传统非侵入性和新兴神经调控技术在军事领域中的应用进展

陈傲雪,郭飞龙综述,任大勇,张克忠审校

0 引 言

军事人员在备战和作战中,往往长期暴露于非理想状态,包括恶劣的环境、匮乏的资源以及强烈的生理和心理压力。这些因素不断考验着他们的感知、认知、情绪和身体机能,可能导致神经功能的衰退甚至伤病,从而严重影响日常训练和军事任务的绩效。随着国际局势的快速变化和科技水平的日益精进,未来战场将更加复杂且多域化,精简的军事人员需在有限的补给和高强度的体能和技术输出中持续作战,因此,军事梯队中的每个成员均需维持持久且卓越的身心状态。针对这一需求,各国国防科学界和医学工业界不断革新神经调控策略,旨在优化神经系统相关医疗精准度,实现针对性靶区和功能调控,为官兵的战斗力提升和军事医疗的发展做出更大的贡献。本文将对传统和新兴神经调控方式进行探讨,分析它们在军事领域的应用现状和发展趋势。

1 传统神经调控

传统的神经调控手段利用物理(电、磁、光、超声等)刺激或药物的传送,通过植入性或非植入性技术,特异性地调控中枢和外周神经系统活性,改善失眠、疼痛等症状,提高生命质量,或促进神经元功能恢复,帮助肢体受损康复[1]。特别是非侵入性神经刺激,包括经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)、经颅聚焦超声刺激、经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)、经皮周围神经刺激等常被应用于军事医疗领域[2],对二十余种神经或精神疾病具有良好的治疗前景[3]。下面将重点回顾非侵入式神经调控在3种典型军事医疗场景中的应用,以展示其在军事领域的实际价值和潜在影响。

1.1创伤后应激障碍的治疗根据美国国防部心理健康卓越中心近期评估显示有14%的现役人员存在精神健康问题[4]。创伤后应激障碍是其中一种常见的心理障碍,并存在明显自杀倾向,在军人等高风险职业人群中普遍具有较高发病率。现有的一线临床药物和心理治疗无法全面改善官兵的情绪症状[5]。TMS是利用磁场刺激大脑皮层神经元活动的非侵入性技术。在头皮上放置一个线圈,产生高强度的磁场脉冲,刺激大脑皮层神经元,从而调节大脑神经网络的活动。美国食品和药物管理局已批准TMS应用于多种神经精神疾病,如强迫症、戒烟和焦虑抑郁症[6],其安全性和耐受性得到广泛证实[7]。此外,越来越多的证据支持TMS在治疗官兵创伤后应激障碍方面具有显著的效果, 能够改善患者的情绪和认知功能,降低自杀发生率[8-11]。

1.2认知能力的提高非侵入式神经刺激可以通过刺激大脑皮层,有助于提高认知能力,包括学习能力、记忆力、决策能力等,对于军事训练和作战能力的提高都具有重要意义。许多早期研究已明确了TMS在优化认知或对抗疲劳中的潜力[12]。近年来TMS也被证实可提高官兵的射击准确度、反应速度和判断能力,从而提高作战效能[13]。持续注意力(又称警惕性),是指长时间保持目标导向行为和对环境中的间歇性目标作出反应的能力,对于执行军事任务具有至关重要的作用。随着任务时间的延长,目标检测能力减弱,反应时间增加,警惕性出现下降。研究发现tDCS可有效改善大脑中动脉血流速度,增加前额叶皮层相关氧合水平,使被试者的警惕性恢复至基线状态[14]。相比于咖啡因,tDCS表现出更有效纠正疲劳和警惕性下降的能力[15],有助于减少军事活动中的人力需求。同时,使用tDCS也可增强记忆,提高复杂运动技能的学习能力[16]。通过刺激枕大神经,诱导蓝斑-去甲肾上腺素能系统激活,促进去甲肾上腺素的释放,加强蓝斑、杏仁核与海马之间的功能连接[17]。

