高頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激（rTMS）提高運(yùn)動(dòng)員的興奮性及其腦電特征研究

羅光霞，劉運(yùn)洲

●研究報(bào)道

高頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激（rTMS）提高運(yùn)動(dòng)員的興奮性及其腦電特征研究

羅光霞1，劉運(yùn)洲2

目的：探討高頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激（rTMS）的興奮作用及其腦電活動(dòng)，為使用rTMS提高運(yùn)動(dòng)員的喚醒水平提供理論基礎(chǔ)。方法：采用2×2×2混合設(shè)計(jì)，在運(yùn)動(dòng)員左側(cè)背外側(cè)前額葉（DLPFC）施加20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持續(xù)5 s，間隔55 s），分別測(cè)試刺激前、后的自評(píng)興奮度和腦電（EEG）。結(jié)果：rTMS刺激后男、女被試的自評(píng)興奮性提高，額部α波、β波和央部β波的活動(dòng)增強(qiáng)，頂部θ波和枕部δ波、θ波的活動(dòng)減弱。結(jié)論：高頻rTMS能夠提高興奮性，rTMS刺激后腦電活動(dòng)的變化在一定程度上可以解釋其神經(jīng)生物學(xué)效應(yīng)。

重復(fù)經(jīng)顱磁刺激；興奮；腦電

重復(fù)經(jīng)顱磁刺激（rTMS）是一種新型的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)技術(shù)，它通過(guò)時(shí)變磁場(chǎng)使大腦皮層產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而對(duì)刺激區(qū)域及相關(guān)腦區(qū)產(chǎn)生影響，且所產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)可持續(xù)到刺激停止后的一段時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，高頻（＞5 Hz）rTMS可促進(jìn)大腦皮層的興奮性，而低頻（≤1 Hz）rTMS則對(duì)大腦皮層的興奮性產(chǎn)生抑制，基于它能調(diào)節(jié)大腦皮層的興奮性而被廣泛地用于精神病學(xué)及神經(jīng)病學(xué)的臨床診斷與治療[1－2]。淡漠狀態(tài)是一種常見(jiàn)的賽前心理狀態(tài)，此狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)員的喚醒水平較低，常表現(xiàn)為興奮性低、情緒低落、反應(yīng)遲鈍、甚至不太愿意參加比賽，以致使得在競(jìng)賽中難以正常發(fā)揮。實(shí)踐中常采用呼吸調(diào)節(jié)、自我談話及身體活動(dòng)等方式進(jìn)行調(diào)控[3]，然而有時(shí)效果并不太理想。

前額葉參與許多復(fù)雜的認(rèn)知功能和行為功能，是調(diào)節(jié)下丘腦一垂體一腎上腺（HPA）軸功能及自主神經(jīng)功能的重要部位[4－5]。動(dòng)物和人類的大量研究表明左側(cè)前額葉與積極性情緒有關(guān)[5]，有研究顯示，在被試左側(cè)背外側(cè)前額葉（DLPFC）施加適宜的高頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激（rTMS）可提高正性情緒及減少逃避行為[6]。此外，高頻（＞5 Hz）rTMS可促進(jìn)大腦皮層的興奮性[1－2]，于是可嘗試將rTMS作為一種干預(yù)手段，通過(guò)在運(yùn)動(dòng)員左側(cè)背外側(cè)前額葉（DLPFC）施加適宜的高頻rTMS，用以提高其興奮性及改善情緒狀態(tài)，即從中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的喚醒水平進(jìn)行調(diào)控，將具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。

大腦皮質(zhì)的神經(jīng)元具有生物電活動(dòng)，記錄腦電活動(dòng)是探討腦生理和心理活動(dòng)的一種基本研究手段。腦電圖（EEG）是一種眾所周知的、廣泛使用的大腦活動(dòng)可視化技術(shù)，腦電圖（EEG）中有節(jié)律的活動(dòng)代表著大腦皮層神經(jīng)元突觸后電位活動(dòng)的同步化變化，可用于反映大腦皮層的機(jī)能狀態(tài)。腦電功率譜是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛、且較為成熟的腦電分析手段，可作為評(píng)價(jià)大腦機(jī)能狀態(tài)的一種工具[7]。當(dāng)前研究證實(shí)了20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持續(xù)5 s間隔55 s）能夠較好的提高運(yùn)動(dòng)皮層興奮性[8]，本研究擬采用該參數(shù)的rTMS在運(yùn)動(dòng)員左側(cè)背外側(cè)前額葉（DLPFC）實(shí)施刺激，使用自評(píng)興奮度和腦電功率譜進(jìn)行評(píng)價(jià)，用以考察其興奮作用及腦電活動(dòng)，以便較好的理解高頻rTMS的刺激效果及其神經(jīng)生物學(xué)效應(yīng)，為使用rTMS提高運(yùn)動(dòng)員的喚醒水平提供理論基礎(chǔ)。本研究的假設(shè)為：rTMS刺激后男、女被試的自評(píng)興奮性提高，額部α波、β波及央部β波的活動(dòng)增強(qiáng)，枕部δ波、θ波的活動(dòng)減弱。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 被 試

