非侵入性脑刺激和太空探索

美国国家航空航天局NASA由于银河宇宙辐射、非自然重力场和极端环境对生命的威胁，宇航员的健康和表现正成为核心问题。人脑经历了与液体漂移和颅内压力相关的功能和结构变化。行为异常，如认知缺陷、睡眠障碍、视觉运动障碍和心理影响。本文讨论了非侵入性脑刺激(NiBS)经颅磁刺激是太空探索中的机遇和挑战(TMS)经颅电刺激(tES)。本文发表在Neuroscience and Biobehavioral Reviews。

非侵入性脑刺激已成为许多领域脑神经调节的重要措施。思影科技已经解读了许多相关文献，可以点击下面的阅读来提高理解（可添加微信号siyingyxf或18983979082获取原文）：

颅电刺激对生理和病理衰老过程中场景记忆的影响

The Neuroscientist：整合TMS、EEG和MRI——研究大脑连接性

皮质对关联刺激决策反应抑制:皮质-皮质皮质和皮质-皮质下网络

如何感知行动的影响？—关于中介感的任务态fMRI研究

使用刺激设备在神经回路调节层面治疗精神疾病

AJP：基于环路神经调节症状的特异性治疗靶点

CURRENT BIOLOGY: θ和α工作记忆控制中振荡的因果证据

BRAIN：TMS-EEG研究:脑反应为中风后的运动恢复提供个性化数据

皮质运动的兴奋性不受中区域的影响mu调整节律相位

TMS–EEG联合分析在人类大脑皮层连接组探索中的贡献

人类连接体的个体化干扰与认知相关的可复制网络动态生物标记

反复经颅磁刺激产生抗抑郁作用的基础:全脑功能连接与改变局部兴奋

Science advances：整个皮层区域非侵入性脑刺激技术的生理效果

实时EEG触发的TMS抑郁症患者左侧前额叶皮同步脑振荡刺激

颅直流刺激对双相情感障碍患者的奖励回路的影响

运动皮层对先兆亨廷顿病患者的运动功能有节奏

Nature子刊:中风可塑性调节:神经功能恢复新模型

对PTSD和MDD共病患者的TMS探索脑网络机制的临床治疗反应

创伤后应激障碍（PTSD）连接神经生物标记的功能

MDD患者rTMS治疗和亚属扣带回（SGC）亢进的关系

感觉运动控制中的精神分裂症，注意调节皮层兴奋性缺损

AJP:经颅磁结合脑网络研究症小脑-前额叶网络连接

经颅交流电刺激（tACS）帮助老年人劳动恢复老年人工作记忆

深层经颅磁刺激促进肥胖患者减肥

TMS EEG研究：实现右额下回复杂行为非常重要

Biological Psychiatry:颅磁刺激前额皮层增强人类恐惧记忆的消退

JAMA Psychiatry：颅直流刺激背部前额叶减少特征焦虑对威胁刺激的反应

tACS结合EEG研究：创造性的神经机制

任务态fMRI研究：TMS刺激选择性地改变情景记忆网络的功能

阅读训练和经颅直流刺激可以提高中央失语症患者的阅读能力

重度抑郁症患者DLPFC抑制和兴奋TMS-EEG标记物

脑电结合经颅刺激研究：身体感觉皮层在亲社会行为中的因果作用

AJP:使用ASL经颅磁刺激灌注导向治疗强迫症

NEJM:Waving Hello to Noninvasive Deep-Brain Stimulation

健康大脑的经颅磁刺激识别可以预测中风后的语言能力是否异常

1 前言

太空飞行的平均时间已经从几天增加到几个月，即将到来的第一次火星着陆(2034年)预计需要两年，而2024年将有约30/60天的登月计划。从影响人类生理的微重力和宇宙辐射到影响情绪和认知的相关应激源，空间探索涉及多种应激源。因此，在探月任务(类似火星任务)和地面研究期间，需要评估急性和长期的健康后果，并研究潜在的对策。对于宇航员来说，需要优化认知表现来应对事故。在过去的20年里，人们研究了动物模型中辐射暴露的不同认知任务和相关大脑区域的反应，主要涉及前额叶皮质(mPFC)与海马体有关，与忆和空间记忆有关。认知缺陷似乎是由于暴露在与空间相关的带电粒子流中导致树突的复杂性和棘突密度的降低。另一方面，由于运动皮层的重组，微重力似乎与运动障碍有关。生活在与世隔绝、有限和极端的生活中(ICE)长期的环境压力也会导致抑郁和焦虑，并与异常的睡眠模式和食欲丧失有关。此外，认知和大脑的变化似乎是由于太空舱中二氧化碳的增加。目前提出的解决方案主要针对航天器的设计水平，以缓解一些应激源，如在航天器壁上安装厚保护罩，以最大限度地减少辐射。旋转舱产生人工重力场，以减少微重力的影响。但直接针对人体生理和相互作用的解决方案可以更多地保护宇航员的健康。

在各种NiBS经颅磁刺激技术(TMS)经颅电刺激(tES)可能是太空飞行风险的有效解决方案(图1)。TMS食品药品管理局的安全性和有效性已获得(FDA)用于治疗耐药抑郁症、强迫症和偏头痛。TMS当线圈感应时，变磁场产生高电场(~100-200V/m)，并能局部产生神经元放电。由于TMS在实际太空飞行中不能应用重量和尺寸，但在任务前后使用TMS它可能有助于收集大脑皮层兴奋性、可塑性和连接水平的数据。TMS可以揭示(病理)生理大脑对太空任务的反应，及宇航员大脑适应太空飞行的特定生物标记物。tES通过头皮电极传皮电极传递(通常低于2) mA)调了调节神经元集群，皮层电场不足以触发动作电位，但足以调节膜的兴奋性，即经颅电刺激会引起大脑振荡，改变皮层的兴奋性。各种tES在广泛的认知任务中实施了研究，以提高认知功能，如：警觉、多任务处理、语言、视觉运动协调、视觉敏锐度和工作记忆广度，以及抽象推理、流体智力和洞察力等更高的认知领域。

