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军事科技新突破：非侵入性认知神经训练的实战应用——TMS、tES、EEG、fNIRS技术

导语

认知神经训练既可用于军事职业相关神经精神障碍的辅助治疗，更可作为以脑为靶点的预防性训练以增强认知、调节情绪和塑造行为。本文将详细介绍TMS、tES、EEG、fNIRS技术在军事领域的应用。

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。因此，如何通过科学的训练手段提升军事人员的神经功能和心理韧性，已成为军事心理学和神经科学领域亟待解决的重要问题。伴随认知神经科学进入技术应用时代，军事心理训练从传统的行为训练向基于神经成像、人工智能和虚拟现实等技术的认知神经训练发展。认知神经训练既可用于军事职业相关神经精神障碍的辅助治疗，更可作为以脑为靶点的预防性训练以增强认知、调节情绪和塑造行为。

图源：中国军网

本文聚焦于非侵入性认知神经训练，重点梳理以重复经颅磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation， rTMS）、经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation， tDCS）等为代表的非侵入性脑刺激（non-invasive brain stimulation， NIBS）以及由脑电图（electroencephalography， EEG）、功能磁共振（functional magnetic resonance imaging， fMRI）和功能近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy， fNIRS）介导的神经反馈（neurofeedback， NF）。总结认知神经训练领域的最新研究和发展趋势，并探讨在军事领域开展认知神经训练研究和应用需要注意的问题。

非侵入性脑刺激（NIBS）

NIBS是不需要植入人体就能进行脑部刺激的神经调控技术，包括经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）、经颅电刺激（transcranial electrical stimulation，tES）等。NIBS安全可控，被广泛用于患者和健康人，以治疗疾病或增强功能。外军对NIBS具有浓厚的兴趣，不仅因其能用于治疗军事职业典型疾病和损伤，如创伤性脑损伤、抑郁症和创伤后应激障碍等神经心理疾病，而且具有广泛的认知神经增强潜力。

图1 常见的非侵入性脑刺激 LIFU：低强度聚焦超声;fMRI：功能磁共振;tVNS：经皮迷走神经刺激术

1.经颅磁刺激（TMS）

TMS基于电磁感应与电磁转换原理，用刺激线圈瞬变电流产生的磁场穿透颅骨，引起皮层2~3 cm范围内神经元群去极化并引起神经网络活动性改变。重复经颅磁刺激（repetive transcranial magnetic stimulation， rTMS）是最常用的TMS方式，用于治疗抑郁症、卒中、强迫症、慢性神经性疼痛和尼古丁依赖等神经心理障碍，也用于提高健康人的注意力和警惕性、提升运动学习能力并改善认知等。美军很早就对rTMS的认知增强功能产生了兴趣，并资助其用于军事环境睡眠剥夺后的认知修复和增强研究。传统rTMS设备具有体积较大、使用受限和定位不精确等缺点，未来还需借助导航定位系统（如神经成像技术、神经导航软件或机器人）精准放置线圈，并将该模式从实验室研究拓展到临床和军事应用中。

图2 经颅磁刺激原理示意图

重复经颅磁刺激器Magstim® Rapid²

2.经颅电刺激（tES）

tES通过头皮电极形成电流通路向大脑皮层传递低强度电流以改变大脑功能，最常用的是经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation， tDCS）。tDCS以微弱直流电（通常1~2 mA，最高不宜超过4 mA）调节大脑皮质兴奋性，是抑郁症和尼古丁依赖的A级推荐治疗方法，并具有广泛的军事机能增强功能。经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation, tACS）与tDCS同属tES技术，但其采用正弦交流电调节神经元同步振荡活动，以正弦、双相交流电刺激皮质神经元，调节内源性脑振荡和神经可塑性，帮助缓解抑郁、妄想和痴呆等症状。相比TMS，tES设备更为小巧方便，军事应用潜力巨大。未来还需开展研究以明确其神经机制，检验与其他措施联合干预的疗效以及如何与其他技术相结合以精准定位等。

经颅电刺激系统Neuroelectrics Starstim®

应用

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。，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。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，其安全性和耐受性得到广泛证实。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。

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。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。

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。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，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。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。

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。除反复tDCS疗程中明确的短期头痛缓解获益，Volta等还观察到，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。研究证实，TMS在25周甚至2.8年的时间范围内均能显著降低疼痛强度，显示出非侵入性神经调控在长期疼痛缓解方面的潜力。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;②内源性阿片类药物系统的激活;③促进γ-氨基丁酸的释放，改善皮层抑制的损伤。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。

神经反馈（NF）

NF是以神经成像技术反馈大脑活动信号的生物反馈，以自主调节脑功能。NF可广泛改善神经精神障碍症状（特别是创伤后应激障碍和中风），也可提升健康个体的认知、运动功能以及医生的手术表现等。目前研究应用较多的是基于 EEG、fMRI和fNIRS的EEG-NF、fMRI-NF和fNIRS-NF。

图3 神经反馈（NF）示意图

1.脑电图神经反馈（EEG-NF）

EEG-NF是研究最早的NF，包括频率训练、慢皮层电位反馈训练和不同区域功能连接的连贯训练等不同类型。近年来，无线EEG和移动脑成像解决方案（由无线EEG帽或耳机、开源软件平台和智能手机或平板电脑综合构成）推动EEG-NF日趋便携，从实验室走向日常应用。最近，研究者用机器学习算法分析同时记录的杏仁核fMRI和头皮EEG数据，形成一个可反映杏仁核活动峰值和低谷的EEG模型（即电子指纹）。这样无需借助fMRI就能以EEG调节杏仁核功能，即杏仁核电指纹神经反馈。该训练的出现有助于开发靶向杏仁核的预防性NF，对提升军人抗压能力具有重要意义。