1.3疼痛的缓解疼痛是一种常见的军事伤害后遗症,常导致患者的生活质量下降。神经刺激调控可显著减轻患者的疼痛感[18]。除反复tDCS疗程中明确的短期头痛缓解获益,Volta等[19]还观察到,最后一次刺激后3个月,80%的患者每月头痛频率,以及头痛持续的时间和强度等疼痛评分参数依然降低50%。对侧运动皮层高频重复TMS对慢性难治性面部疼痛具有明显镇痛维持作用[20]。研究证实TMS在25周甚至2.8年的时间范围内均具有显著降低疼痛强度的疗效[21-22]。非侵入性神经调控存在长期疼痛缓解的可能性。关于镇痛现象的机制解释现有3种假说:①广泛的大脑皮层尤其是初级运动皮层的调控[23-24];②内源性阿片类药物系统的激活[25-26];③促进γ-氨基丁酸的释放,改善皮层抑制的损伤[27]。神经刺激调控的疼痛治疗效果个体差异性较大,潜在机制复杂多样,有待进一步阐明。

传统神经调控具有非侵入性、可逆性、无需麻醉和无不良反应等优势,为其在日常军事活动中的应用提供了广阔的前景。然而,这些技术同时存在刺激范围有限、个体差异等局限性。为确保在军事领域的应用能够实现最大效益,未来研究需要进一步探讨最佳刺激参数及个体化治疗方案的确定。这将有助于克服传统神经调控技术在实际应用中所面临的挑战,使其更好地服务于军事医疗领域。

2 新兴神经调控

脑机接口(brain-computer interface,BCI)作为一种新兴的神经调控技术,通过在人或动物脑(或脑细胞培养物)与计算机或其他电子设备之间建立一种不依赖于常规大脑信息输出通路(如外周神经和肌肉组织)的全新通讯和控制技术[28]。BCI技术通过采集、解码和转换脑电信号实现人机交互,具有侵入式、半侵入式和非侵入式三种类型。侵入式BCI需要外科手术将微电极植入大脑皮质,直接接触神经元和组织来获取脑电信号。然而,由于异物置入,这种方法存在安全风险[29]。相对而言,半侵入式BCI将电极置于硬脑膜或蛛网膜上,以获得皮层脑电图信号,其信号质量较好且侵入程度较低。非侵入式BCI则将电极置于头皮上、颅骨之外,直接采集头皮脑电波。虽然非侵入式BCI在便携性和安全性方面具有优势,但其信号量和信息准确度相对较差[30]。综上所述,每种类型的BCI都有其独特的优缺点,因此在实际应用中需根据具体需求和场景选择合适的BCI技术。未来研究应关注如何克服各类BCI技术的局限性,以及提高其在不同领域的应用效果,从而为人机交互的发展提供更多创新性和实用性的解决方案。BCI技术已在诸如医疗、教育和娱乐等领域取得了广泛应用,同时在军事领域也开始展现其重要作用。

2.1BCI在军事领域的应用现状

2.1.1 智能辅助装备BCI可应用于智能辅助装备中,如智能头盔、手套、无人机等。通过记录和解码大脑信号,实现对装备的控制和操作。美国陆军研究实验室使用3D打印技术来制造出完全适合每个用户的头盔,然后结合脑电图传感器来监测大脑活动,评估认知工作量和身心压力,同时官兵可通过BCI技术控制智能头盔内置的摄像头,实现目标识别和跟踪,从而提高作战效率[31]。在无人机领域,官兵可通过BCI技术实现对无人机系统的无线控制,包括关闭系统或发射武器等。美国防高级研究计划局、美国陆军研究实验室和匹兹堡大学联合开展了一项实验,为受试者的运动皮层植入两个96微电极阵列。通过评估执行指令的机动调节、保持飞行路径和避免俯冲、旋转和坠毁等控制损失的能力,研究人员定性地确定了成功飞行的可能性。研究结束时,受试者已可成功利用BCI操作飞行模拟器[32]。伴随着头戴式显示器的出现,研究人员逐渐尝试将虚拟现实和增强现实技术融入BCI,以实现“脑控”无人机。这些尝试均取得了显著进展[33]。