本文首先介绍了当前的可用性TMS和tES讨论了它们的安全性和可行性。然后总结了与空间相关的应激源。本文建议将NiBS提高机组人员在认知、运动和心理领域的表现作为一种潜在的工具。这种方法适用于月球、火星表面和国际空间站(ISS)为了巩固和加快学习，中长期停留特别有帮助，还包括促进飞行前的陆基训练。此外，本文还建议实施NiBS，提高陆基任务控制人员在换班期间的表现，并在飞行前后测量生物标志物。最后，讨论了空间任务期间的讨论NiBS问题和技术挑战的实施，提出了进一步的研究方向。

图1 可能从NiBS受益于空间探索领域

2 航天相关应激源

可分为应激源环境应激源，包括重力变化、宇宙辐射、压力、极温和光/暗周期的变化；航天器应激源，如振动、噪声、内部温度、光、生命持系统和居住设计；心理应激源，如孤立、危险、单调、工作负荷和团队合作。

 

2.1 失重(微重力)

未来太空任务具有更长的失重暴露时间，以及不同重力水平之间的转换，从地球上的1克到月球上的0.16克，再到火星上的0.38克。重力变化引起生理上的失调，例如静态平衡和前庭适应，最终导致大脑解剖学和神经生理学的变化。如顶枕和感觉运动区的α频率(8-12 Hz)增加，可能与重力减少有关。

到目前为止，只有两项研究报告了与航天有关的fMRI结果。在一名44岁的男宇航员首次在国际空间站执行长期任务(169天)期间，发射前30天和重返地球9天后，进行两次fMRI静息态扫描，发现右侧脑岛以及左侧小脑和右侧运动皮质之间的静息态功能连接性降低，可能是由于脑岛在整合感觉输入(即前庭、视觉和本体感觉)，以及在自我运动、空间定向、垂直知觉和与重力线索相关的视觉处理过程中发挥作用。由于失重导致这些脑区的功能改变，随后出现精细目标导向运动的速度和准确性降低、躯体感觉困难和运动计时障碍。第二项研究探讨了11名宇航员与健康对照的任务态功能连接的差异。研究发现，飞行后右后缘上回(参与前庭输入处理和直立位置感知)的连接性增加，前庭核团、右下顶叶皮质、小脑和运动、视觉、前庭和本体感觉区域之间的连接性减少。飞行后和飞行前，右侧边缘上回和左侧前岛之间的连接性与航天运动病（太空适应综合症）的严重程度呈正相关，连接变化可能是因为长期的微重力导致感觉剥夺，而大脑激活没有差异，可能归因于返回地球后的快速恢复。

同样关键的是眼科健康风险。通常在长时间航天飞行过程中演变出来的航天神经眼肌综合症(SANS)，也称为视觉障碍/颅内压(VIIP)，会引起一系列的症状，包括视力下降和眼睛结构变化。SANS似乎是由微重力引起的头部液体移位引发的。脑脊液(CSF)吸收受损导致颅内压升高，脉络膜肿胀，并影响眼睛。

空间神经科学包括不同的地面模拟，再现微重力对人体的影响，如头朝下卧床休息(HDBR)和抛物线飞行。自1986年以来，HDBR是应用最多的空间模拟之一，被试头朝下躺在倾斜的床上，但HDBR不会导致前庭对重力感觉的改变。而干浸水方法，被试被浸泡在温水中，同时覆盖有弹性的防水织物，以保持他们的干燥，避免与水直接接触，它模仿了几种太空飞行的特征，如缺乏对身体的支撑结构、体液集中、禁闭、静止和运动能力下降。最后，在抛物线飞行期间，飞机执行特定的飞行轨迹，被试经历正常、超重力和微重力阶段，通过修改抛物线轨迹，模拟火星重力(0.38g)和月球重力(0.16g)。

一项干浸水研究报告了α能量减少，θ能量增加。抛物线飞行研究显示β能量降低，可能与对失重的情绪反应，压力感受器刺激，或较低的唤醒水平有关。首次在微重力条件下使用低分辨率脑磁层析成像(LORETA)的研究表明，抛物线飞行的微重力阶段导致β能量显著增加，特别是在右额上回，可能是认知任务和情绪处理中表现改变的原因。HDBR研究证实了在实际太空飞行中α能量增加。至于MRI实验，关于抛物线飞行的研究显示，右角回(参与多感觉整合以及认知和空间任务)的内在连接强度降低。在HDBR被试身上进行的实验，报告了精细运动技能、执行功能和空间工作记忆的变化。到目前为止，还没有进行基于MRI的干浸水研究。

 

2.2 宇宙辐射

宇宙辐射由GCRs高能粒子和太阳粒子事件组成，包括质子、氦原子核和HZE离子。地球和低地球轨道上的人类受到地球磁层的保护，使这些高能粒子偏转，不受空间辐射的影响，而在范艾伦辐射带之外没有这样的保护。国际空间站仍受到部分磁层的保护，而前往月球和火星的旅程将涉及到更严重、更长时间的辐射暴露。除了终生癌症的风险增加，还有患急性中枢神经系统的风险，包括认知功能改变、运动功能降低和行为改变。认知缺陷包括短期记忆、学习、空间定向、运动功能、情绪识别、风险决策、警觉性、反应时间、处理速度、昼夜节律和疲劳。晚期中枢神经系统风险可能包括大脑萎缩和淀粉样蛋白β的积累，可能导致阿尔茨海默病(AD)和过早衰老等神经疾病。为了确定辐射对中枢神经系统的影响，人们使用带电粒子加速器对放射治疗患者和动物进行了地面研究，这些模型不仅证实了DNA和蛋白质的直接和间接损伤，而且证实了HZE核对神经再生和(可能导致的)认知损伤的影响。