无线脑电系统Enobio

便携式运动脑电系统SAGA

2.功能磁共振神经反馈（fMRI-NF）

fMRI-NF采用实时fMRI（real-time fMRI，rt-fMRI）在线获取、预处理和分析数据，并实时反馈给受试者以形成闭环回路，即rt-fMRI-NF。相比EEG和fNIRS，rt-fMRI具有较高的空间分辨率（毫米级）和较好的时间分辨率（毫秒级），并能显示深部脑组织，因此可精细靶向深部脑区。rt-fMRI-NF主要靶向感兴趣区域，多集中于与情绪、运动和认知等相关的脑区，尤其是杏仁核、前脑岛和前扣带回等情绪处理与调节脑区。近年来，靶向神经环路甚至脑网络的rt-fMRI-NF已被证明可行且有效，但研究还很初步。鉴于fMRI价格昂贵且操作不方便，研究者尝试将其与EEG的优势进行互补，以便同时驱动两种反馈或借助二者的相关性开发更为便捷的反馈方式（如杏仁核电指纹神经反馈）。

3.功能近红外光谱神经反馈（fNIRS-NF）

fNIRS-NF是近年来的新兴技术手段，也是NF领域发展最快的应用。fNIRS具有较高的时间分辨率和空间分辨率、运动耐受良好和轻巧便携等优点。这一方面使fNIRS可轻松地与生理测量（如心率、心率变异性、皮电和肌电）、神经成像（如EEG和脑磁图）、感官反馈设备（如VR、振动反馈设备触觉手套、虚拟现实气味模拟器、听觉反馈设备）结合，以实现多模态发展。另一方面也使fNIRS特别适用于社会互动神经机制的超扫描研究（如临床心理治疗互动机制研究），甚至开发出脑对脑的NF以实现脑对脑的直接影响。由于fNIRS只能反映大脑皮层，未来还需将其优势与fMRI或脑磁图进行互补，以开发更多用途的NF。

便携式近红外成像系统artinis

应用

1.健康监测与状态评估

NF被广泛应用于军事人员的健康监测，通过监测脑电活动，可以实时评估士兵的心理和生理状态。例如，美国空军已将便携式脑电图设备整合到F-16飞行员头盔中，用于监测飞行员的心率、疲劳程度和注意力集中情况，帮助优化训练方案。此外，NF还可用于军人选拔中的心理检测，通过静息态EEG检测评估注意力集中程度、情绪稳定性等心理素质。

2.认知能力提升

通过NF训练，军事人员能够调节自身的情绪状态，保持镇静，从而提高决策速度和准确性。例如，经颅神经调节技术显著提高了参与者的信息处理能力，尤其适用于长期处于高压环境下的士兵，如潜艇兵、坦克兵或航母起降指挥员。通过fNIRS神经反馈训练，军事人员在高压力环境下的决策能力和任务执行能力得到显著提升。

3.军事训练与作战应用

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。脑机接口（BCI）技术在军事领域具有广泛的应用前景，涵盖了智能辅助装备、战斗训练和战斗伤害治疗等多个方面。在智能辅助装备方面，BCI技术被应用于智能头盔、手套和无人机等设备中。

例如，美国陆军研究实验室通过3D打印技术制造个性化头盔，并结合EEG传感器监测大脑活动，实现目标识别和跟踪功能。在无人机领域，BCI技术使官兵能够无线控制无人机，甚至执行复杂任务，如飞行模拟器操作。此外，结合虚拟现实和增强现实技术，BCI在“脑控”无人机方面也取得了显著进展。在战斗训练中，BCI技术可用于记录和分析官兵的行为和反应，评估其战斗能力和训练效果，例如通过EEG数据预测官兵在不同状态下的学习能力。

同时，BCI技术还被用于改善记忆和情绪管理，帮助军事人员应对战场压力。在战斗伤害治疗方面，BCI技术为伤残官兵的运动康复提供了新的可能性。通过将大脑信号转换为机器指令，BCI技术使瘫痪患者能够通过机械臂等外部设备实现运动功能的替代。例如，通过植入微电极阵列，研究人员成功实现了机械臂的精细运动控制。此外，美国犹他大学开发的“LUKE手臂”引入了触觉反馈技术，进一步提升了假肢的功能性和实用性。这些应用展示了BCI技术在军事领域的巨大潜力，同时也为未来的研究和开发提供了新的方向。

表 1 主要非侵入性军事认知神经训练方式对比分析

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参考文献

[1]冯正直，许海燕. 非侵入性军事认知神经训练研究与展望[J]. 陆军军医大学学报， 2024， 46（14）: 1593-1599. DOI：10.16016/j.2097-0927.202309031

[2]陈傲雪，郭飞龙，任大勇，等. 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[J]. 医学研究与战创伤救治，2023，36（7）:706-710. DOI:10.16571/j.cnki.2097-2768.2023.07.009.

[3]脑机接口的军事前景，谭笑间，瞭望 2024年第43期

[4]冯廷炜, 孙凯文, 毋琳, 张玉婷, 曾令伟, 高云涛, 郭亚宁, 申洋洋, 梁淑怡, 韩媛媛, 王秀超, 刘旭峰, 王卉 (2024). 基于脑电技术自我相关信息注意加工机制研究——在军人选拔中的探索应用与前景分析. 心理学进展, 14(5), 383-393. https://doi.org/10.12677/ap.2024.145325