HD-tDCS及雷达认知训练游戏提升雷达操纵员绩效研究

马晓岩，卢宏亮，张志龙，尹海军，朱 霞

(1空军军医大学军事医学心理学系军事心理学教研室，陕西 西安 710032；2解放军93897部队，陕西 西安 710082)

雷达操纵员是获取雷达情报的第一环节，其操作能力是雷达能否准确获取空情信息的决定性因素[1]，主要体现在处置复杂空情、多批次目标掌握、雷达操作及反电子对抗等方面[2-3]，一般总结为搜索、判别、测定、监视和报知5种能力[4]，从认知心理学观点看是一个控制性加工过程，包含了以工作记忆和注意力为主的多种认知能力[5-7]。研究表明，雷达操纵员在视觉搜索任务中对动态、快速、多任务、运动特性的目标有更强的搜索效率及认知资源分配效益[8-9]，反映出在工作记忆刷新功能、注意分配及注意警觉性等方面的优势。经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)作为一种非侵入性脑刺激技术近年来针对临床患者[10]、注意缺陷儿童[11]、运动员等认知增强被广泛研究[12-13]，其证明可以通过诱导皮质神经元活动[14]和功能变化[15]提升工作记忆[16]及注意力[17]等能力水平，最新的相关研究通过对军校学员左侧背外侧前额叶(dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC)进行干预也进一步阐明了tDCS应用到部队一线指战员的实用性及安全性[18-20]，因此本研究致力于采用高精度经颅直流电刺激(high-definition transcranial direct current stimulation，HD-tDCS)对现役雷达操纵员的DLPFC进行有规律性的干预，比较联合及单独使用HD-tDCS与雷达认知训练游戏对雷达操纵员绩效提升的效果，通过经典认知能力任务测评探讨工作记忆及注意力的行为学变化与操纵员绩效变化的关系。

1 对象与方法

1.1 对象

招募87名男性现役雷达操纵员作为试验被试，大专学历，年龄18～26(平均21.15±2.58)岁，本岗位工作年限1～8年，所在雷达站海拔高度均在1 000 m以下[21]。入组被试均要满足以下条件：①现役雷达操纵员；②右利手，听力正常，视力或矫正视力正常，无色盲色弱，瑞文智力测验分数为(100±10)分[22]；③无精神障碍、头部外伤史和手术史；④无其他可能影响实验的疾病；⑤近3个月未服用精神类药物；⑥近3个月未参加过类似实验。在实验开始前，根据空军军医大学唐都医院伦理委员会的批准(许可证号：NCT02420470)，所有被试在实验前被告知该研究存在的可能风险并填写了知情同意书，实验结束后给予被试费。

1.2 研究工具

1.2.1 认知能力测评工具 认知能力测评工具主要针对工作记忆广度、工作记忆刷新功能、注意广度、注意分配及持续性注意5项认知能力，参照曾祥炎等[23]编写的《E-Prime实验设计技术》及经典实验范式完成实验测评程序的编制。

工作记忆广度任务测评工作记忆广度，即工作记忆容量[24]：在屏幕中会随机位置呈现5～12个数量不等带有数字的圆形图标，点击“开始”键后，图标会以随机顺序逐个闪亮一下，每次闪亮持续100 ms，中间间隔400 ms。被试需记住图标闪亮的次序，待所有图标闪亮完后，再点“测评”键，并快速按照图标闪亮的次序逐个点击图标，点击完成或6 000 ms后自动呈现下一个试次，直到测评结束。整个测验程序共持续20个试次，结果记录被试每个试次的反应时间(reaction time，RT)、正确率(accuracy，ACC)及正确最大值。

空间N-back任务测评工作记忆刷新功能[25]：屏幕中间会呈现一个“3×3”的九宫格，其中随机一个格子(最中间的格除外)在每次刺激呈现时会变成蓝色，每次刺激呈现500 ms，按键或3 000 ms后呈现下一个刺激。被试判断当前蓝色格子的位置与之前第N个刺激呈现的蓝色格子位置是否相同，判断为相同按键盘上的“F”键，不同按键盘上的“J”键。根据任务难度的不同，整个测验程序分为3个区组，即2-back任务、3-back任务、4-back任务，每个区组共持续40个试次。结果记录被试每个试次的RT及ACC。