一种新陈代谢控制技术似乎有巨大优势。包括人工诱导实验动物处于调节的、可逆的抑制代谢状态。与活跃的代谢状态相比，减少了航天器内的质量、体积和动力生命维持，减轻辐射和微重力引起的负面影响。该系统可作为冬眠系统的初步测试，以保持人类在长期任务中处于类似的新陈代谢状态。

 

与接触GCR（银河宇宙射线，Galactic Cosmic Rays）相关的主要症状：

认知缺陷。使用高尔基银染色法对小鼠和大鼠进行神经元形态计量学研究表明，γ射线、质子和56Fe辐射可导致海马神经元分枝减少及失去树突，而分枝密度与认知表现呈正相关。暴露于低剂量的HZE粒子后，由前额叶皮质调节的神经认知任务可能会受到损害。在小鼠身上模拟了长时间暴露于GCR的太空任务，结果显示海马神经元的兴奋性降低，大脑皮层LTP损伤。此外，老鼠出现了社交回避、焦虑、恐惧消退记忆受损，以及识别位置和物体新颖性的困难。

焦虑。啮齿类动物在长期暴露于GCR和单独暴露在氦气后长达一年的情况下出现了焦虑，这表明焦虑状态与GCR暴露之间存在联系。

条件性的味觉厌恶。条件性味觉厌恶(CTA)测试评估摄入正常可接受的食物时的回避行为与疾病相关。CTA缺陷似乎是由极低剂量的重离子引起的。

陆地人类数据。放射治疗患者的数据证实了电离辐射对中枢神经系统的有害影响，如慢性疲劳和抑郁。几种肿瘤的放射治疗发现认知功能、语言习得、视觉空间能力、记忆和执行功能受损，以及社会行为的改变。

 

2.3 隔离、受限和极端(ICE)环境

如与家人和朋友隔绝、被关在狭窄的空间里，以及应对极端的工作条件。航天器包括环境控制和生命支持系统(ECLSS)、有限的居住空间和生活条件。离地球更远的距离和通信的延迟增加了孤立感，需要机组人员在没有NASA任务控制的帮助下独立地工作。

对ICE的反应。与世隔绝和高度持续的警觉性可能引发焦虑和皮质醇水平升高，影响食欲调节激素、免疫系统和下丘脑-垂体-性腺轴。可能会导致潜在的危险，如表现不佳、情绪障碍和其他心理状况。

 

3 无创脑刺激技术

NiBS依靠电磁原理产生皮层电场非侵入性地影响神经活动。目前用于临床和研究目的的主要有两类，即TMS和tES(图2)。

图2 非侵入性脑刺激技术

 

3.1 经颅磁刺激

TMS通过改变磁脉冲波形、线圈形状、刺激方向、强度、频率和模式等，可以产生不同的电场强度和形式。

当对运动皮质(M1)施加单脉冲TMS(spTMS)时，激活皮质脊髓下行通路，触发运动诱发电位(MEPs)。成对脉冲TMS(ppTMS)方案由2个连续脉冲组成，刺激间间隔(ISI)从几毫秒到数百毫秒。几毫秒的ISI用于研究反映GABA能神经元间活动的短暂皮层内抑制(SICI)机制。720ms的ISI用于皮层内促进(ICF)机制，主要反映谷氨酸能中间神经元的活动。在两个半球M1上传送的TMS脉冲可以探索半球间抑制作用。重复TMS(rTMS)可在刺激期后改变和调节皮层活动。rTMS后效应的生理基础尚未确定，似乎涉及长时增强(LTP)和长时抑制(LTD)。因此，rTMS方案影响刺激区的兴奋性和神经可塑性超过TMS持续时间本身，受个体差异以及刺激参数的影响，在使用低频rTMS(≤1Hz)时皮质兴奋性降低，高频rTMS(≥5Hz)方案下增加。rTMS主要用于研究认知、脑-行为关系以及各种神经和精神疾病的病理生理学。新的rTMS方法包括在θ频率应用高频刺激，称为theta-burst stimulation (TBS)。TBS所需的刺激强度较低，可以根据目的以连续(cTBS)或间歇(iTBS)的方式施加。

 

3.2 经颅电刺激

tES施加低的经颅电流(0.5-2 mA)，在特定脑区产生弱电场。不同的tES方案可以通过不同的刺激参数来实现，例如电极的形状、位置和数量、电流波形、频率和刺激持续时间。电流通过放置在头皮上并连接到电流波形发生器的两个或多个表面电极传送。最常用的是经颅直流电刺激(tDCS)、经颅交流电刺激(tACS)和经颅随机噪声刺激(tRNS)。

tDCS诱发低幅(0.5-2 mA)直流电流，调节大脑的兴奋性，根据产生的电场的方向，诱导神经元膜的改变。电流从阳极流向阴极，产生颅内电场，改变阳极下细胞膜去极化(即兴奋性增加)和阴极下的超极化(即兴奋性降低)，具有可塑性效应。tDCS使潜在神经元离放电阈值更近或更远，导致谷氨酰胺和谷氨酸水平增加和/或γ-氨基丁酸浓度降低。N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体依赖机制以及脑源性神经营养因子也发挥了关键作用。刺激持续时间和/或强度的增加之间的关系是非线性的，反映了解剖学因素(如颅骨厚度、皮质形态)和生理因素(如神经递质利用率和受体分布)的个体差异。突触强度的改变也受到稳态可塑性机制的影响，突触连接的促进/抑制也可能取决于先前大脑网络活动的情况。

tACS提供交流电在正负电场之间持续转换，从而引起跨膜电位的周期性变化，交替的去极化和超极化效应。tACS驱动皮层以与刺激本身传递的频率相同的自然频率振荡。与tDCS一样，它允许同时对多个大脑区域进行刺激，或可以在较宽的频率范围内施加刺激，在NREM睡眠期间施加0.75 Hz以增强陈述性记忆、到使用γ频率(40-80 Hz)以调制流体智力、解决问题的能力以及视觉空间协调。

tRNS以随机噪声的形式提供刺激，从而引起皮层兴奋性的增加(0.1-640 Hz)。这种类型的刺激是通过不同的机制诱导皮质可塑性的长期增强，例如重复开放钠通道。第二种假设是，tRNS可能使用随机共振机制发挥作用，微弱信号可以通过添加噪声来放大。到目前为止，很少有研究调查tRNS在改变EEG特征方面的作用，主要集中在简单的运动或感觉任务上。通过spTMS证明，tRNS似乎是增加M1皮层兴奋性的最有效的tES技术。

