HD-tDCS及雷達認知訓練游戲提升雷達操縱員績效研究

馬曉巖，盧宏亮，張志龍，尹海軍，朱 霞

(1空軍軍醫大學軍事醫學心理學系軍事心理學教研室，陜西 西安 710032；2解放軍93897部隊，陜西 西安 710082)

雷達操縱員是獲取雷達情報的第一環節，其操作能力是雷達能否準確獲取空情信息的決定性因素[1]，主要體現在處置復雜空情、多批次目標掌握、雷達操作及反電子對抗等方面[2-3]，一般總結為搜索、判別、測定、監視和報知5種能力[4]，從認知心理學觀點看是一個控制性加工過程，包含了以工作記憶和注意力為主的多種認知能力[5-7]。研究表明，雷達操縱員在視覺搜索任務中對動態、快速、多任務、運動特性的目標有更強的搜索效率及認知資源分配效益[8-9]，反映出在工作記憶刷新功能、注意分配及注意警覺性等方面的優勢。經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)作為一種非侵入性腦刺激技術近年來針對臨床患者[10]、注意缺陷兒童[11]、運動員等認知增強被廣泛研究[12-13]，其證明可以通過誘導皮質神經元活動[14]和功能變化[15]提升工作記憶[16]及注意力[17]等能力水平，最新的相關研究通過對軍校學員左側背外側前額葉(dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC)進行干預也進一步闡明了tDCS應用到部隊一線指戰員的實用性及安全性[18-20]，因此本研究致力于采用高精度經顱直流電刺激(high-definition transcranial direct current stimulation，HD-tDCS)對現役雷達操縱員的DLPFC進行有規律性的干預，比較聯合及單獨使用HD-tDCS與雷達認知訓練游戲對雷達操縱員績效提升的效果，通過經典認知能力任務測評探討工作記憶及注意力的行為學變化與操縱員績效變化的關系。

1 對象與方法

1.1 對象

招募87名男性現役雷達操縱員作為試驗被試，大專學歷，年齡18～26(平均21.15±2.58)歲，本崗位工作年限1～8年，所在雷達站海拔高度均在1 000 m以下[21]。入組被試均要滿足以下條件：①現役雷達操縱員；②右利手，聽力正常，視力或矯正視力正常，無色盲色弱，瑞文智力測驗分數為(100±10)分[22]；③無精神障礙、頭部外傷史和手術史；④無其他可能影響實驗的疾??；⑤近3個月未服用精神類藥物；⑥近3個月未參加過類似實驗。在實驗開始前，根據空軍軍醫大學唐都醫院倫理委員會的批準(許可證號：NCT02420470)，所有被試在實驗前被告知該研究存在的可能風險并填寫了知情同意書，實驗結束后給予被試費。

1.2 研究工具

1.2.1 認知能力測評工具 認知能力測評工具主要針對工作記憶廣度、工作記憶刷新功能、注意廣度、注意分配及持續性注意5項認知能力，參照曾祥炎等[23]編寫的《E-Prime實驗設計技術》及經典實驗范式完成實驗測評程序的編制。

工作記憶廣度任務測評工作記憶廣度，即工作記憶容量[24]：在屏幕中會隨機位置呈現5～12個數量不等帶有數字的圓形圖標，點擊“開始”鍵后，圖標會以隨機順序逐個閃亮一下，每次閃亮持續100 ms，中間間隔400 ms。被試需記住圖標閃亮的次序，待所有圖標閃亮完后，再點“測評”鍵，并快速按照圖標閃亮的次序逐個點擊圖標，點擊完成或6 000 ms后自動呈現下一個試次，直到測評結束。整個測驗程序共持續20個試次，結果記錄被試每個試次的反應時間(reaction time，RT)、正確率(accuracy，ACC)及正確最大值。

空間N-back任務測評工作記憶刷新功能[25]：屏幕中間會呈現一個“3×3”的九宮格，其中隨機一個格子(最中間的格除外)在每次刺激呈現時會變成藍色，每次刺激呈現500 ms，按鍵或3 000 ms后呈現下一個刺激。被試判斷當前藍色格子的位置與之前第N個刺激呈現的藍色格子位置是否相同，判斷為相同按鍵盤上的“F”鍵，不同按鍵盤上的“J”鍵。根據任務難度的不同，整個測驗程序分為3個區組，即2-back任務、3-back任務、4-back任務，每個區組共持續40個試次。結果記錄被試每個試次的RT及ACC。

