推荐！《军事人员的神经增强：概念和方法上的承诺与挑战》美加等11个国防研究机构联合发表，涵盖222篇文献的最新32页综述论文

2022 年 5 月 25 日 专知

作者

Tad T. Brunyé是位于马萨诸塞州Natick的美国陆军DEVCOM士兵中心的高级认知科学家。他还担任应用大脑和认知科学中心的科学经理，以及美国马萨诸塞州梅德福市塔夫茨大学心理学系的客座副教授。
Monique E. Beaudoin是美国马里兰大学学院公园分校情报与安全应用研究实验室（ARLIS）的副研究员科学家。
Kathryn A. Feltman是位于美国阿拉巴马州拉克堡的美国陆军航空医学研究实验室（USAARL）的研究心理学家。
Kristin J. Heaton是美国马萨诸塞州纳提克的美国陆军环境医学研究所（USARIEM）的研究心理学家和军事表现部门的副主任。
Richard A. McKinley是位于美国俄亥俄州代顿市的美国空军研究实验室第711人类性能翼的飞行员生物工程部的认知和身体性能核心研究领域的负责人。
Arcangelo Merla是意大利基耶蒂-佩斯卡拉G. d'Annunzio大学神经科学、成像和临床科学系的生物医学物理学副教授，以及红外成像实验室主任。
John F. Tangney是位于美国弗吉尼亚州阿灵顿的美国海军研究办公室（ONR）作战人员性能部的人类和生物工程系统部门的主任。
Jan Van Erp是荷兰应用科学研究组织（TNO）的首席科学家，也是荷兰屯特大学教授。
Oshin Vartanian是加拿大安大略省多伦多市的加拿大国防研究与发展部（DRDC）的国防神经科学家。
Annika Vergin是德国柏林联邦国防部国防规划办公室的未来分析助理科长。
Annalise Whittaker是英国索尔兹伯里Porton Down国防科学与技术实验室（DSTL）人类系统组的科学家。

摘要

军事人员要在恶劣和不理想的条件下长期作战，其特点是严重的环境暴露、资源匮乏、身体和精神负担。在这些条件下的长期军事行动会使本已有限的感知、认知和情感资源退化，而这些资源是维持与任务有关的绩效所必需的。未来战斗空间的复杂的多域作战预计将进一步增加对军事梯队最低层的要求。这些要求的特点是，小部队在有限的补给和技术能力下降的恶劣环境中的作战时间越来越长。因此，确定新的训练和技术方法，使军事人员的表现得到持续、优化和加强，是至关重要的。国际国防科学界、学术界和工业界的研究已经为追求这一目标开发了几种有前途的神经科学策略，包括神经调节和神经反馈技术。本文回顾了六个参与国在认知神经增强研究和开发方面的技术现状。加拿大、德国、意大利、荷兰、英国和美国。回顾了六种神经调节技术，包括经颅磁刺激（TMS）、经颅聚焦超声刺激（tFUS）、经颅电刺激（tES）、经皮周围神经刺激（tPNS）、光生物调节和颅脑电疗刺激（CES）。考虑了三种神经反馈技术，包括使用脑电图（EEG）、功能性磁共振成像（fMRI）和功能性近红外光谱（fNIRS）来监测大脑状态，通过机器学习和人工智能实现反馈回路。参与国总结了利用这些神经调节和神经反馈技术中的一种或多种来提高作战人员认知能力的基础和应用研究。报告继续详述了认知神经增强的固有方法论挑战以及在这一领域进行研究、开发和工程实施的其他考虑。报告最后讨论了神经增强的未来发展方向，包括生物传感、改进的机械和预测模型及软件工具、开发非侵入性的深层大脑刺激形式、测试新兴的大脑和行为理论模型，以及开发闭环神经增强和人机协作方法。重点是概念和方法上的承诺，以及在作战人员的选择、训练、作战和恢复的背景下计划、执行和解释神经增强的研究和开发工作的挑战。

关键词：感知、认知、认知神经科学、神经增强、人类表现、经颅磁刺激、经颅电刺激、经皮外周神经刺激、经颅聚焦超声、颅脑电疗刺激、光生物调节、脑电图、功能磁共振成像、机器学习、人工智能、生物感应、人机协作、神经反馈

1.0 目的与目标

认知神经增强工具和技术有可能提高心理能力，并彻底改变军事人员从事苛刻作战任务的效力和效率。学术界、国防界和工业界的研究和开发工作已经产生了几种认知神经增强技术，其有效性、可靠性、安全状况和军事应用的准备程度各不相同。