 

3.3 用于NiBS精确靶点的生物物理建模

tES的主要相互作用机制可能是电场和皮层中有序的、细长的神经元群体的耦合，特别是锥体细胞。其他类型的神经元(如中间神经元)或其他脑细胞（如胶质细胞）的作用则知之甚少。外加电场迫使细胞内离子位移，神经元的内部电荷分布变化导致跨膜电位差。对于在均匀电场(E)中具有空间常数λ的神经纤维，跨膜电位差在神经纤维端点处最大，其值可近似为λE·n，n是神经纤维轴的单位矢量。因此，理解tES效应的第一步是确定产生的电矢量场在大脑中的空间分布。头部的计算模型可以相当准确地预测人脑中的电场分布。这些模型的关键元素是描述作为容积导体的头部的几何形状和模型中组织的导电特性(图3 AB)。

图3 生物物理建模和网络定位

对tDCS期间大脑电场的第一次计算是在约10年前发表的。今天，这样的模型通常是为研究应用而开发的。现在的刺激方案采用多通道系统和小电极，与建模算法相结合，下一代模型将需要结合物理和生理元素的表征。基于快速电场模拟器，Ruffini开发了一个名为Stimweaver的优化系统，采用MRI导出的包含6个分割组织的有限元真实头部模型，快速计算多焦点tDCS电场(包括垂直于皮质表面的分量)。假设电流刺激的效应是一阶的，tDCS刺激的优化问题可以用垂直于皮层表面的电场分量来定义。利用约束最小二乘法比较加权目标和正常电场皮层图来优化电流强度并用遗传算法来选择电极数量及其位置。

 

3.4 使用NiBS的网络靶点定位

大脑活动被组织在一组静息态的功能网络(RSNs)中 (图3C)。网络内的功能连接性(FC)可以通过功能磁共振成像进行测量。研究最多的网络包括：默认网络(DMN)、额顶网络(FPCN)、感觉运动网络(SM)、腹侧注意网络(VAN)、突显网络(AS)。新的设备能够实现神经网络的多点刺激，使相互连接的皮层区域以及整个网络都参与进来。调节与大脑功能相关的整个网络也可能模仿更自然的皮质激活，提供更有效的刺激。

 

3.5 NiBS应用的框架和目标

潜在的应用包括在飞行前训练期间使用视觉运动和认知实验、增强飞行中的表现、预防/治疗焦虑/情绪障碍、预防微重力和宇宙辐射的有害影响以及飞行后康复。

NiBS方案经常在当被试参与任务时进行。tES适用于多个阶段，从在地球上为空间任务做准备的认知和运动训练，到实际的航天飞行(图4)。刺激可以在任务之前进行，触发不同形式的皮质可塑性，从而潜在地促进表现/学习。例如在M1上施加阴极tDCS导致皮层兴奋性的长期抑制。tDCS在不同的脑区也显示出类似的后刺激效应，例如躯体感觉皮层、DLPFC和小脑。此外，tES还可以在睡眠期间使用，调节参与巩固陈述性记忆的深度睡眠阶段。

图4 NiBS应用框架

TMS和tES也是研究生物标志物的有力工具。通过控制TMS或tES，可以量化局部响应、信号跨网络传播的速度以及网络对扰动的恢复能力。对于宇航员，TMS和tES评估结合任务前后的脑电图和神经成像可以确定潜在的局部可塑性、皮质兴奋性、连通性和脑振荡变化的生物标志物，这些指标以前与抑郁症和神经变性有关。

 

如果您对脑电图和神经成像后处理及机器学习感兴趣，欢迎浏览思影科技课程及服务（可添加微信号siyingyxf或18983979082详细了解）：

 

第三十四届磁共振脑影像基础班（南京，10.30-11.4）

 

第十八届磁共振脑网络数据处理班（南京，11.6-11）

 

第十三届脑影像机器学习班（南京，12.13-18）

 

第二届DWI提高班（南京，10.24-29）

 

第十届脑电数据处理入门班（南京，12.1-6）

 

第二十二届脑电数据处理中级班（南京，11.12-17）

 

第七届脑电信号数据处理提高班（南京，11.18-23）

 

第三十五届磁共振脑影像基础班（重庆，11.30-12.5）

 

第十二届脑影像机器学习班（重庆，11.11-16）

 

第十届磁共振脑影像结构班（重庆，11.2-7）

 

第十四届DTI数据处理班（重庆，11.19-24）

 

第七届任务态fMRI专题班(重庆，1.14-19）

 

思影科技功能磁共振(fMRI)数据处理业务

 

思影科技弥散加权成像（DWI/dMRI）数据处理

 

思影科技脑结构磁共振成像数据处理业务（T1)

 

思影科技脑影像机器学习数据处理业务介绍

 

思影科技EEG/ERP数据处理业务

 

4 飞行前NiBS的应用：培训

飞行前训练通常持续2-4年，例如学习和巩固在ISS（国际空间站）上操作Space Station Remote Manipulator System (SSRMS)。实施tDCS可以加强运动过程和程序性学习的巩固。宇航员还需要学习从空间生理学到地质学和航天器工程等领域的大量知识。可以在睡眠中应用tES以改善陈述性记忆的学习、巩固和回忆。

 

