傳統非侵入性和新興神經調控技術在軍事領域中的應用進展

陳傲雪,郭飛龍綜述,任大勇,張克忠審校

0 引 言

軍事人員在備戰和作戰中,往往長期暴露于非理想狀態,包括惡劣的環境、匱乏的資源以及強烈的生理和心理壓力。這些因素不斷考驗著他們的感知、認知、情緒和身體機能,可能導致神經功能的衰退甚至傷病,從而嚴重影響日常訓練和軍事任務的績效。隨著國際局勢的快速變化和科技水平的日益精進,未來戰場將更加復雜且多域化,精簡的軍事人員需在有限的補給和高強度的體能和技術輸出中持續作戰,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。針對這一需求,各國國防科學界和醫學工業界不斷革新神經調控策略,旨在優化神經系統相關醫療精準度,實現針對性靶區和功能調控,為官兵的戰斗力提升和軍事醫療的發展做出更大的貢獻。本文將對傳統和新興神經調控方式進行探討,分析它們在軍事領域的應用現狀和發展趨勢。

1 傳統神經調控

傳統的神經調控手段利用物理(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,特異性地調控中樞和外周神經系統活性,改善失眠、疼痛等癥狀,提高生命質量,或促進神經元功能恢復,幫助肢體受損康復[1]。特別是非侵入性神經刺激,包括經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)、經顱聚焦超聲刺激、經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)、經皮周圍神經刺激等常被應用于軍事醫療領域[2],對二十余種神經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調控在3種典型軍事醫療場景中的應用,以展示其在軍事領域的實際價值和潛在影響。

1.1創傷后應激障礙的治療根據美國國防部心理健康卓越中心近期評估顯示有14%的現役人員存在精神健康問題[4]。創傷后應激障礙是其中一種常見的心理障礙,并存在明顯自殺傾向,在軍人等高風險職業人群中普遍具有較高發病率?，F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元活動的非侵入性技術。在頭皮上放置一個線圈,產生高強度的磁場脈沖,刺激大腦皮層神經元,從而調節大腦神經網絡的活動。美國食品和藥物管理局已批準TMS應用于多種神經精神疾病,如強迫癥、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,越來越多的證據支持TMS在治療官兵創傷后應激障礙方面具有顯著的效果, 能夠改善患者的情緒和認知功能,降低自殺發生率[8-11]。

1.2認知能力的提高非侵入式神經刺激可以通過刺激大腦皮層,有助于提高認知能力,包括學習能力、記憶力、決策能力等,對于軍事訓練和作戰能力的提高都具有重要意義。許多早期研究已明確了TMS在優化認知或對抗疲勞中的潛力[12]。近年來TMS也被證實可提高官兵的射擊準確度、反應速度和判斷能力,從而提高作戰效能[13]。持續注意力(又稱警惕性),是指長時間保持目標導向行為和對環境中的間歇性目標作出反應的能力,對于執行軍事任務具有至關重要的作用。隨著任務時間的延長,目標檢測能力減弱,反應時間增加,警惕性出現下降。研究發現tDCS可有效改善大腦中動脈血流速度,增加前額葉皮層相關氧合水平,使被試者的警惕性恢復至基線狀態[14]。相比于咖啡因,tDCS表現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也可增強記憶,提高復雜運動技能的學習能力[16]。通過刺激枕大神經,誘導藍斑-去甲腎上腺素能系統激活,促進去甲腎上腺素的釋放,加強藍斑、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,常導致患者的生活質量下降。神經刺激調控可顯著減輕患者的疼痛感[18]。除反復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,以及頭痛持續的時間和強度等疼痛評分參數依然降低50%。對側運動皮層高頻重復TMS對慢性難治性面部疼痛具有明顯鎮痛維持作用[20]。研究證實TMS在25周甚至2.8年的時間范圍內均具有顯著降低疼痛強度的療效[21-22]。非侵入性神經調控存在長期疼痛緩解的可能性。關于鎮痛現象的機制解釋現有3種假說:①廣泛的大腦皮層尤其是初級運動皮層的調控[23-24];②內源性阿片類藥物系統的激活[25-26];③促進γ-氨基丁酸的釋放,改善皮層抑制的損傷[27]。神經刺激調控的疼痛治療效果個體差異性較大,潛在機制復雜多樣,有待進一步闡明。

傳統神經調控具有非侵入性、可逆性、無需麻醉和無不良反應等優勢,為其在日常軍事活動中的應用提供了廣闊的前景。然而,這些技術同時存在刺激范圍有限、個體差異等局限性。為確保在軍事領域的應用能夠實現最大效益,未來研究需要進一步探討最佳刺激參數及個體化治療方案的確定。這將有助于克服傳統神經調控技術在實際應用中所面臨的挑戰,使其更好地服務于軍事醫療領域。

2 新興神經調控

腦機接口(brain-computer interface,BCI)作為一種新興的神經調控技術,通過在人或動物腦(或腦細胞培養物)與計算機或其他電子設備之間建立一種不依賴于常規大腦信息輸出通路(如外周神經和肌肉組織)的全新通訊和控制技術[28]。BCI技術通過采集、解碼和轉換腦電信號實現人機交互,具有侵入式、半侵入式和非侵入式三種類型。侵入式BCI需要外科手術將微電極植入大腦皮質,直接接觸神經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險[29]。相對而言,半侵入式BCI將電極置于硬腦膜或蛛網膜上,以獲得皮層腦電圖信號,其信號質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勢,但其信號量和信息準確度相對較差[30]。綜上所述,每種類型的BCI都有其獨特的優缺點,因此在實際應用中需根據具體需求和場景選擇合適的BCI技術。未來研究應關注如何克服各類BCI技術的局限性,以及提高其在不同領域的應用效果,從而為人機交互的發展提供更多創新性和實用性的解決方案。BCI技術已在諸如醫療、教育和娛樂等領域取得了廣泛應用,同時在軍事領域也開始展現其重要作用。

