tDCS技术在航天员训练中的应用与前景展望

中国航天员科研训练中心的焦学军教授，去年在《面向航天任务环境的认知增强技术研究综述》中，分析了认知训练、非侵入式脑刺激、经皮穴位电刺激、联合干预手段等技术，在未来航天员进行航天任务中的意义，并对这些认知增强技术进行梳理和总结。这里把其中tDCS部分做一个整理。

在浩瀚的宇宙探索征程中，航天员作为人类的先锋，肩负着执行复杂航天任务的重任。然而，航天飞行环境的特殊性对航天员的认知能力提出了严峻挑战，这也促使了认知增强技术在航天领域的深入研究与应用探索。

航天员认知增强训练的必要性

航天飞行过程中，航天员长期处于微重力、大温差、空间辐射和密闭隔离的特殊环境。这种环境会对航天员的中枢神经系统造成损伤，进而严重影响其脑神经功能，导致认知功能出现不良影响。具体表现为工作记忆能力下降，难以高效存储和处理任务信息；信息加工处理能力减退，面对复杂任务场景时反应迟缓；注意力分散，容易在长时间的任务执行中出现疏忽。而航天任务的复杂性要求航天员必须具备高度的集中力、记忆力和决策能力。例如，在轨空间实验涉及多个系统协同操作，实验步骤繁琐且精确度要求高；出舱活动巡检需要在复杂的太空环境中精准操控设备并应对突发状况。认知能力的下降轻则影响航天任务的顺利执行，导致任务进度延误、实验数据准确性受损等问题，重则严重威胁到航天员的生命安全，如在太空行走过程中因注意力不集中而出现操作失误。因此，保持航天员在执行航天任务期间的良好注意力、记忆力和警觉性至关重要，利用多种认知增强技术来提高航天员的认知能力、减轻航天环境对认知的负面影响，已成为航天员训练中的关键环节。

目前，认知增强技术主要包括药物干预、认知训练、非侵入式物理刺激等。药物干预虽能通过调节神经递质水平改善大脑认知功能，但其副作用明显，如可能导致航天员出现恶心、头晕、心律失常等身体不适症状，影响其在太空中的正常工作和生活，因此在航天领域一般不予采用。而非侵入式物理刺激中的 tDCS 技术凭借其独特优势，逐渐成为研究热点。

tDCS 技术在提升航天员认知能力方面的研究

经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性的脑刺激技术，它利用 1 至 2 毫安的低强度直流电调节大脑皮层神经元活动及兴奋性。自本世纪初以来，研究人员发现施加在大脑运动皮层的阳极刺激可以增强大脑的活跃度，而阴极刺激则相反。随后，越来越多的研究报道 tDCS 对大脑认知功能具有调节作用。

2017 年，一项试验采用 tDCS 刺激被试者的前额叶皮层，同时被试者进行为期几天的决策训练。结果显示，与伪刺激组相比，阳极刺激显著改善了被试者的认知表现，加快了大脑获取信息的速度。这表明 tDCS 技术在决策力提升方面具有潜力，而决策力对于航天员在复杂任务场景中迅速做出正确判断至关重要。

2021 年，一项针对工作记忆的研究中，使用 1×1 tDCS 器械对被试者左侧背外侧前额叶皮质（DLPFC）施加 tDCS 刺激（1mA，10min）。结果发现，阳极刺激显著改善了被试者的工作记忆。工作记忆是航天员在执行任务时暂时存储和操作信息的关键认知能力，如在进行复杂仪器操作时需要同时记住多个步骤和参数，良好的工作记忆能力能确保任务的准确执行。

2023 年，研究进一步深入。一方面，对健康被试者右前额叶上施加阳极刺激（1.5mA，10min），发现刺激额叶和顶叶可以改善被试者的工作记忆能力，且工作记忆容量较高的个体改善效果更为显著。另一方面，对被试者右侧背外侧前额叶皮质 DLPFC 和右侧后顶叶皮层（PPC）施加 tDCS 刺激（1.5mA，15min），发现刺激额叶和顶叶均显著改善被试者的工作记忆容量，使被试者反应速度变快，同时与 PPC 相比，对 DLPFC 的刺激诱发了更快的反应时间。这些研究结果表明，刺激不同脑区域对空间工作记忆的改善效果有所差异，为针对性地利用 tDCS 技术提升航天员认知能力提供了依据。