注意广度任务测评注意的广度[26]：在屏幕中会随机位置呈现3～10个数量不等的黑色圆点，每次刺激呈现100 ms，按键或3 000 ms后呈现下一个刺激。被试需迅速判断黑色圆点的数量，并按下键盘中对应数字的按键。整个测验程序共持续40个试次，结果记录被试每个试次的RT及ACC。

三维1-back任务测评注意的分配[27]：屏幕中间会出现一个九宫格，其中一个格子会随机填充颜色，被试要记住填充颜色格子的位置、颜色及里面的数字。从第2个开始，需判断当前填充颜色格子的位置、颜色及数字与上一个填充颜色格子的位置、颜色及数字是否相同。其中，数字呈现“0”或“1”，颜色呈现“红”、“黄”、“蓝”或“绿”色，位置呈现“左上”、“左下”、“右上”或“右下”4种情况。每次刺激呈现500 ms，按键或3 000 ms后呈现下一个刺激。该测验程序在编制时，设置为若出现相同，有且只有一个相同，判断位置相同按“D”键，颜色相同按“F”键，数字相同按“J”键，都不相同按“K”键。整个测验程序共持续40个试次，结果记录被试每个试次的RT及ACC。

精神运动警觉性任务(psychomotor vigilance task，PVT)测评注意的警觉性[28]：屏幕中央会出现一个黑色圆点，被试需要在看到黑色圆点时尽快按下空格键，在每个刺激中，圆点会在2 000～8 000 ms之间随机出现，按键或500 ms后呈现下一个刺激。整个测验程序共持续72个试次，结果记录被试每个试次的RT及ACC。

1.2.2 HD-tDCS tDCS设备采用美国Soterix Medical公司的HD-tDCS设备(1300A&4×1-C3A)，以国际脑电图学会规定的10-20系统标准电极放置法，阳极电极定位在F3处，4个阴极电极分别定位在AF3、F1、F5、FC3[29]，电刺激的电流强度设置为1.5 mA，每次刺激持续20 min[30]，使用常规刺激模式对联合组及刺激组进行干预，使用设备自带的假刺激模式对训练组及对照组进行干预。该模式会在刺激开始后的前30 s内增加电流至1.5 mA，随即降为0 mA，除了电流不同外，其余干预步骤均一致。干预过程中实施人员时刻关注被试的感受，如出现疼痛难忍或其他异常不适则立刻终止刺激。

1.2.3 雷达操纵员工作记忆及注意网络训练提升游戏 使用Unity Technologies公司开发的Unity3D游戏开发引擎编制“雷达操纵员工作记忆及注意力训练提升”游戏软件用来模拟操纵员机下练习完成本实验的认知训练模块。游戏内容通过提取和抽象出“多维N-back”“转换任务”“工作记忆广度任务”“视觉搜索任务”的范式模式与操纵员机下练习关键元素如“暂消重现”“批次分合”“想定航线”“标记批头”进行融合，形成了4个游戏部分，分别命名为“默记航点”“默记航线”“双批航线”“多批航点”。

1.2.4 雷达战备法规 雷达战备法规阅读是与本实验认知训练对照的干预方式。雷达战备法规也为操纵员需要掌握的训练内容，经过主试确认内容与认知训练无关后，在其监督下通过计算机呈现进行阅读。

1.3 研究步骤

1.3.1 被试分组 考虑到霍桑效应[31]的影响，将87名被试根据所在班别及寝室，以随机数表法随机分入4组。联合组为HD-tDCS与雷达认知训练游戏联合同步干预，共23人；训练组为雷达认知训练游戏单独干预，共22人；刺激组为HD-tDCS单独干预，共21人；对照组21人。