2.1BCI在軍事領域的應用現狀

2.1.1 智能輔助裝備BCI可應用于智能輔助裝備中,如智能頭盔、手套、無人機等。通過記錄和解碼大腦信號,實現對裝備的控制和操作。美國陸軍研究實驗室使用3D打印技術來制造出完全適合每個用戶的頭盔,然后結合腦電圖傳感器來監測大腦活動,評估認知工作量和身心壓力,同時官兵可通過BCI技術控制智能頭盔內置的攝像頭,實現目標識別和跟蹤,從而提高作戰效率[31]。在無人機領域,官兵可通過BCI技術實現對無人機系統的無線控制,包括關閉系統或發射武器等。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聯合開展了一項實驗,為受試者的運動皮層植入兩個96微電極陣列。通過評估執行指令的機動調節、保持飛行路徑和避免俯沖、旋轉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,研究人員逐漸嘗試將虛擬現實和增強現實技術融入BCI,以實現“腦控”無人機。這些嘗試均取得了顯著進展[33]。

2.1.2戰斗訓練在虛擬實境、模擬戰場等戰斗訓練中,可通過BCI技術記錄官兵的行為和反應,從而評估其戰斗能力和訓練效果。例如,美國陸軍研究實驗室牽頭的一項基于腦電圖數據的研究,旨在預測官兵在昏睡和警覺狀態下的深度學習能力,為訓練優化提供依據[31]。此外,美國防高級研究計劃局資助的“恢復活躍記憶”項目探討了如何識別患者大腦中的記憶編碼或模式,并通過編寫腦細胞代碼以改善現有記憶。研究者采用“非線性多輸入多輸出”模型計算海馬CA3和CA1神經元放電,并通過神經集合的時空發射編碼記憶。結合電刺激技術,實驗結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,幫助軍事人員更好地應對戰場上的情緒波動和壓力。

2.1.3戰斗傷害治療BCI在傷殘官兵的運動康復中具有很好的應用前景,幫助他們恢復肢體的功能。既往的研究表明,盡管癱瘓患者的大腦依然具有產生運動意圖的能力,但受損的神經通路,使這些意圖無法順利傳達到相應的運動肌肉,進而導致行為能力受限。然而,BCI突破了這一難題,將大腦受損神經系統周圍的運動信號轉換成機器指令,并通過傳遞和控制機械臂等外部設備來實現對失去運動功能的替代。通過對四肢癱瘓病人植入初級運動皮層的96微電極陣列,記錄的神經元集合活動表明,脊髓損傷3年后,有意圖的手部運動調節了皮質尖峰模式,由此研究人員獲得神經解碼器,實現了多關節機械臂執行簡單抓取動作[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,不斷提升機械臂的人體還原度。2019 年美國猶他大學發表“LUKE 手臂”的最新測試數據,與傳統假肢的無觸覺金屬抓手不同,研究團隊引入透明硅“皮膚”,結合包含100個微電極的“猶他斜電極陣列”,創建出可感知軟硬觸覺的新型機械臂,并可通過傳感器將“握力”信息反饋給受試者,以便進行精細運動調整[36]。

2.2BCI在軍事領域的未來發展方向

2.2.1 多模態腦機接口(multimodal brain-computer interface,MMBCI)未來的BCI技術將會更加多樣化和復雜化,MMBCI將成為其中一個重要的發展方向。與傳統單一傳感器或設備的BCI相比,MMBCI可同時結合多種傳感器技術和設備,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,實現更加準確和自然的腦機交互[37-38]。此外,MMBCI還有助于解決傳統單一模態BCI所面臨的一些挑戰,如信號強度較弱、易受干擾等問題,從而提高整體系統的性能和穩定性。MMBCI的出現,不僅優化了用戶體驗,還拓寬了可擴展性和應用前景。

2.2.2腦-機-體一體化(brain-computer-bodyinterface,BCBI)未來BCI技術將朝著更加融合和一體化的方向發展,實現腦-機-體的無縫連接?？蓪⒛X信號與人體外設備、假肢等外部設備緊密結合,旨在實現人體功能的擴展和增強,包括官兵和機器人的協同作戰,以及對運動控制精度的提升[39]。BCBI技術將會是未來在各領域均有巨大發展空間和應用價值的人機交互模式。

2.2.3倫理問題BCI的倫理問題一直備受關注和爭議,因其讀取和分析人的腦電波等信息,這可能會侵犯隱私權。當實現人機交互時,如果大腦也像電腦可以被黑客攻擊,對人的行為和思維進行控制,侵犯個人的自主權,并可能破壞社會秩序。此外,侵入式的BCI因開顱手術,外源性植入物引起的炎癥反應,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,需要制定相應的法律法規和倫理準則,對BCI的應用進行規范和監管,充分尊重參與者的個人意愿。同時,也需要加強技術研發,提高腦機接口技術的安全性和穩定性,從而保障人們的權益和安全[40]。

3 結 語

神經調控技術已經被廣泛應用于軍事領域的許多方面,如提高官兵的感知,治療創傷后應激障礙等。尤其是BCI更是未來軍事領域的重要發展方向。盡管這些技術非常有實戰應用前景,但也面臨著一些挑戰和限制,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科的研究涌現出來,提供更智能化的戰斗裝備和更高效的康復系統,以進一步拓展這些技術的應用范圍,并解決當前存在的問題。