注意廣度任務測評注意的廣度[26]：在屏幕中會隨機位置呈現3～10個數量不等的黑色圓點，每次刺激呈現100 ms，按鍵或3 000 ms后呈現下一個刺激。被試需迅速判斷黑色圓點的數量，并按下鍵盤中對應數字的按鍵。整個測驗程序共持續40個試次，結果記錄被試每個試次的RT及ACC。

三維1-back任務測評注意的分配[27]：屏幕中間會出現一個九宮格，其中一個格子會隨機填充顏色，被試要記住填充顏色格子的位置、顏色及里面的數字。從第2個開始，需判斷當前填充顏色格子的位置、顏色及數字與上一個填充顏色格子的位置、顏色及數字是否相同。其中，數字呈現“0”或“1”，顏色呈現“紅”、“黃”、“藍”或“綠”色，位置呈現“左上”、“左下”、“右上”或“右下”4種情況。每次刺激呈現500 ms，按鍵或3 000 ms后呈現下一個刺激。該測驗程序在編制時，設置為若出現相同，有且只有一個相同，判斷位置相同按“D”鍵，顏色相同按“F”鍵，數字相同按“J”鍵，都不相同按“K”鍵。整個測驗程序共持續40個試次，結果記錄被試每個試次的RT及ACC。

精神運動警覺性任務(psychomotor vigilance task，PVT)測評注意的警覺性[28]：屏幕中央會出現一個黑色圓點，被試需要在看到黑色圓點時盡快按下空格鍵，在每個刺激中，圓點會在2 000～8 000 ms之間隨機出現，按鍵或500 ms后呈現下一個刺激。整個測驗程序共持續72個試次，結果記錄被試每個試次的RT及ACC。

1.2.2 HD-tDCS tDCS設備采用美國Soterix Medical公司的HD-tDCS設備(1300A&4×1-C3A)，以國際腦電圖學會規定的10-20系統標準電極放置法，陽極電極定位在F3處，4個陰極電極分別定位在AF3、F1、F5、FC3[29]，電刺激的電流強度設置為1.5 mA，每次刺激持續20 min[30]，使用常規刺激模式對聯合組及刺激組進行干預，使用設備自帶的假刺激模式對訓練組及對照組進行干預。該模式會在刺激開始后的前30 s內增加電流至1.5 mA，隨即降為0 mA，除了電流不同外，其余干預步驟均一致。干預過程中實施人員時刻關注被試的感受，如出現疼痛難忍或其他異常不適則立刻終止刺激。

1.2.3 雷達操縱員工作記憶及注意網絡訓練提升游戲 使用Unity Technologies公司開發的Unity3D游戲開發引擎編制“雷達操縱員工作記憶及注意力訓練提升”游戲軟件用來模擬操縱員機下練習完成本實驗的認知訓練模塊。游戲內容通過提取和抽象出“多維N-back”“轉換任務”“工作記憶廣度任務”“視覺搜索任務”的范式模式與操縱員機下練習關鍵元素如“暫消重現”“批次分合”“想定航線”“標記批頭”進行融合，形成了4個游戲部分，分別命名為“默記航點”“默記航線”“雙批航線”“多批航點”。

1.2.4 雷達戰備法規 雷達戰備法規閱讀是與本實驗認知訓練對照的干預方式。雷達戰備法規也為操縱員需要掌握的訓練內容，經過主試確認內容與認知訓練無關后，在其監督下通過計算機呈現進行閱讀。

1.3 研究步驟

1.3.1 被試分組 考慮到霍桑效應[31]的影響，將87名被試根據所在班別及寢室，以隨機數表法隨機分入4組。聯合組為HD-tDCS與雷達認知訓練游戲聯合同步干預，共23人；訓練組為雷達認知訓練游戲單獨干預，共22人；刺激組為HD-tDCS單獨干預，共21人；對照組21人。