2.1.2战斗训练在虚拟实境、模拟战场等战斗训练中,可通过BCI技术记录官兵的行为和反应,从而评估其战斗能力和训练效果。例如,美国陆军研究实验室牵头的一项基于脑电图数据的研究,旨在预测官兵在昏睡和警觉状态下的深度学习能力,为训练优化提供依据[31]。此外,美国防高级研究计划局资助的“恢复活跃记忆”项目探讨了如何识别患者大脑中的记忆编码或模式,并通过编写脑细胞代码以改善现有记忆。研究者采用“非线性多输入多输出”模型计算海马CA3和CA1神经元放电,并通过神经集合的时空发射编码记忆。结合电刺激技术,实验结果显示受试者的短期记忆力在基线水平上提高了35%[34]。BCI大脑植入物还可利用算法识别不同的情感状态,帮助军事人员更好地应对战场上的情绪波动和压力。

2.1.3战斗伤害治疗BCI在伤残官兵的运动康复中具有很好的应用前景,帮助他们恢复肢体的功能。既往的研究表明,尽管瘫痪患者的大脑依然具有产生运动意图的能力,但受损的神经通路,使这些意图无法顺利传达到相应的运动肌肉,进而导致行为能力受限。然而,BCI突破了这一难题,将大脑受损神经系统周围的运动信号转换成机器指令,并通过传递和控制机械臂等外部设备来实现对失去运动功能的替代。通过对四肢瘫痪病人植入初级运动皮层的96微电极阵列,记录的神经元集合活动表明,脊髓损伤3年后,有意图的手部运动调节了皮质尖峰模式,由此研究人员获得神经解码器,实现了多关节机械臂执行简单抓取动作[35]。2014 年美国防高级研究计划局启动“手部本体感受和触感界面”计划,不断提升机械臂的人体还原度。2019 年美国犹他大学发表“LUKE 手臂”的最新测试数据,与传统假肢的无触觉金属抓手不同,研究团队引入透明硅“皮肤”,结合包含100个微电极的“犹他斜电极阵列”,创建出可感知软硬触觉的新型机械臂,并可通过传感器将“握力”信息反馈给受试者,以便进行精细运动调整[36]。

2.2BCI在军事领域的未来发展方向

2.2.1 多模态脑机接口(multimodal brain-computer interface,MMBCI)未来的BCI技术将会更加多样化和复杂化,MMBCI将成为其中一个重要的发展方向。与传统单一传感器或设备的BCI相比,MMBCI可同时结合多种传感器技术和设备,如眼动、语音等,获取多种脑信号和生理信号,研究人员可获得更全面的生理信息,实现更加准确和自然的脑机交互[37-38]。此外,MMBCI还有助于解决传统单一模态BCI所面临的一些挑战,如信号强度较弱、易受干扰等问题,从而提高整体系统的性能和稳定性。MMBCI的出现,不仅优化了用户体验,还拓宽了可扩展性和应用前景。

2.2.2脑-机-体一体化(brain-computer-bodyinterface,BCBI)未来BCI技术将朝着更加融合和一体化的方向发展,实现脑-机-体的无缝连接。可将脑信号与人体外设备、假肢等外部设备紧密结合,旨在实现人体功能的扩展和增强,包括官兵和机器人的协同作战,以及对运动控制精度的提升[39]。BCBI技术将会是未来在各领域均有巨大发展空间和应用价值的人机交互模式。

2.2.3伦理问题BCI的伦理问题一直备受关注和争议,因其读取和分析人的脑电波等信息,这可能会侵犯隐私权。当实现人机交互时,如果大脑也像电脑可以被黑客攻击,对人的行为和思维进行控制,侵犯个人的自主权,并可能破坏社会秩序。此外,侵入式的BCI因开颅手术,外源性植入物引起的炎症反应,其安全性也有待革新提升。因此为了解决这一系列伦理问题,需要制定相应的法律法规和伦理准则,对BCI的应用进行规范和监管,充分尊重参与者的个人意愿。同时,也需要加强技术研发,提高脑机接口技术的安全性和稳定性,从而保障人们的权益和安全[40]。

3 结 语

神经调控技术已经被广泛应用于军事领域的许多方面,如提高官兵的感知,治疗创伤后应激障碍等。尤其是BCI更是未来军事领域的重要发展方向。尽管这些技术非常有实战应用前景,但也面临着一些挑战和限制,包括安全性和长期效果的评估。我们期待着未来能有更多跨学科的研究涌现出来,提供更智能化的战斗装备和更高效的康复系统,以进一步拓展这些技术的应用范围,并解决当前存在的问题。