4.1 TMS诱导神经可塑性和运动学习

突触强度(即神经可塑性)的变化受多种机制的控制，如LTP和LTD。LTP可以在学习后自然诱导，也可以由以特定模式提供的外部刺激触发。TBS是一种具有诱发可塑性的TMS方案。间歇性刺激模式(iTBS)导致皮层兴奋性增加(类似于LTP)。特别是在运动学习的早期阶段。例如，运动任务前10分钟在M1施加iTBS，增强了对弹道动作的学习。Koch使用小脑iTBS来加速视觉运动适应任务(VAT)。TBS方案还可以帮助诸如训练非利手操作SSRMS、登月和火星着陆以及EVA操作。在高强度运动训练后，非利手的表现可以超过利手。

 

4.2 tES、运动学习和运动记忆巩固

在运动学习时，tDCS可以调节整体运动性能以及学习和巩固所涉及的特定过程。M1在早期学习阶段参与最多，而运动学习是由不同的区域调节的，如运动前区和顶叶。Stagg的研究表明tDCS在外显运动学习中的特异性效应，只有在阳极刺激和刺激与任务同时进行的情况下才能观察到改善。将阳极放置在M1上，在训练的同时应用tDCS可以增强内隐运动学习，而刺激前额叶没有效果。在运动适应时(即根据不同的感觉输入或运动输出修改运动，减少误差)，对M1进行了真或假tDCS，虽然两种情况下机械臂到达的全局误差相似，但真刺激具有更好的全局到达性能。重要的是，tDCS具有改变大脑可塑性的能力，所以可能会持续数月之久。与tDCS类似，在M1上应用tRNS 10分钟可以改善内隐运动学习，持续长达1.5小时。也有研究表明，对小脑施加tDCS比对M1施加刺激更有效。

在精细运动学习时，如外科培训，将tDCS施加非外科医生被试的M1时，执行虚拟神经外科操作的被试表现更好，在6周的随访中检测到长期影响。另一项实验中，在使用腹腔镜手术虚拟操作培训期间，在被试M1上施加tDCS刺激，表现得到改善。值得注意的是，培训涉及显微镜或微创工具的外科医生需要针对与缺乏触觉、深度知觉和手眼协调改变有关的困难进行密集和专门的培训，类似于宇航员操作SSRMS机械臂所经历的情况。

虽然在任务期间应用tES似乎是增强运动记忆学习的最佳方案，但在睡眠期间调制可能会促进记忆巩固。Lustenberger应用了EEG反馈控制的方法，在NREM睡眠纺锤波检测时施加12 Hz的tACS，增强了运动记忆巩固。

 

4.3 通过睡眠进行陈述性记忆巩固

tES也可以用于加强陈述性记忆。Marshall是第一个通过电刺激调节睡眠来增加陈述性记忆回忆的人。他们研究了在双侧额叶施加0.75Hz的tDCS，以及在慢波睡眠(SWS)期间施加tDCS(F3，F4)对年轻人的影响。该小组还通过研究啮齿动物模型中的皮层活动，证明了otDCS方案对NREM睡眠期间认知功能的影响。最近的研究发现，通过闭环tACS-EEG设备施加0.50-1.2 Hz频率的正弦波后，陈述性记忆任务表现更好，δ能量增强，γ和sigma波增多。在午睡期间通过不同的tES方案(tACS或tDCS)对老年人进行刺激也能够控制慢波活动(SWA)并增强记忆巩固。在单词任务、视觉记忆任务也有类似的发现。

 

5 任务控制、航天器、空间装置和飞行中/过境NIB应用：性能和生活质量

三种主要行为和认知风险：

(1)由于睡眠不足、昼夜节律失调和工作超负荷造成的风险；

(2)由于团队内的心理压力、合作、协调、沟通和心理社会适应不足造成的风险；

(3)不利的认知或行为条件和精神障碍的风险。讨论了宇航员典型损害，如认知、运动和感觉运动协调、睡眠缺失和转移，以及心理状态的改变，并列举了NiBS在此方面的应用(图5)。

图5 主要的应激源和飞行中可能的NiBS方案

在执行空间任务期间，NiBS也可用于确保陆基飞行控制人员的表现。任务控制中心(MCC)负责国际空间站和航天器的安全和规划，处理深空任务中经常出现的问题，以及威胁机组人员健康的情况，例如航天器上的设备故障、机组人员生病或受伤，这些通常需要有效的决策、解决问题和多任务处理的技能，以及长时间保持警惕和注意力的能力。

 

5.1 视觉系统

tES刺激可以帮助减轻SANS。可以选择针对α频率(10 Hz)刺激，因为它在视觉系统振荡中起主导作用，并且与注意过程和视觉处理相关。

 

5.2 运动系统

在缺乏重力的环境中，来自所有感觉和运动系统的信号的整合被大幅修改。这些改变会引发运动控制障碍，改变眼手协调，视力不稳定，以及自我和视觉场景的幻觉运动。当宇航员从眼睛、肌肉和关节或前庭器官接收到的感觉输入相互冲突时，很容易迷失方向，便会产生这种症状，导致恶心和眩晕。不同重力场的来回转换也会影响对物体和工具的操作。另一项关键活动是EVA，即在国际空间站外进行太空行走，用于月球表面探测或火星探测。

感觉运动整合与视觉运动协调。Wach在评估右手的移动速度和准确性的同时，在左侧M1上施加10 Hz和20 Hz的tACS，10Hz的tACS增加了运动的可变性，而20Hz会导致运动减慢。Guera在M1上施加运动和非运动共振频率的tACS的同时施加了不同的TMS方案，通过刺激β频段促进了感觉运动整合。Santarnecchi在视觉运动协调任务中以不同的频率(5 Hz、20 Hz、60 Hz和80 Hz)在M1施加tACS，结果显示虽然20 Hz减缓了被试的速度，但高γ的tACS(80 Hz)促进了视觉运动协调。因此，tES可以增强感觉-运动整合和视觉运动协调，帮助宇航员解决由于太空飞行中运动控制障碍和眼手协调改变而造成的困难。

