經(jīng)顱電刺激對人體運動控制能力的影響研究進展

朱志強 王熙 張丹 王志斌

1上海體育學院運動科學學院（上海200438）

2華東交通大學體育與健康學院（南昌330013）

人體運動控制（motor control）能力是人體重要的運動能力之一[1]。運動控制能力不僅影響運動員的運動表現(xiàn)[2]，同時對普通健康人群的生活質(zhì)量有著極為重要的影響，尤其是老年人和運動控制能力缺陷的患者[3]。以往提高人體運動控制能力的方法主要集中在通過干預訓練改造骨骼肌系統(tǒng)功能來達到增強運動控制能力的目的[4]。但在運動控制過程中，神經(jīng)系統(tǒng)在其中起到了非常重要的作用[5]。近些年來，關于運動控制能力的研究更多地關注神經(jīng)系統(tǒng)干預對人體運動控制能力的影響。

經(jīng)顱電刺激（transcranial electrical stimulation，tES）是一種非侵入性的經(jīng)顱電刺激技術，通過放置在頭皮的成對電極在顱骨淺層產(chǎn)生弱電流（1～2 mA），該電流可影響腦皮層的神經(jīng)活動，改變大腦功能促進人類運動表現(xiàn)[6-8]。如今較常用的經(jīng)顱電刺激技術主要有：經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）、經(jīng)顱交流電刺激（transcranial alternating current stimulation，tACS）和經(jīng)顱隨機噪聲刺激（transcranial random noise stimulation，tRNS）[9]。以上電刺激技術可通過改變電極放置的位置，使電流的強度、刺激的時長和刺激的頻率達到不同的刺激效果[9]。由于tRNS 相關的研究較少，本文通過Web of Science以“transcranial direct current stimulation，tDCS and motor control”、“tDCS and postural control”、“tDCS and body control”、“tDCS and balance”、“transcranial alternating current stimulation，tACS and motor control”、“tACS and postural control”、“tACS and body control”、“tACS and balance”為關鍵詞，檢索了2009.1-2019.5 期間1328 篇文獻，篩選后獲得32 篇，并對篩選后的文獻進行總結(jié)和歸納。從刺激范式、不同肢體功能和運動控制任務的角度，闡述了tES對人體運動控制能力的影響，以期為后續(xù)研究提供理論參考。

1 不同tDCS刺激范式對運動控制能力的影響

1.1 刺激位置

tES 的范式對運動控制能力具有重要影響。關于刺激位置和刺激時間點對刺激效果的影響研究較多。刺激位置方面，以往研究調(diào)查了刺激區(qū)域（運動皮層、小腦和其他皮層區(qū)）和刺激時間點對運動控制能力的影響。

1.1.1 運動皮層

大量研究顯示tDCS 刺激運動皮層可顯著提升運動控制能力。Dutta等[10]對5名健康的右腿優(yōu)勢受試者初級運動皮層右側(cè)脛骨前肌區(qū)域進行刺激，刺激前后應用low-cost point of care testing（POCT）對受試者平衡能力進行測試，結(jié)果顯示：陽極tDCS 可顯著改善最大壓力中心（center of pressure，COP）偏移。Kaminski等[11]隨機對26 名受試者運動皮層腿部區(qū)域進行tDCS，同時執(zhí)行動態(tài)平衡任務（dynamic balance test，DBT），比較各組平衡任務表現(xiàn)、錯誤率以及平衡能力與運動學指標之間的關系，發(fā)現(xiàn)tDCS強化了平衡能力和速度的反向關系，促進動態(tài)平衡能力。但Kaminski 等[12]的另外一項研究卻未發(fā)現(xiàn)tDCS 可提升老年人運動控制能力。該實驗對30名老年人受試者進行了DBT訓練，僅在第一次DBT 期間，隨機進行20 分鐘的陽極tDCS（a-tDCS）或假tDCS（s-tDCS），并且比較兩次訓練之間的學習改善，結(jié)果顯示a-tDCS和s-tDCS組之間任務學習能力沒有差異。

1.1.2 小腦

經(jīng)顱直流電小腦刺激（transcranial cerebellar direct current stimulation，tcDCS）可調(diào)節(jié)人類的運動控制，學習和情緒處理等功能，并且增強患有小腦功能障礙或精神疾病以及處于神經(jīng)修復過程中患者的神經(jīng)功能可塑性[13]。Inukai 等[14]對16 名健康受試者的枕骨隆突下方2 cm處進行刺激，將第二電極分別放置于前額葉和右頰肌上，實驗發(fā)現(xiàn)在陰極刺激之后，總軌跡長度和每秒的軌跡長度顯著減少。Poortvliet等[15]對28名健康受試者進行tcDCS 刺激（陽極，1 mA，20 min）或假tcDCS（40 s），刺激前后進行靜態(tài)控制能力測試，結(jié)果顯示陽極tcDCS 顯著改善了振動期間的姿勢穩(wěn)定性，并且在恢復過程中減少了COP 前向位移和變異性。Ehsani 等[16]對29 名老年人隨機進行tcDCS（1.5 mA，20 min），發(fā)現(xiàn)與假刺激相比，陽極刺激組在靜、動態(tài)姿態(tài)控制任務中的姿勢搖擺顯著減少。然而，少量的實驗結(jié)果顯示：tDCS 刺激小腦并未提升人體控制能力。Foerster等[17]對15名健康受試者進行三次小腦tDCS（陽極，陰極和假刺激）干預，每次干預之間間隔至少48小時，每次訓練中，在tDCS 前后分別使用Biodex 平衡系統(tǒng)進行靜態(tài)和動態(tài)平衡測試，結(jié)果表明：陰極tcDCS 破壞了健康受試者的左右腿站立靜態(tài)平衡功能。