1.3.2 实验流程 ①通过练习模式让87名被试在正式实验前对5项认知能力测评任务进行简单练习，练习时每个试次反馈正确或错误的结果，让被试熟悉任务模式。然后通过以上测评任务评估87名被试的工作记忆广度、工作记忆刷新功能、注意广度、注意分配及持续性注意的认知水平。②对每名被试进行为期9 d的干预[17]，1次/d，时长20 min，HD-tDCS刺激电流强度为1.5 mA，联合组及刺激组采用阳极模式，训练组及对照组采用假刺激模式。联合组及训练组进行雷达认知训练游戏，分别记录4个游戏部分的ACC及RT，刺激组及对照组进行雷达战备法规阅读。为了避免暗示效应，雷达认知训练游戏在实验时只呈现游戏部分，去掉标有“雷达操纵员工作记忆及注意力训练提升”等相关内容的界面。结合被试初次练习成绩及操纵员的反馈，确保被试参与实验的积极性，正式实验时“默记航点”每个试次呈现4组刺激(相当于4-back)，“默记航线”及“双批航线”每个试次呈现3组刺激(相当于3-back)。③实验结束后对所有被试再次进行上述5项任务测评，同时收集被试实验前、实验后及实验1个月后机下练习科目(心算天线俯仰角、口报航点距离方位角、录入航线参数)的成绩，并询问被试实验结束后半年期间有无恶心、眩晕或其他异常不适。

1.4 统计学分析

2 结果

表2 各任务测评结果单独效应

图1 默记航线(A)及双批航线(B)反应时间成绩趋势图

表3 联合组与训练组被试默记航线ACC及RT成绩

表4 联合组与训练组被试双批航线ACC及RT成绩

3 讨论

从俄乌冲突战争形态演变来看，现代高技术战争对雷达操纵员所应具备的认知能力提出了更高的要求[34]，越是复杂及需要模糊逻辑判断的高级情报，操纵员信息处理量越大[35]。近年来脑科学在军事领域应用逐渐增多[36]，以强脑为主要技术来培养适应未来战场的新型作战力量被认为是扭转战场形势[37]、可以先发制人的重要手段[38]。军事专家提出，以tDCS为首的无创性脑干预技术可能会在未来战场发挥更大作用[39-40]。本研究对雷达操纵员的认知能力通过HD-tDCS进行了有规律性的干预，从结果来看，所有被试均没有反映出明显不适，没有产生明显的不良副作用，安全性较为可靠，干预后操纵员绩效水平提升明显，有应用实效性，联合组、刺激组、训练组对操纵员认知能力提升效果不同。

认知能力任务测评成绩分析发现工作记忆广度任务正确最大值、注意广度任务ACC成绩、PVT任务ACC成绩仅时间主效应显著，说明3种干预方法存在显著提升的时间效应，但效果无显著差别，分析原因可能为实验中涉及的相应认知能力干预量不够。刷新功能评估最经典的范式是N-back任务，注意分配可以用三维1-back任务来评估，研究结果说明联合组和训练组对操纵员刷新功能和注意分配有显著提升作用，联合组好于训练组。以往研究已表明，认知训练可以引起神经元的激活，tDCS刺激只会影响那些处在激活状态的神经元，以调节突触可塑性和神经元投射网络为主，无法对休眠状态的神经元产生影响，同时认知训练也可以增强tDCS刺激的效果，本研究结果与该理论结果基本一致。3-back任务测评RT成绩仅时间效应显著和三维1-back任务测评ACC成绩时间与组别的交互效应边缘显著，考虑原因为实验没有设置干预间隔，导致大脑皮层神经元过度消耗，使干预效果没有最大化显现。