运动表现和疲劳。在M1施加刺激似乎能够改善肌肉群和耐力。Vines的研究表明，在左侧M1上施加阳极tDCS刺激改善了右手手指运动表现，而同一区域的阴极刺激则改善了左手的表现。Flood团队改变了靶点脑区，还调查了不同的运动参数，12名被试在进行疲劳的下肢运动时，位于感觉运动皮层的tDCS降低了疼痛感。其他研究也报告了tES提高了肌肉耐力，阳极刺激延长了任务失败的时间和肌肉疲劳量。NiBS在M1中诱导的效应可能容易受到自主肌肉活动的影响，特别是当这种活动与刺激同时发生时。

根据对职业运动员的研究报告，非侵入性脑刺激能够提高体能。Okano研究了左侧颞叶皮质上施加20min阳极tDCS对自行车运动员的影响，结果发现峰值功率显著提高，心率降低。当阴极放在对侧肩膀上，阳极施加在M1上时耐力增加。tDCS对运动员和健康人运动成绩的有益影响可能是因为tES可以缓解疲劳。rTMS和tDCS也可应用于疾病中缓解疲劳，如多发性硬化症、帕金森氏病和纤维肌痛。

 

5.3 认知

关于太空飞行对认知功能的影响是有争议的。Strangman总结研究了注意力、记忆、学习、执行或更高阶功能、情绪处理和社会处理。虽然没有发现太空飞行期间认知功能的显著下降，但强调了在轨道上处理任务困难、认知减慢和记忆问题。各种动物研究证明了由于宇宙辐射暴露导致突触修剪造成了认知缺陷，这使我们很难得出认知能力没有显著下降的结论。一种可能的解释为“储备能力”。具有高级功能的个体可能拥有一种储备因子，在大脑病变时调节认知功能障碍的表达。储备能力根据两个模型进一步概念化：大脑储备（大脑结构）和认知储备（复杂认知过程）。更聪明或受教育程度更高的人拥有更高水平的认知储备和大脑储备，表现出的认知损伤比受教育程度较低或智商较低的人更低。未来的宇航员是从一大批候选人中精心挑选出来的，他们通常拥有高水平的学位(天体物理学/工程学/医学博士)，或从事需要高技能的工作(空军飞行员、试飞员、军人)。

应该不断监测和加强宇航员的表现，以使太空任务取得更好的结果。在太空任务中，宇航员每天都需要保持持续的注意力，能够在恶劣的环境中，在压力和时间紧迫的情况下执行任务。除了注意力和工作记忆，多任务处理能力也是至关重要的。知觉问题也与微重力环境特性有关，这些微重力环境特性使宇航员看到非常规方向的物体。

注意和警惕。Bolognini在左右半球后顶叶皮质(PPC)施加阳极兴奋性tDCS，并进行30分钟的多感官视野探索训练。测试了视觉探索速度、视觉扫描和视觉空间定向方面的表现。tDCS刺激右侧PPC可改善训练诱导的视觉探索行为。在两个空间线索任务中使用α和γ的tACS刺激，Hopfinger研究了内源性和外源性注意的调制。γ tACS(40 Hz)显著促进内源性注意，作者认为γ波在注意分离和重新定向中起主导作用，进一步证明了一种增强注意的方法。在美国空军支持的一项研究中，tDCS提高了飞行员的警觉性(持续关注)和目标检测。

多任务和工作记忆。tDCS在工作记忆(WM)中主要集中在背外侧前额叶皮质(DLPFC)。刺激左侧DLPFC可通过增强工作记忆容量来提高任务准确性。Zaehle描述了在2-back WM任务中，阳极tDCS可以提高准确率，增加了α和θ能量，而阴极tDCS相反。Ohn在3-back语言任务中给予20分钟1 mA阳极tDCS刺激，刺激的影响可以持续到刺激结束后30分钟。tDCS也可提高空军飞行员空间识别准确性的能力，在DLPFC施加阳极tDCS使得20名空军被试多任务处理能力增强。

尽管tDCS调节行为表现的能力似乎被广泛复制，但2015年对tDCS研究的一次综述发现，没有统计证据支持健康被试在一次tDCS后认知表现有强烈变化。研究还发现tDCS对各种神经生理结果的影响统计可靠性较低。考虑到外部刺激(如低电流刺激)诱导的效果如何受到大脑状态的高度影响，tDCS中关于认知增强的模糊结果可能是由个体差异造成的。另一方面，tACS在诱导短期记忆容量的频率特异性效应方面有效。在数字跨度任务期间，在左侧后顶叶皮质上施加θ(5 Hz)、α(10 Hz)、β(20 Hz)和γ(40 Hz)范围的振荡刺激。

解决问题、洞察力、流畅的智力和创造力。Dockery描述了tDCS在左侧DLPFC对Tower of London任务（战略规划）的影响。在任务表现的早期习得阶段施加阴极tDCS刺激改善了表现，可能是由于它减少了分散注意力的噪音，而阳极刺激提高了任务后期阶段的表现，可能是对任务相关神经元活动具有增强作用。在顶区(P4)或颞区(T8)施加tACS也可以调节洞察力。流体智力(GF)在单次tACS干预中也得到了调节。除此之外，对额叶皮质(10 Hz Tacs)的α刺激与创造力有关，即产生创新想法的能力。

 

5.4 睡眠

其与环境的改变有关，如光暗周期、光暴露和低光强、航天器干扰睡眠的噪音水平。Monk分析了四名宇航员的睡眠，发现快速眼动睡眠没有改变，但慢波活动普遍减少，说明睡眠变浅。其他研究发现，在返回地球后的第一周内，快速眼动睡眠总时间显著增加，潜伏期缩短。在长期任务中，可能会出现与此相关的重大睡眠中断问题，并导致更多的错误、抑郁、焦虑和更高的皮质醇水平。微重力条件下褪黑素也会减少。