1.3.2 實驗流程 ①通過練習模式讓87名被試在正式實驗前對5項認知能力測評任務進行簡單練習，練習時每個試次反饋正確或錯誤的結果，讓被試熟悉任務模式。然后通過以上測評任務評估87名被試的工作記憶廣度、工作記憶刷新功能、注意廣度、注意分配及持續性注意的認知水平。②對每名被試進行為期9 d的干預[17]，1次/d，時長20 min，HD-tDCS刺激電流強度為1.5 mA，聯合組及刺激組采用陽極模式，訓練組及對照組采用假刺激模式。聯合組及訓練組進行雷達認知訓練游戲，分別記錄4個游戲部分的ACC及RT，刺激組及對照組進行雷達戰備法規閱讀。為了避免暗示效應，雷達認知訓練游戲在實驗時只呈現游戲部分，去掉標有“雷達操縱員工作記憶及注意力訓練提升”等相關內容的界面。結合被試初次練習成績及操縱員的反饋，確保被試參與實驗的積極性，正式實驗時“默記航點”每個試次呈現4組刺激(相當于4-back)，“默記航線”及“雙批航線”每個試次呈現3組刺激(相當于3-back)。③實驗結束后對所有被試再次進行上述5項任務測評，同時收集被試實驗前、實驗后及實驗1個月后機下練習科目(心算天線俯仰角、口報航點距離方位角、錄入航線參數)的成績，并詢問被試實驗結束后半年期間有無惡心、眩暈或其他異常不適。

1.4 統計學分析

2 結果

表2 各任務測評結果單獨效應

圖1 默記航線(A)及雙批航線(B)反應時間成績趨勢圖

表3 聯合組與訓練組被試默記航線ACC及RT成績

表4 聯合組與訓練組被試雙批航線ACC及RT成績

3 討論

從俄烏沖突戰爭形態演變來看，現代高技術戰爭對雷達操縱員所應具備的認知能力提出了更高的要求[34]，越是復雜及需要模糊邏輯判斷的高級情報，操縱員信息處理量越大[35]。近年來腦科學在軍事領域應用逐漸增多[36]，以強腦為主要技術來培養適應未來戰場的新型作戰力量被認為是扭轉戰場形勢[37]、可以先發制人的重要手段[38]。軍事專家提出，以tDCS為首的無創性腦干預技術可能會在未來戰場發揮更大作用[39-40]。本研究對雷達操縱員的認知能力通過HD-tDCS進行了有規律性的干預，從結果來看，所有被試均沒有反映出明顯不適，沒有產生明顯的不良副作用，安全性較為可靠，干預后操縱員績效水平提升明顯，有應用實效性，聯合組、刺激組、訓練組對操縱員認知能力提升效果不同。

認知能力任務測評成績分析發現工作記憶廣度任務正確最大值、注意廣度任務ACC成績、PVT任務ACC成績僅時間主效應顯著，說明3種干預方法存在顯著提升的時間效應，但效果無顯著差別，分析原因可能為實驗中涉及的相應認知能力干預量不夠。刷新功能評估最經典的范式是N-back任務，注意分配可以用三維1-back任務來評估，研究結果說明聯合組和訓練組對操縱員刷新功能和注意分配有顯著提升作用，聯合組好于訓練組。以往研究已表明，認知訓練可以引起神經元的激活，tDCS刺激只會影響那些處在激活狀態的神經元，以調節突觸可塑性和神經元投射網絡為主，無法對休眠狀態的神經元產生影響，同時認知訓練也可以增強tDCS刺激的效果，本研究結果與該理論結果基本一致。3-back任務測評RT成績僅時間效應顯著和三維1-back任務測評ACC成績時間與組別的交互效應邊緣顯著，考慮原因為實驗沒有設置干預間隔，導致大腦皮層神經元過度消耗，使干預效果沒有最大化顯現。