北约人因和医学小组活动的主题是认知神经增强：技术和工艺（HFM-311），旨在整理和审查认知神经增强的最先进的研究、技术和工艺，包括（但不限于）神经调控和神经反馈。该小组报告了最近的研究和开发工作、经验教训、每种方法和方法组合的优点和缺点（包括不良的副作用）、北约参与者的最佳做法、科学/技术挑战，以及最终将神经增强技术部署到训练和行动中的其他重要考虑。

本报告的目的是总结HFM-311小组的研究活动和科学观点，重点是与增强认知性能、优化准备和复原力以及加速恢复和研究有关的一些成功和内在挑战。

2.0 引言

神经增强是基于神经科学技术和工艺来改变中枢和外周神经系统的活动并增强心理功能[1], [2]。心理功能是多样化和动态的，包括参与感知、认知和情感的大脑机制和过程。增强与优化是不同的。增强是指加速或放大个人和团队的表现，使其超过峰值能力，而优化则是指在面对逆境时保持峰值表现[3]。在此，我们考虑两种具体的神经增强形式：神经调控和神经反馈。

3.0 神经调控

神经调控是指将外源性能量引入中枢或外周神经系统，以改变神经系统的活动、神经递质和荷尔蒙活动以及情感和行为。在参与的北约国家中，已经考虑了五种主要的神经调控方法：经颅磁刺激（TMS）、经颅电刺激（TES）、经颅聚焦超声刺激（TFUS）、经皮外周神经刺激（TPNS）和颅脑电刺激（CES）。

4.0 神经反馈

神经反馈是生物反馈的一种形式，涉及对神经信号的实时监测，如通过EEG或fMRI，并将该信号呈现给参与者（如视觉、听觉），协助他们调节自己的神经信号和行为[103]。通过神经反馈的闭环过程，参与者学会了如何自愿地调节自己的神经活动和行为，有可能应用于临床康复[104],[105]、治疗[106]和人类表现[107]。

5.0 神经增强的方法学挑战

与任何新生的科学学科一样，存在一些方法上和概念上的挑战，使其难以设想在近期内应用于军事训练或行动。本节将详细介绍其中的一些挑战。

5.1 副作用和不良事件

实验和荟萃分析研究表明，不同的神经增强技术有不同的副作用和不良事件。经颅和经皮电刺激通常会诱发刺痛、瘙痒、灼热、疼痛和疲劳的皮肤感觉。大多数参与者在使用经颅电刺激时至少会出现一种皮肤刺激症状[118]，而使用taVNS时出现这种症状的参与者要少很多[119]。TES的不良反应往往是短暂的，主观强度为轻度至中度[45], [120]-[122]。

5.2 偏倚风险

Cochrane偏倚风险（RoB 2）工具提供了一种机制，用于正式确定随机试验中可能存在的偏倚风险[130]。在评估偏倚风险时，包括五个关键领域，包括随机化过程中产生的偏倚、偏离预期干预措施、结果数据缺失、结果的测量和报告结果的选择。

5.3 可复制性

科学家们认为，在心理科学领域发表的正面结果过多，导致了一些人认为存在"复制危机"[144]。在最极端的情况下，科学家们认为，目前机构对发表正面结果的激励导致了一种估计，即 "目前发表的大多数研究结果都是假的"[145]。在另一个极端，一些科学家认为，复制的尝试是在浪费时间，并扼杀了创造力（也许是创造力被扼杀的结果）[146], [147]。介于这两者之间的是一种更进步的观点，认为即使是明显的复制失败，也可能对推进实验方法和理论的发展有参考价值[146]。

5.4 参数的异质性

每种神经增强技术都有无数的参数，这些参数的选择和操作往往是不一致的或没有充分的理由；相反，在许多情况下，神经调节参数的选择是由于熟悉或方便。此外，很少有计算模型试图描述和预测独立和互动的参数操作对人类表现结果的影响。

5.5 利益冲突

当专业判断或活动，如选择实验条件或分析和报告哪些数据，受到经济利益等次要利益的影响时，就会发生利益冲突（COI）[162]。例如，当研究由神经增强技术的制造商或零售商赞助时，这可能会干扰以诚实、有条理或合理的方式进行研究的主要利益。此外，当科学家或从业者与任何从研究结果中获益的实体合作，或以其他方式参与建立、维持或管理这些实体时，就会出现COI。

6.0 神经增强技术的其他挑战

该小组确定了在军事环境中开发和应用认知神经增强技术的另外几个重要考虑因素。本节总结了这些考虑因素。

6.1 伦理方面的考虑

神经增强的研究和技术发展激发了许多科学家、从业者和哲学家对改变大脑结构或功能、思维过程和行为的伦理基础提出质疑[167]。思考神经强化的伦理意义的一种方式是，除了安全之外，还要关注以下原则：受益、自主和公正[168]。