睡眠质量和困倦。睡眠质量与慢波睡眠(SWS)时间呈正相关。Ketz以巩固记忆为目的进行实验，在NREM阶段施加与SWS匹配的闭环tACS，结果发现SWS时间显著上升，说明睡眠质量改善。Saebiour在SWS期间对一组受原发性失眠患者进行了5分钟的0.75 Hz otDCS刺激，达到了加深睡眠的效果(增加了NREM3)。到目前为止，只有一项研究在额叶区域施加tES促进清醒被试产生困倦，希望能在未来诱导睡眠。

睡眠不足和警觉。McIntire证明了tDCS可缓解因睡眠不足6小时而导致的警觉性降低，比咖啡因的效果长3倍。与接受假刺激的被试相比，接受tDCS的被试在刺激后产生的疲劳和/或昏昏欲睡更少，精力更充沛。tDCS在刺激后大约6小时内可以防止警觉性下降。研究发现，这种对唤醒和情绪的影响持续时间长达刺激后24小时。有可能在国际空间站或地面任务控制中心开始换班之前施加tDCS，以提供持续到工作日结束。

 

5.5 心理状态

压力环境(如缺氧和宇宙辐射)导致前额叶功能障碍，不仅会导致认知错误和睡眠中断，还会导致情绪处理的戏剧性改变。在危险和紧张的环境中，焦虑是常见问题。尽管有关抑郁和焦虑状态的报道通常是模糊的或主观的，但在宇航员身上也会遇到这种情况。危险情况下皮质醇水平升高会减少调节食欲的荷尔蒙。食欲不振在宇航员中很常见。正如在动物模型中看到的那样，宇宙辐射也是厌食症行为的原因。

抑郁状态和焦虑。通过tES方案缓解抑郁、精神分裂症、焦虑、自闭症等，取得了良好的效果。目前的tES疗效研究更多针对抑郁症。经典的tDCS方案通常在左侧DLPFC上放置阳极。关于tDCS的随机研究(n=120)进行了12次30分钟的2 mA tDCS治疗，连续10个工作日疗程，然后每隔一周进行一次疗程，与服用舍曲林的效果进行比较。尽管tDCS和舍曲林联合治疗组的抑郁评分下降幅度更大，但tDCS单一疗法不仅优于假刺激，而且优于舍曲林单一疗法。Marshall发现，在双侧DLPFC上施加阳极tDCS巩固记忆时情绪也会得到改善。McIntire在研究使用tDCS改善睡眠剥夺情况下的疲劳感知时，用15项Likert Scale Mood Questionnaire和 Profile of Mood States (POMS)对健康被试进行了测试，得出了类似的结论。tDCS改变健康被试情绪状态可以通过其缓解疲劳等应激因素的负面影响来解释。

食欲不振。当在右侧DLPFC上施加阳极tDCS时，对食物的渴望会减少，与对神经性厌食症(AN)患者在左侧DLPFC上施加兴奋性刺激产生的效果正好相反。Fregn将两种tDCS方案(阳极右/阴极左和阳极左/阴极右)与假刺激进行比较，发现食物渴求分别减少、保持稳定和增加。

 

6 飞行后NiBS应用

如果一次长期任务可以直接改变大脑的解剖生理结构，也可以触发长期的适应机制，这些机制在返回地球后是有害的。航员从在宇宙飞船上工作了几个月，转向重新调整地面上的正常生活，认知缺陷和抑郁状态是这种转变的两种可能后果。NiBS可以在任务结束后对机组人员进行认知和心理康复。

 

6.1 TMS用于评估神经可塑性和皮质兴奋性神经可塑性

TMS经常被用于研究健康被试和患者的皮质可塑性，以及研究对超重和微重力的皮质脊髓兴奋性。Davey在3名健康被试M1上施加TMS并进行10次抛物线任务，以在三角肌和左右竖脊肌(ES) 中产生MEP。数据显示在0g时间段左右ES肌肉中MEP反应变多，说明微重力通过皮质脊髓兴奋性的增加产生ES肌肉的激活。关于地面模拟，Roberts结合TMS和fMRI，调查模拟重力作用的HDBR实验90天，是否引起皮质脊髓束兴奋性的变化。发现HDBR后运动区皮质活动减少，皮质脊髓兴奋性降低。这些皮层运动功能的降低可能是宇航员运动困难的基础。

 

6.2 认知和情绪提升

最近的一项研究调查了两对同卵双胞胎长期暴露在太空中的后果，其中一人在国际空间站度过了一年，另一人在地球上度过了一年。前者几乎所有认知测试的表现都下降。这种持续性认知缺陷与返回地球后的抑郁状态有关。考虑到tES应用于缓解抑郁状态的良好结果，无论是单独应用还是与抗抑郁药物联合使用，都是可以的。在一次太空任务中，tES可能是唯一能够在飞行中实施的NiBS技术，而进行地面飞行后康复的宇航员可以使用TMS进行治疗。FDA已批准在4-6周(20-30次)内每天重复在前额叶进行rTMS治疗，用于治疗先前抗抑郁药物无效的严重抑郁障碍症成年患者(MDD)。

 

6.3 生物标志物

TMS和tES与电生理学或神经成像技术相结合，(1)通过调整靶区以适应个体的解剖结构或功能活动来确实刺激哪里；(2)什么时候施加刺激；(3)如何设置刺激参数。一般情况下，可以使用神经成像数据来优化特定区域的靶点。其中最有前途的多模态技术之一是TMS和EEG并行记录(TMS-EEG)。TMS-EEG可以用于研究高时间分辨率的脑区间的因果连接，提供有关临床和健康人群皮层抑制和兴奋、可塑性和连接性的信息。tES-EEG方案可以加强试验推论。EEG用于探测tES影响的皮层区域的状态，并用于评估功能网络内的连通性和兴奋性改变。EEG可以记录信号的锁时特性以及事件相关电位(ERPs)，提供关于tES在特定皮质区域诱导的活动调制的信息。tACS-EEG可以用来评估特定区域或整个大脑震荡的变化。在太空飞行时，宇航员会产生ICP（颅内压）变化和液体漂移，可能会影响大脑功能并引发SANS。增加的ICP还可以触发大脑网络拓扑和组织的变化，这可以通过TMS-EEG进行研究。另一方面，tACS-EEG可能有助于研究远距离同步和振荡活动的改变。