此外，在军事领域的一项对飞行员的研究中，通过复杂的真实飞行模拟任务，在训练期间向右背外侧前额叶皮层施加高精度经颅直流电刺激（HD - tDCS）（1.5mA，30min）。结果发现，tDCS 刺激显著改善了训练期间和训练后飞行员的驾驶技术，尤其对新手飞行员效果显著。这表明 tDCS 具有在复杂技能领域增强技能的潜力，而航天员的航天任务操作技能同样复杂且关键，这为 tDCS 技术在航天员训练中的应用提供了有力参考。

随着技术的不断进步和发展，小型化的 tDCS 设备技术已经趋于成熟，例如 1×1 经颅直流电刺激器，重量仅为 0.8kg，变得更加轻便、紧凑且易于操作。这使得 tDCS 设备在航天环境中的使用成为可能，航天员可以在有限的空间和资源条件下进行认知增强训练。同时，tDCS 是一种相对安全的技术，对人体没有诱发疾病的副作用，这为其在航天领域的广泛应用奠定了基础。

联合干预手段 —— 认知增强的未来发展方向

在航天领域内，tDCS 被认为是一种潜在的工具，用于提高航天员在复杂任务中的认知表现。将 tDCS 与认知训练联合使用，可以增强作用效果，改善认知功能。

2017 年，一项研究对 59 名健康大学生的左侧前额叶进行阳极刺激（0.7mA，13min），同时受试者接受由三种不同实验类型组成的感觉 - 运动范式训练：单一视觉任务、单一听觉任务和双重任务。结果发现，认知训练和 tDCS 刺激联合的方法增强了未经训练的任务绩效。在该研究中，反应选择任务在 2 周随访时显示出较弱的益处，但视觉搜索任务表现出持续的性能增强。这表明，通过增加训练的数量或修改 tDCS 参数（刺激强度），可能会使近迁移任务获得更长的持续效果。

另一项对 71 名健康被试者的左侧和右侧 DLPFC 进行 tDCS 刺激（1mA，20min），同时进行空间和语言工作记忆的训练。结果显示，tDCS 刺激可以增强训练的效果，此外，tDCS 的这些有益效果可以转移到未经训练的任务中，并且作用效果可以维持长达 9 个月。

国外研究也证明，在军事背景下，tDCS 刺激联合认知训练干预手段可实现对军事人员更持久和高效的认知增强效果，帮助军事人员在长时间任务执行中保持高水平的认知表现。这与航天任务的需求高度契合，航天员在长时间的太空任务中需要持续保持良好的认知状态，以应对各种复杂情况和突发状况。

去年一项研究采用随机、双盲对照研究，对被试者左侧背外侧前额叶皮层进行阳极刺激（1mA，20min），并进行 9 次字母更新和马尔可夫决策任务。结果发现，个体记忆改善与 tDCS 诱发的较高电位之间存在相关性，磁共振成像（MRI）数据表明干预可能会导致神经网络动力学的调制。这进一步揭示了 tDCS 联合认知训练对认知能力改善的神经机制，为其在航天领域的应用提供了更深入的理论支持。

综上所述，联合干预手段将 tDCS 技术与认知训练有机结合，能够发挥两者的优势，实现对航天员认知能力更显著、更持久的提升效果。

结论

面对极端的航天环境，与脑科学紧密相关的多种认知增强技术已经成为改善航天员认知功能的重要手段。非侵入式物理刺激中的 tDCS 技术起效时间快，且其设备已经具备小型化优势，可轻便携带，方便航天员在太空环境中使用。同时，联合干预手段如结合认知训练维持时间长和 tDCS 刺激起效时间快两者的优点，使其相比单模态刺激对认知能力提升更加高效。随着技术的不断发展和完善，这些认知增强技术预计将在未来的航天活动中发挥更加重要的作用，助力航天员在浩瀚宇宙中更好地完成任务，推动人类太空探索事业不断向前发展。未来，进一步深入研究 tDCS 技术在不同航天任务场景中的应用效果、优化刺激参数以及探索与其他技术的协同作用，将为航天员的认知增强提供更精准、更有效的解决方案，保障航天员在太空任务中的认知表现和生命安全。