《Acta Astronautica》：Evaluation of Non-invasive Brain Stimulation Techniques for use on Long Duration Spaceflight Missions
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长期太空任务中宇航员认知能力下降的神经调节技术评估与建议
Sage O. Sherman | Allison P. Hayman
科罗拉多大学博尔德分校Ann & H.J. Smead航空航天工程科学系。博尔德，科罗拉多州
摘要
在长期太空飞行任务中，宇航员可能会面临精神表现下降的风险，目前正研究非侵入性、不显眼的应对措施。使用非侵入性脑刺激（NiBS）技术来诱导神经调节可能是一种有用且安全的应对方法，但迄今为止尚未对多种有前景的技术进行综合评估。本研究评估了四种NiBS技术：经颅电刺激（tES）、经颅磁刺激（TMS）、经颅光生物调节（tPBM）和随机共振（SR）。我们确定了每种技术在提高人类表现方面的最有利属性，并展示了其在太空飞行环境中的实施可能性。评估从三个与支持人类表现和心理健康相关的变量，以及三个与机组人员和任务执行相关的变量对每种技术进行了评分。分析表明，不同的NiBS技术在应对这些特定变量方面各有优势。然而，目前还没有任何一种技术在太空中得到实际应用。尚不清楚太空飞行环境是否会对大脑及其神经机制产生影响，从而影响其与NiBS技术的交互作用。我们建议继续投资以解决这些局限性。此外，本文中用于评估新兴医疗对策的方法也可应用于其他技术，并根据特定任务需求进行调整，无论是太空飞行、地面研究还是现场评估。
引言
宇航员必须快速连续完成各种复杂的操作任务以实现任务目标。在太空中生活和工作需要高度的人类表现能力和高度的警惕性，因为错误可能导致设备损坏、航天器受损或危及任务或机组人员的健康[1]。例如，前往月球或火星的长期探索任务将更加复杂，持续时间也比当前的近地轨道太空飞行更长[2]。此外，太空飞行的生理风险，如重力减小和太空辐射，会影响机组人员的健康，并导致生理和神经变化，进而影响人类表现[3]。例如，太空辐射可能导致中枢神经系统退化[4]。在类似太空飞行的辐射暴露模型中，神经元表现出凋亡率、自噬和神经发生的变化[5][6]。辐射引起的神经变化可能导致啮齿动物出现行为变化，如空间学习和记忆能力下降、精细运动控制能力减弱以及神经退行性疾病病理加速[7][8][9]。此外，微重力也被证明会改变人类的神经结构和感知[10][11]。长期太空飞行任务前后的MRI扫描显示，宇航员在太空中的大脑会向上移动，导致灰质和白质体积发生变化，以及脑脊液的重新分布[10][12][13][14]。此外，在航天器中生活还会增加其他压力因素，Morphew将这些压力因素分为生理、心理、心理社会、宜居性和人为因素[15]。长期暴露于这些压力因素可能会影响机组人员的情感状态，进而影响其行为和认知过程[16][17]。在地球环境下模拟这些压力因素的实验也显示，人类表现会随时间下降[18]。此外，任务时间的延长会增加操作表现的担忧，并可能导致技能退化[19]。NASA的人类因素和行为表现（HFBP）小组指出，在深空或行星任务中，认知问题的风险需要得到缓解[20]。因此，有必要识别并开发方法来提高人类表现，以弥补在太空飞行环境中执行复杂操作任务时因精神能力下降而造成的影响。
一个有前景的研究领域是神经调节，即利用刺激来改变神经活动[21]。非侵入性脑刺激（NiBS）是一类利用实时外部影响来刺激神经过程的神经调节方法[22]。侵入性和药物性的神经调节方法可以针对神经行为，但往往伴有副作用[23][24]。NiBS可能是一个合适的替代方案，因为谨慎的应用可以产生安全、可逆的效果，并直接作用于神经回路[25]。然而，每种NiBS技术通过不同的神经机制发挥作用，因此某些技术可能比其他技术更适用于太空飞行环境。
本研究评估了四种不同的NiBS技术在太空飞行中的实用性和适用性。所评估的NiBS技术包括经颅电刺激（tES）、经颅磁刺激（TMS）、经颅光生物调节（tPBM）和随机共振（SR）。根据NASA的定义，所有考虑的技术的技术成熟度等级均为四级或以上[26]。虽然可能存在其他诱导神经调节的NiBS技术，但所选的这些技术在我们对其引发神经变化的机制的理解上相对成熟，并且都已经在人类群体中进行了测试。
分析方法
适当的太空飞行应对措施必须有效缓解太空飞行的生理和心理影响，同时对宇航员的日常生活和航天器造成的干扰最小化。然而，在现有文献中，作者未能找到专门用于比较NiBS技术作为太空飞行应对措施的分析方法。因此，我们制定了评估与人类表现和任务整合相关的应对措施的标准。
研究结果
以下部分根据表1和表2中列出的标准评估了所考虑的NiBS技术。随后进行了讨论，以比较这些技术及其未来所需的工作。
讨论
在这项评估中，四种NiBS技术被视为潜在的人类表现下降应对措施。根据文献综述，确定了六个变量的评分，其中三个与支持人类表现和心理健康相关，另外三个与机组人员和任务执行相关。这些发现的总结见表3。根据事先定义的标准，某些技术在某些方面表现更为有效。
结论
本研究评估了四种NiBS技术在太空飞行环境中的实用性和适用性。评估从三个与支持人类表现和心理健康相关的变量，以及另外三个与机组人员和任务执行相关的变量对每种技术进行了评分。简要回顾了每种技术及其在这些变量上的得分情况。
作者贡献声明
Sage O. Sherman：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、概念化。Allison P. Hayman：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论、概念化
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢哈佛医学院的Gary Strangman博士对我们研究结果、结论和手稿草稿提供了专业的技术反馈。