體校學(xué)生20名，右利手，其中男、女各10名，年齡16.32± 2.16歲，運(yùn)動(dòng)年限6～9年。所有被試均無(wú)既往病史、家族病史及精神疾病，符合TMS試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和腦電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。被試均自愿參加試驗(yàn)，不知道試驗(yàn)?zāi)康囊参磪⒓舆^(guò)相關(guān)試驗(yàn)。告訴被試試驗(yàn)過(guò)程及可能的影響，簽訂試驗(yàn)協(xié)議并付給相應(yīng)報(bào)酬。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用2×2×2混合設(shè)計(jì)。研究中包含3個(gè)因素：（1）性別（G），分男（G1）和女（G2）兩個(gè)水平；（2）刺激方式（S），分磁刺激（S1）和假刺激（S2）兩個(gè)水平；（3）測(cè)試時(shí)間（T），分刺激前（T1）和刺激后（T2）兩個(gè)水平。其中性別為組間因素，刺激方式和測(cè)試時(shí)間為組內(nèi)因素。

所有被試均接受兩種刺激方式的試驗(yàn)（即S1和S2），在接受每種刺激方式的試驗(yàn)時(shí)分別進(jìn)行前、后測(cè)（即T1和T2）。被試按照性別進(jìn)行匹配后隨機(jī)分成兩組，一組按S1S2的順序進(jìn)行試驗(yàn)，另一組按S2S1的順序進(jìn)行試驗(yàn)，兩次試驗(yàn)間隔一周，試驗(yàn)時(shí)間為9：30～11：30。要求被試在試驗(yàn)的前一天將頭洗干凈，試驗(yàn)期間不能飲酒和服用興奮性或者抑制性藥物，要保持正常的飲食及作息習(xí)慣。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)在屏蔽室進(jìn)行，試驗(yàn)前先簡(jiǎn)單介紹試驗(yàn)程序和注意事項(xiàng)，并告訴被試試驗(yàn)過(guò)程中如有不適立即可終止試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)先進(jìn)行問(wèn)卷測(cè)試和腦電測(cè)試（T1），然后使用經(jīng)顱磁刺激器實(shí)施刺激（S1和S2），刺激結(jié)束后再次進(jìn)行問(wèn)卷測(cè)試和腦電測(cè)試（T2）。

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

經(jīng)顱磁刺激器：Magtism RAPID2型（英國(guó)Magtism公司），標(biāo)準(zhǔn)蝶型70mm雙線圈，磁場(chǎng)強(qiáng)度2.2 T。

定量數(shù)字腦電圖儀：SOLAR 1848（北京太陽(yáng)電子科技有限公司）。

問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果。受試者問(wèn)卷評(píng)分顯示口服鱈魚(yú)皮膠原低聚肽后，10項(xiàng)指標(biāo)均有不同程度改善，口服前評(píng)分均值為24.33±5.78，口服后評(píng)分均值為34.56±4.62，差異顯著（P＜0.05）；對(duì)照組問(wèn)卷調(diào)查無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

1.5 實(shí)施方法

磁刺激（S1）：使用經(jīng)顱磁刺激器在被試左側(cè)背外側(cè)前額葉（DLPFC）施加刺激，刺激參數(shù)設(shè)置為20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持續(xù)5 s間隔55 s）。實(shí)施刺激時(shí)，被試放松、舒服地坐在兩側(cè)有扶手的靠椅上，線圈平面和顱骨表面相切，線圈兩圓相交處的中心位置正對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)腦電10~20記錄系統(tǒng)的F3位置[9]。

假刺激（S2）：刺激方法和磁刺激（S1）相同，操作時(shí)將線圈的輸出強(qiáng)度降低至20%，使其遠(yuǎn)低于大腦皮層產(chǎn)生生理反應(yīng)的刺激強(qiáng)度[10]。