经过对该游戏整体框架、执行逻辑及具体参数设定的打磨调试与修正完善，除了确保该游戏对本实验的正确性和可用性外，其最大的创新点在于还为操纵员提供一个专门针对“暂消重现”“批次分合”“想定航线”“标记批头”情况的新训练方法，相当于雷达操纵员机下练习进一步的分解练习。“默记航点”是在“多维N-back”的基础上进行，任务模式主要涵盖了刷新功能与注意分配，结果显示ACC及RT仅时间主效应显著，分析原因可能为操纵员经过长时间的专业训练，刷新功能与注意分配能力本身就很高，加之该游戏相比“默记航线”与“双批航线”任务较为简单，干预效果产生了天花板效应。以5批次为例，在操纵员训练中屏幕上会同时出现5个航点，天线一般以每转20 s居多，即在20 s之内操纵员需要监视每个航点的方位距离、高度、速度以及其他属性参数，随着天线的转动，航点位置会不断被刷新，操纵员需要与之前的航点动态跟踪进行比较，出现异常及时报知，从某种程度上来讲，相当于5-back任务。“默记航线”相当于“想定航线”的专项训练，任务模式主要涵盖了刷新功能与注意分配，难度较“默记航点”更大。从结果整体趋势看，联合组在第6次时出现了下降拐点，训练组直到第8次才出现下降拐点，说明联合组提升效果优于训练组。“双批航线”游戏主要模拟了雷达暂消重现情况，任务模式也主要包含了刷新功能与注意分配，但任务难度更为复杂。结果表明联合组与训练组两种干预方法都存在显著提升的效果，联合组在整体趋势上并没有明显的优于训练组，但联合组在第6次时出现了下降拐点，训练组直到第8次才出现下降拐点，分析原因可能为“暂消重现”在操纵员机下练习中是很常见又很关键的一种情况，且处置难度较大，为操纵员专业需要掌握的重难点内容，操纵员对该部分游戏的积极性更高，实验参与性更好。理论上训练组不应该出现第2～9次相比第1次均显著提升的结果，考虑可能为被试实验前初次练习没有完全熟悉游戏模式所致。“多批航点”是在“视觉搜索任务”的基础上进行，任务模式主要涵盖了工作记忆广度和注意广度，结果显示ACC及RT仅时间主效应显著，分析原因可能为该游戏所涵盖的认知能力与前三个游戏重合度不高，实验中该游戏共呈现56个刺激，时间在3分30秒左右，干预量不够，时间效应可能仅为练习效应所致。

心算天线俯仰角及口报航点距离方位角成绩仅时间主效应显著，分析原因，操纵员经过长期的训练，其水平基本上保持在一个稳定的瓶颈期阶段，所以相比专业训练本身的训练累积量，本次实验的干预量太少，从效应量看联合组与训练组有相对较大的提升效果。录入航线参数成绩时间主效应、时间与组别的交互效应、组别主效应均不显著。分析原因，一是录入航线参数是相对比较简单的科目，经过一定程度训练的操纵员基本都可以达标，存在天花板效应；二是该科目所需的主要认知能力除了工作记忆及注意力，还有心理运动能力，而本研究HD-tDCS刺激的位点为DLPFC，并非心理运动能力的刺激位点。

综上所述，“雷达认知训练游戏”有理由作为一种新的训练方法来辅助操纵员机下练习，实验中“默记航点”与“多批航点”游戏没有出现预期的结果，通过讨论我们考虑在后期软件优化升级过程中加入自适应功能以增强游戏的智能性及实效性。在格式塔心理学对于整体的论述中提到，将多种能力倾向进行与实际任务情境相似的综合练习更有助于提高训练效果，操纵员机下练习就体现了这一特点，所以在一定程度上可视作针对性及专业性都很强的认知训练范式，故我们可以大胆推测，机下练习与tDCS刺激同步干预也可以有效提升其训练成绩。虽然，本课题组已经申请了关于tDCS认知提升战术头盔技术的相关专利，但tDCS应用到一线指战员还需要部队首长及专家进一步的综合认证及全面考虑；然而，本研究设计研发的“雷达认知训练游戏”作为机下练习的分解练习，对雷达操纵学兵的入门训练有很大的垫脚石意义，经再优化后可以直接推广使用。