6.2 净零和收益

许多理论模型试图捕捉可能解释和预测神经增强对认知性能影响的机制。在经颅电刺激领域，这些理论包括平衡效应、滑动尺度、输入特异性、随机共振、活动选择性，以及通过夹带振荡模式的增强[11], [38]。许多现代理论依赖于滑动尺度模型，认为正极刺激会增加神经元的兴奋性（去极化），而阴极刺激则相反（超极化）。

6.3 未定义人类表现的生物极限

人体增强的概念在与它的测量和推广有关的文献中引起了一些争论。该小组讨论了一个具体的争议，即如果神经增强的目的是提高人类的能力，使之超过以前可达到的水平，那么我们必须可靠地量化以前可达到的水平。如果不建立这一重要的性能基线，就没有任何有意义的方法来确定是否发生了作为任何神经增强干预功能的增强。有两种主要的方式来提高概念化性能。首先是相对于非增强状态的简单性能改善；例如，对前额叶皮层实施主动TDCS可能会加快相对于假的工作记忆能力训练。有些人可能会认为这是一种性能增强的形式，相对于控制条件，随着时间的推移，提高了准确性、反应时间或敏感性等指标。

7.0 神经增强的未来方向

该小组确定了在军事环境中开发和应用认知神经增强技术的另外几个重要考虑因素。本节总结了这些考虑因素。

7.1 改进机制模型和软件工具

现有的神经增强机制模型，包括非侵入性脑刺激和神经反馈，都非常有限。例如，粗略的文献回顾表明，仅在过去一年中，就有数百篇发表的论文将正极TES称为兴奋性，而将阴极称为抑制性。这种简单直观的正极和负极刺激的二分法避开了神经元、电场电位、神经回路和行为结果之间固有的复杂的相互作用[196], [197]，并通过建模和经验工作一再被证伪。例如，神经元相对于诱导电场的方向可以不同地产生神经元膜的去极化和超极化[198], [199]。考虑极性对具有不同形态和功能的神经元的影响时，也会出现同样的挑战[200]。科学家们继续依赖这种过时的机理模型的事实表明，需要有更新、更广泛的模型，试图利用滑动尺度模型的明显的直观性。

7.2 减法的加法和加法的减法

关于神经增强如何诱发效应的一个新出现但研究不足的理论是通过加减法[5]。这一理论强调研究表明，减少与感兴趣的过程竞争的大脑区域的活动可以导致性能的提高。这种方法与典型的针对表面上参与支持任务表现的大脑区域的神经强化形成鲜明对比，而是针对可能对任务表现有破坏性的其他区域。在TMS文献中，有一些令人信服的证据表明发生了加减效应。例如，在一项视觉搜索研究中，TMS针对枕叶皮层的运动处理区域产生的反应时间增加或减少，分别与任务是否需要处理基于运动的信息有关[13]。当任务只涉及处理形状和颜色信息时，抑制运动处理区域会提高任务表现，这表明它们干扰了发生在枕叶皮层邻近区域的平行过程。在以颞叶皮层为目标的TMS的物体辨别任务中也发现了类似的加减效应[203]，研究了跨半球抑制的减少[204]，[205]，以及一项研究显示以前扣带皮层（ACC）为目标的rTMS减少了不协调的Stroop试验的成本[206]。关于TMS研究的更完整的列表，表明了逐次加法机制的可行性，可以在最初的理论立场文件[5]中找到。

7.3 闭环神经增强技术

通过结合神经传感、机器学习和神经刺激模式，闭环神经增强装置被设计为动态调节刺激参数，作为感知和推断的精神和/或身体状态的功能。与神经反馈不同的是，闭环神经增强装置不涉及向用户传递有关精神或身体状态的信息。在运动康复领域，闭环神经刺激系统为因中风、受伤、癫痫、帕金森病和其他疾病造成的各种精神或身体损伤的患者带来了巨大的收益[208], [209]。通过实时感应和适应性神经刺激，通常是通过植入的刺激装置，医生可以对这些疾病的症状进行前所未有的控制。

8.0 结论

无创脑刺激（NIBS）具有帮助作战人员加速训练和知识获取，以及维持、优化和提高任务绩效的潜力。然而，对这一潜力的热情被一些理论、伦理、机械和实践方面的局限性所抑制，这些限制减缓了NIBS在军事背景下的最终采用。这些并不是不可克服的挑战，尽管它们确实减缓了科学进步，增加了研究结果的不确定性。我们提出了几个继续研究的方向，这有助于推动科学和应用的界限，增加科学和技术知识，并阐明NIBS在军事环境中的近期和远期应用。

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