靜息閾值（RMT）：采用自帶的MEP模塊（時(shí)間基值50 ms，濾波通帶2 Hz～10 kHz）和其專用電極線記錄運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（MEP），記錄電極置于右手拇短展肌肌腹，參考電極置于其遠(yuǎn)心端的肌腱，接地極置于手腕處。線圈兩圓相交處的中心位置正對(duì)能夠最佳誘發(fā)右手拇指展肌MEP的位置，即位于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)腦電10～20記錄系統(tǒng)的Cz點(diǎn)。在完全放松的情況下，找到連續(xù)10次刺激中至少有5次產(chǎn)生大于50 μV運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（MEP）的最小刺激強(qiáng)度，作為靜息閾值（RMT）[11]。

問(wèn)卷測(cè)試：使用自評(píng)興奮度問(wèn)卷進(jìn)行測(cè)試，自評(píng)興奮度采用10級(jí)評(píng)分法進(jìn)行評(píng)定，“0～9”代表興奮程度，其中“0”代表一點(diǎn)兒也不興奮，“9”代表非常興奮，從0到9興奮程度逐步升高。

腦電測(cè)試：依據(jù)國(guó)際腦電圖學(xué)會(huì)及中國(guó)腦電圖學(xué)會(huì)的建議，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)腦電10~20記錄系統(tǒng)放置電極，參照8道儀器的導(dǎo)聯(lián)選擇方法，選用FP1、FP2、F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2進(jìn)行單極引導(dǎo)，以雙耳連線為參考電極，前額正中接地保護(hù)，記錄被試安靜閉眼狀態(tài)下的腦電信號(hào)[12]。測(cè)試時(shí)被試坐在兩側(cè)有扶手的椅子上，要求其閉目、安靜、不思考，信號(hào)采集時(shí)間為10 min，采樣頻率為256 Hz，時(shí)間常數(shù)為0.3 s。

1.6 統(tǒng)計(jì)方法

使用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS15.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯著性水平定為α=0.05。

2結(jié) 果

2.1 自評(píng)興奮度的變化

對(duì)男、女被試刺激前、后自評(píng)興奮度的得分進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析（見(jiàn)表1），組內(nèi)效應(yīng)檢驗(yàn)顯示：刺激方式的主效應(yīng)極端顯著，F(xiàn)（1，18）=34.389，P＜0.000 5；刺激方式與性別的交互作用不顯著，F(xiàn)＜1；測(cè)試時(shí)間的主效應(yīng)極端顯著，F(xiàn)（1，18）=50.782，P＜0.0005；測(cè)試時(shí)間與性別的交互作用不顯著，F(xiàn)（1，18）=1.166，P=0.295；刺激方式與測(cè)試時(shí)間的交互作用極端顯著，F(xiàn)（1，18）=59.777，P＜0.000 5；3個(gè)因素間的三重交互作用不顯著，F(xiàn)＜1。組間效應(yīng)檢驗(yàn)顯示：性別的主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)＜1。

由于刺激方式與測(cè)試時(shí)間的交互作用極端顯著，進(jìn)一步簡(jiǎn)單效應(yīng)檢驗(yàn)顯示：在S1（磁刺激）水平上，T（測(cè)試時(shí)間）的簡(jiǎn)單效應(yīng)極端顯著，F(xiàn)（1，19）=171.00，P＜0.000 5；在S2（假刺激）水平上，T（測(cè)試時(shí)間）的簡(jiǎn)單效應(yīng)不顯著，F(xiàn)＜1。這些結(jié)果說(shuō)明，測(cè)試時(shí)間效應(yīng)受刺激方式影響，磁刺激導(dǎo)致自評(píng)興奮度得分升高，而假刺激未能導(dǎo)致自評(píng)興奮度得分發(fā)生明顯改變。由此可見(jiàn)，磁刺激刺激后男、女被試的自評(píng)興奮性均提高，未出現(xiàn)性別差異。

表1 刺激前、后自評(píng)興奮度的得分（M±SD）Tab.1 Mean of excitatory of rTMS before and after（M±SD）

2.2 腦電功率譜的變化

對(duì)男、女被試額部、央部、頂部和枕部刺激前、后各頻段腦電波的功率值分別進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析（見(jiàn)表2~表5，方法同3.1），結(jié)果顯示：（1）額部α波和β波、央部β波、頂部θ波、枕部δ波和θ波：（組內(nèi)效應(yīng)檢驗(yàn)）刺激方式的主效應(yīng)顯著或極顯著（P≤0.05或P≤0.01），刺激方式與性別的交互作用不顯著（P＞0.05），測(cè)試時(shí)間的主效應(yīng)顯著或極顯著（P≤0.05或P≤0.01），測(cè)試時(shí)間與性別的交互作用不顯著（P＞0.05），刺激方式與測(cè)試時(shí)間的交互作用極顯著或極端顯著（P≤0.01或P≤0.001），3個(gè)因素間的三重交互作用不顯著（P＞0.05）；（組間效應(yīng)檢驗(yàn)）性別的主效應(yīng)不顯著（P＞0.05）。（2）額部δ波和θ波，央部δ波、θ波和α波，頂部δ波、α波和β波，枕部α波和β波：3個(gè)因素（G、S、T）的主效應(yīng)及它們的交互作用均不顯著（P＞0.05）。