 

7 监控和调制功能连通性

Demertzi的研究揭示了飞行后运动皮层和小脑之间FC的变化，以及默认网络(DMN)内的变化。在着陆地球的9天后，FC的变化仍然存在。首先，DMN可能在长时间航天飞行对微重力的适应过程中发挥作用。DMN的改变也可能是由于频繁的睡眠中断引起的。DMN的改变也可能与抑郁症状相关。DMN在记忆巩固、心理意象、内部对话和维持长期记忆方面发挥着关键作用，是认知功能和衰老的标志。因此，它的改变可能导致认知困难和抑郁。最近的研究调查了应对策略（一种心理和行为能力的结合，旨在将危险、冲突或焦虑情况下的压力降至最低）与大脑的关系。Santarnecchi分析了102名健康成年人的静息态fMRI数据和应对能力心理测量分数。皮层网络，如DMN和AS(突显网络)参与了在压力情况下采取不同应对方式的过程，可以通过NiBS刺激DMN节点来提高应对能力。

 

8 建议：技术挑战和注意事项

尽管NiBS技术在健康和临床人群中显示出很高的安全性和可行性，但它们在空间飞行任务中的应用需要谨慎考虑。相比地面非实验室环境，在国际空间站、宇宙飞船、月球和火星等空间环境中需要制定更具创新性的方案。因为它们与地球有许多不同之处，比如温度和压力，这些可能会潜在地损害刺激设备，尤其是飞行中的NiBS应用程序应该仔细测试。

 

8.1 NiBS的可行性

尽管由于重量和磁场干扰，TMS在国际空间站或航天飞行中的应用看起来不切实际，但它仍然可能是一种有用的工具，可以用来研究任务前后皮质兴奋性的差异。在宇航员从飞行任务返回时或在模拟后，可以实施测试-复测方案，作为例行健康检查和随访的一部分，以调查由于微重力/宇宙辐射的影响。另一方面，在实际的太空飞行中，tES是一种更实用的技术。tES通常不超过30分钟，由于刺激是非侵入性的，不会触发任何感觉，被试可以移动、说话和执行任务。

 

8.2 环境挑战

可分为三个时间段：

在行星表面。在地球上，NiBS技术是为临床环境中的应用而设计的。而在其他行星上，如火星或月球，环境会发生变化。假设硬件在航天过程中不会损坏，设备将面临极端的温度波动和可能的辐射。此外，该设备必须由受过有限培训的机组人员使用。与地面控制的交互将非常有限，在火星的情况下，至少有20分钟的延迟。

在发射或回收期间。由于体积和成本的限制，需要小型和轻量化的设备。有效载荷通常在经历各种重力、温度变化和极端振动的系统上发射。

在飞船上。在太空飞行中，环境受到控制，这意味着温度、湿度和氧气水平都得到了仔细的定义。实施tES所需的温度和湿度条件需要与船上环境匹配。失重也会影响硬件性能，包括散热不足。此外，辐射后果还需要进一步调查。

 

8.3 技术要求

除了环境因素和发射限制之外，飞船上任何现有的技术资源都十分重要。需要解决的因素包括封闭系统中的材料兼容性、热交换、有限的或没有再补给的可能性、不允许使用锂电池、控制产生的电磁噪声(EMI)、辐射影响、毒性和培训时间。

虽然tES设备是可行的，使用起来也很简单，但仍不满足上述的一些标准。从理论上讲，可能是在治疗过程中凝胶电极的供应和EMI的限制。另一方面，刺激期间由于太阳粒子事件使得电流增加或减少也是tES应用的主要问题。更进一步，tES软件需要与船上的承载能力和技术进行配合，下载EEG数据需要空间和时间。最后，需要培训宇航员学会修改刺激方案和参数。辐射和粒子事件可能会直接影响系统的电路板，并导致假阳性或假阴性。

 

8.4 对模拟器和刺激器的限制

如前面提到的SANS所证明的那样，在太空飞行过程中脑脊液的变化可能会干扰神经环路。修改压力和脑脊液分布将需要不同的生物物理模型，因为可能会产生不均匀的电流流动，触发与正常重力条件相比不同的神经网络和大脑区域的激活。为此，可以创建解剖学的参数模型，并且应用诸如电阻抗断层成像之类的技术来估计组织电导率。因此，开发能够模拟空间任务引起的神经生理变化的模拟器是tES可行性的关键。

 

结论

本文总结了在航空飞行和太空站、月球表面等环境作业过程中，宇航员面临的风险，包含大脑生理、心理和认知能力的变化。总结了非侵入性脑刺激在这一领域的潜在应用价值和存在的问题。主要包括经颅磁刺激(TMS)和经颅电刺激(tES)。从加速/巩固任务前的训练，到在飞行中试施刺激，再到确定飞行后大脑变化/适应的生物标记物，以及最后的指导康复。这些过程仍需要进行大量的研究。但现有研究已经将非侵入脑刺激广泛应用于认知、运动以及治疗领域，证明了其有效性和巨大潜力。其在航空科学上的应用需要多学科领域的共同发展和配合。

 

如需原文请添加思影科技微信：siyingyxf 或者18983979082获取,如对思影课程及服务感兴趣也可加此微信号咨询。觉得对您的研究有帮助，请给个转发，以及右下角点击一下在看，是对思影科技莫大的支持。

 

微信扫码或者长按选择识别关注思影

非常感谢转发支持与推荐