經過對該游戲整體框架、執行邏輯及具體參數設定的打磨調試與修正完善，除了確保該游戲對本實驗的正確性和可用性外，其最大的創新點在于還為操縱員提供一個專門針對“暫消重現”“批次分合”“想定航線”“標記批頭”情況的新訓練方法，相當于雷達操縱員機下練習進一步的分解練習?！澳浐近c”是在“多維N-back”的基礎上進行，任務模式主要涵蓋了刷新功能與注意分配，結果顯示ACC及RT僅時間主效應顯著，分析原因可能為操縱員經過長時間的專業訓練，刷新功能與注意分配能力本身就很高，加之該游戲相比“默記航線”與“雙批航線”任務較為簡單，干預效果產生了天花板效應。以5批次為例，在操縱員訓練中屏幕上會同時出現5個航點，天線一般以每轉20 s居多，即在20 s之內操縱員需要監視每個航點的方位距離、高度、速度以及其他屬性參數，隨著天線的轉動，航點位置會不斷被刷新，操縱員需要與之前的航點動態跟蹤進行比較，出現異常及時報知，從某種程度上來講，相當于5-back任務?！澳浐骄€”相當于“想定航線”的專項訓練，任務模式主要涵蓋了刷新功能與注意分配，難度較“默記航點”更大。從結果整體趨勢看，聯合組在第6次時出現了下降拐點，訓練組直到第8次才出現下降拐點，說明聯合組提升效果優于訓練組?！半p批航線”游戲主要模擬了雷達暫消重現情況，任務模式也主要包含了刷新功能與注意分配，但任務難度更為復雜。結果表明聯合組與訓練組兩種干預方法都存在顯著提升的效果，聯合組在整體趨勢上并沒有明顯的優于訓練組，但聯合組在第6次時出現了下降拐點，訓練組直到第8次才出現下降拐點，分析原因可能為“暫消重現”在操縱員機下練習中是很常見又很關鍵的一種情況，且處置難度較大，為操縱員專業需要掌握的重難點內容，操縱員對該部分游戲的積極性更高，實驗參與性更好。理論上訓練組不應該出現第2～9次相比第1次均顯著提升的結果，考慮可能為被試實驗前初次練習沒有完全熟悉游戲模式所致?！岸嗯近c”是在“視覺搜索任務”的基礎上進行，任務模式主要涵蓋了工作記憶廣度和注意廣度，結果顯示ACC及RT僅時間主效應顯著，分析原因可能為該游戲所涵蓋的認知能力與前三個游戲重合度不高，實驗中該游戲共呈現56個刺激，時間在3分30秒左右，干預量不夠，時間效應可能僅為練習效應所致。

心算天線俯仰角及口報航點距離方位角成績僅時間主效應顯著，分析原因，操縱員經過長期的訓練，其水平基本上保持在一個穩定的瓶頸期階段，所以相比專業訓練本身的訓練累積量，本次實驗的干預量太少，從效應量看聯合組與訓練組有相對較大的提升效果。錄入航線參數成績時間主效應、時間與組別的交互效應、組別主效應均不顯著。分析原因，一是錄入航線參數是相對比較簡單的科目，經過一定程度訓練的操縱員基本都可以達標，存在天花板效應；二是該科目所需的主要認知能力除了工作記憶及注意力，還有心理運動能力，而本研究HD-tDCS刺激的位點為DLPFC，并非心理運動能力的刺激位點。

綜上所述，“雷達認知訓練游戲”有理由作為一種新的訓練方法來輔助操縱員機下練習，實驗中“默記航點”與“多批航點”游戲沒有出現預期的結果，通過討論我們考慮在后期軟件優化升級過程中加入自適應功能以增強游戲的智能性及實效性。在格式塔心理學對于整體的論述中提到，將多種能力傾向進行與實際任務情境相似的綜合練習更有助于提高訓練效果，操縱員機下練習就體現了這一特點，所以在一定程度上可視作針對性及專業性都很強的認知訓練范式，故我們可以大膽推測，機下練習與tDCS刺激同步干預也可以有效提升其訓練成績。雖然，本課題組已經申請了關于tDCS認知提升戰術頭盔技術的相關專利，但tDCS應用到一線指戰員還需要部隊首長及專家進一步的綜合認證及全面考慮；然而，本研究設計研發的“雷達認知訓練游戲”作為機下練習的分解練習，對雷達操縱學兵的入門訓練有很大的墊腳石意義，經再優化后可以直接推廣使用。