表2 額部刺激前、后各頻段的功率值（M±SD）Tab.2 Mean ofpowerspectralofrTMS before and afteron frontal

由于額部α波和β波、央部β波、頂部θ波、枕部δ波和θ波刺激方式與測(cè)試時(shí)間的交互作用極顯著或極端顯著（P≤0.01或P≤0.001），進(jìn)一步簡(jiǎn)單效應(yīng)檢驗(yàn)顯示：在S1（磁刺激）水平上，T（測(cè)試時(shí)間）的簡(jiǎn)單效應(yīng)顯著或極顯著（P≤0.05或P≤0.01）；在S2（假刺激）水平上，T（測(cè)試時(shí)間）的簡(jiǎn)單效應(yīng)不顯著（P＞0.05）。結(jié)果說(shuō)明，測(cè)試時(shí)間效應(yīng)受刺激方式影響，磁刺激導(dǎo)致額部α波和β波、央部β波、頂部θ波、枕部δ波和θ波的功率值發(fā)生變化，假刺激未能導(dǎo)致其功率值發(fā)生明顯改變。由此可見(jiàn)，磁刺激刺激后男、女被試額部α波、β波和央部β波的活動(dòng)增強(qiáng)，頂部θ波和枕部δ波、θ波的活動(dòng)減弱，未出現(xiàn)性別差異。

3 討 論

3.1 自評(píng)興奮度的變化

rTMS刺激過(guò)程中所有被試均未感覺(jué)到疼痛，未引起不適反應(yīng)及產(chǎn)生不利影響。研究結(jié)果顯示，磁刺激（S1）刺激后男、女被試的自評(píng)興奮性均提高，該結(jié)果與研究假設(shè)一致。前額葉通過(guò)廣泛的皮層間和皮層下通路與邊緣系統(tǒng)聯(lián)系，是調(diào)節(jié)下丘腦—垂體—腎上腺（HPA）軸功能的重要部位[4-5]。在前額葉皮層施加適宜的高頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激（rTMS），可提高其興奮性和增強(qiáng)邊緣系統(tǒng)之間的聯(lián)系，邊緣系統(tǒng)之間聯(lián)系的增強(qiáng)可提高HPA軸的活動(dòng)，進(jìn)而促進(jìn)去甲腎上腺素和糖皮質(zhì)激素的釋放，從而提高交感神經(jīng)的興奮性[14]。此外高頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激（rTMS）還可促進(jìn)興奮性神經(jīng)遞質(zhì)如多巴胺（DA）、谷氨酸（GLU）等的釋放[15]，從而使得被試的自評(píng)興奮性提高。

表4 頂部刺激前、后各頻段的功率值（M±SD）Tab.4 Mean ofpowerspectralofrTMS before and afteron parietal

3.2 腦電功率譜的變化

腦電功率譜分析是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛、且較為成熟的腦電分析手段[7]，本研究對(duì)額部、央部、頂部和枕部各頻段腦電波的功率值進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，磁刺激刺激后男、女被試額部α波、β波和央部β波的活動(dòng)增強(qiáng)，頂部θ波和枕部δ波、θ波的活動(dòng)減弱，該結(jié)果與研究假設(shè)基本一致。

δ波是頻率介于0.5至4 Hz之間的慢波，正常成人一般在困倦或者睡眠狀態(tài)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)；θ波的頻率介于4至7 Hz，多見(jiàn)于有睡意或睡眠狀態(tài)，同入睡表象、困倦及睡眠時(shí)的低警戒水平等心理狀態(tài)相連，被認(rèn)為是中樞神經(jīng)系統(tǒng)抑制狀態(tài)的一種表現(xiàn)[16]；α波的頻率介于8至13 Hz，在清醒，安靜和閉目時(shí)出現(xiàn)，睜眼、思考問(wèn)題或受其他刺激時(shí)，出現(xiàn)alpha波阻斷現(xiàn)象；β波的頻率介于14至30 Hz，它是一種快波，同警覺(jué)性增加、喚醒和激動(dòng)相連[17]，當(dāng)精神緊張、情緒激動(dòng)或興奮時(shí)會(huì)出現(xiàn)，被認(rèn)為是大腦興奮、喚醒狀態(tài)的一種表現(xiàn)[16]。本研究中磁刺激刺激后被試頂部θ波和枕部δ波、θ波的活動(dòng)減弱，表明其困倦狀態(tài)減輕，中樞神經(jīng)系統(tǒng)抑制作用降低；額部α波、β波和央部β波的活動(dòng)增強(qiáng)，表明其清醒程度增加，警覺(jué)性和興奮性增加，喚醒水平提高。

