結(jié)合,旨在實現(xiàn)人體功能的擴(kuò)展和增強(qiáng),包括官兵和機(jī)器人的協(xié)同作戰(zhàn),以及對運(yùn)動控制精度的提升[39]。BCBI技術(shù)將會是未來在各領(lǐng)域均有巨大發(fā)展空間和應(yīng)用價值的人機(jī)交互模式。

2.2.3倫理問題BCI的倫理問題一直備受關(guān)注和爭議,因其讀取和分析人的腦電波等信息,這可能會侵犯隱私權(quán)。當(dāng)實現(xiàn)人機(jī)交互時,如果大腦也像電腦可以被黑客攻擊,對人的行為和思維進(jìn)行控制,侵犯個人的自主權(quán),并可能破壞社會秩序。此外,侵入式的BCI因開顱手術(shù),外源性植入物引起的炎癥反應(yīng),其安全性也有待革新提升。因此為了解決這一系列倫理問題,需要制定相應(yīng)的法律法規(guī)和倫理準(zhǔn)則,對BCI的應(yīng)用進(jìn)行規(guī)范和監(jiān)管,充分尊重參與者的個人意愿。同時,也需要加強(qiáng)技術(shù)研發(fā),提高腦機(jī)接口技術(shù)的安全性和穩(wěn)定性,從而保障人們的權(quán)益和安全[40]。

3 結(jié) 語

神經(jīng)調(diào)控技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的許多方面,如提高官兵的感知,治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙等。尤其是BCI更是未來軍事領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。盡管這些技術(shù)非常有實戰(zhàn)應(yīng)用前景,但也面臨著一些挑戰(zhàn)和限制,包括安全性和長期效果的評估。我們期待著未來能有更多跨學(xué)科的研究涌現(xiàn)出來,提供更智能化的戰(zhàn)斗裝備和更高效的康復(fù)系統(tǒng),以進(jìn)一步拓展這些技術(shù)的應(yīng)用范圍,并解決當(dāng)前存在的問題。