然而Graf等人的研究顯示，在左側(cè)DLPFC施加20 Hz，90% RMT的rTMS后，被試δ波和θ波的活動(dòng)減弱，α波的活動(dòng)增強(qiáng)，而β波的活動(dòng)未發(fā)生變化[18]。該研究中β波的活動(dòng)未發(fā)生變化可能與刺激數(shù)量較少有關(guān)，從而導(dǎo)致了刺激后皮層的興奮性未能明顯增加[8]。在正電子發(fā)射斷層掃描（PET）研究中，Speer等人給被試施加10天20 Hz的rTMS后，發(fā)現(xiàn)不僅刺激區(qū)域即左側(cè)前額葉的區(qū)域皮層血流量（rCBF）顯著增加，而且功能和解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)的區(qū)域的rCBF也出現(xiàn)顯著增強(qiáng)[20]。Knoch等人在被試左側(cè)DLPFC施加一次10 Hz的rTMS也得出類似的結(jié)果[21]。由于rTMS刺激后刺激區(qū)域及其相關(guān)區(qū)域均發(fā)生了相應(yīng)的變化，從而使得額部、央部、頂部和枕部腦電波的功率值產(chǎn)生了相應(yīng)的改變[19]。

總之，本研究在被試左側(cè)背外側(cè)前額葉（DLPFC）施加20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持續(xù)5 s間隔55 s）后，男、女被試的自評(píng)興奮性均得以提高，其腦電活動(dòng)的變化在一定程度上可以解釋高頻rTMS的神經(jīng)生物學(xué)效應(yīng)，可為使用rTMS提高運(yùn)動(dòng)員的喚醒水平提供理論基礎(chǔ)。將rTMS作為干預(yù)手段，從中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的賽前狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控，將具有一定的理論意義及實(shí)踐價(jià)值。在今后的研究中，一方面應(yīng)結(jié)合功能成像技術(shù)如fMRI、PET等對(duì)rTMS的刺激效果進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證；另一方面應(yīng)加強(qiáng)rTMS的應(yīng)用研究，以便在實(shí)踐中能夠較好地進(jìn)行應(yīng)用。

4結(jié) 論

在被試左側(cè)背外側(cè)前額葉（DLPFC）施加20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持續(xù)5 s間隔55 s）：（1）能夠提高被試的興奮性；（2）rTMS刺激后額部α波、β波和央部β波的活動(dòng)增強(qiáng)，頂部θ波和枕部δ波、θ波的活動(dòng)減弱；（3）rTMS的刺激效果無(wú)性別差異。

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High-Frequency Repetitive Transcranial Magnetic Improve Athlete's Excitation and It's EEG Characters

LUO Guangxia1，LIU Yunzhou2
（1.Dept of PE，Shanghai Sipo Polytechnic College，Shanghai 201300，China；2.China Institute of Sport Science，Beijing 100061，China）

Objective：Investigate the excitation effects and electroencephalographic activity of high－frequency repetitive transcranial magnetic stimulation，for providing a theoretical foundation by using rTMS to improve athlete's arousal level.Method：Using 2×2×2 mixed design，given 20Hz，90%RMT，3000 pulses of rTMS（5s on and 55s off）on left DLPFC in athletes，subjective excitation feeling and EEG were measured respectively before and after.Results：Excitatory self－assessment raise，the activity of frontal alpha，beta and central beta were increase，the activity of parietal theta，occipital delta and theta were decrease after rTMS.Conclusion：High－frequency rTMS can improve excitation，the change of EEG after rTMS might partly be explained by the neurobiological effect of high－frequency rTMS.

repetitive transcranial magnetic stimulation；excitation；EEG

G 804.2

A

1005-0000（2011）05-0449-04

2011-03-24；

2011-06-24；錄用日期：2011-06-30

羅光霞（1982-），女，山東泰安人，講師，研究方向?yàn)轶w育教育訓(xùn)練學(xué)、社會(huì)體育學(xué)。

1.上海思博職業(yè)技術(shù)學(xué)院體育教研室，上海201300；2.國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所，北京100061。