1.1.3 小腦與運動皮層

除了單獨研究運動皮層和小腦，研究者也試圖比較干預運動皮層和小腦對人體運動控制能力的影響。Craig 等[18]對年輕人（n=22，18～35 歲）和老年人（n=20，65 歲以上）初級運動皮層區(qū)（primary motor cortex，M1）、小腦分別進行干預，分別采集了受試者干預期間、干預后即刻和干預后30 分鐘的平衡數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：tDCS 使老年人在執(zhí)行不同姿勢控制任務時身體晃動下降。因此，刺激老年人運動皮層和小腦可短暫降低搖擺振幅。Yosephi等[19]隨機將65名受試者分為5組進行5 種不同的干預（M1-tDCS+姿態(tài)訓練、小腦-tDCS+姿態(tài)訓練、假刺激+姿態(tài)訓練、單獨的姿態(tài)訓練和單獨小腦-tDCS），持續(xù)干預2周，每周干預3次，每次干預的刺激時長為20分鐘，結(jié)果表明：M1或小腦tDCS結(jié)合姿勢訓練可更有效地改善姿勢穩(wěn)定性。

1.1.4 其他區(qū)域

運動皮層和小腦功能可直接影響人體運動控制能力，而其他區(qū)域腦功能的改變也可通過影響整個腦網(wǎng)絡，間接影響人體運動控制能力。Leenus等[20]觀察了右側(cè)背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）tDCS對多關節(jié)運動控制的影響，通過隨機雙盲設計，采集了39 名健康年輕受試者干預前和干預后5分鐘執(zhí)行多關節(jié)任務的錯誤數(shù)和反應時，結(jié)果顯示：陽極tDCS 減少了異側(cè)配位錯誤量。Hupfeld 等[21]選取20 名健康成年受試者對輔助運動區(qū)（supplementary motor area，SMA）連續(xù)3 天隨機進行陽極tDCS和假刺激。在tDCS刺激期間，參與者執(zhí)行平衡任務的速度明顯快于假刺激組，在tDCS 之后，受試者的簡單和選擇反應時間得到顯著改善。該結(jié)果表明：SMA 高度參與計劃和執(zhí)行精細和粗大運動技能任務，并且tDCS是提高SMA相關功能的有效方式。

1.2 刺激時間點

tDCS刺激時間點對運動控制表現(xiàn)效果也有重要影響。Cabral 等[22]觀察了12名健康右利手受試者不同時間點（在訓練之前、期間或之后）進行tDCS對運動誘發(fā)大腦皮層可塑性的影響，發(fā)現(xiàn)在訓練前進行tDCS增強了運動訓練誘發(fā)大腦皮層可塑性的效果。該實驗分別在訓練之前、期間和之后，對被試施加陽極tDCS（M1，1 mA，13 min），并在每個被試tDCS 刺激前和刺激結(jié)束即刻采集右側(cè)手第一骨間背側(cè)肌的運動誘發(fā)電位（motor evoked potential，MEP）。該研究發(fā)現(xiàn)：與基線和假刺激相比，在執(zhí)行運動任務之前進行tDCS增強了皮質(zhì)脊髓的興奮性。該實驗結(jié)果表明訓練之前進行tDCS刺激可提高運動誘發(fā)的大腦皮層可塑性。

1.3 刺激強度

tDCS 電流強度可影響運動控制能力。Cuypers 等[23]比較了不同電流強度對運動任務學習能力的影響，發(fā)現(xiàn)與假刺激相比1.5 mA可顯著提高運動學習能力，而1 mA 并未發(fā)現(xiàn)顯著變化。此外，Santos 等[24]觀察了不同強度（1 mA、2 mA、3 mA）高精度tDCS 對身體姿態(tài)控制能力的影響，結(jié)果顯示3 mA可更加有效地提升受試者的姿態(tài)控制能力。但Esmaeilpour 等[25]觀察了1～2 mA 之間的電流強度對運動能力的影響，并指出單一調(diào)節(jié)刺激強度并不能有效地控制刺激效果。目前研究提示更大的電流強度可能更加有效地提升運動控制能力，盡管部分研究顯示電流強度變化對運動控制能力影響沒有差異。

2 tDCS對運動控制任務的影響

tDCS對不同運動控制任務的運動表現(xiàn)具有不同的影響。Saruco 等[26]將14 名受試者分為實驗組（運動想象訓練+陽極或假tDCS 刺激）和對照組（控制任務+假tDCS），在干預前后分別進行姿勢控制任務，研究顯示運動想象訓練結(jié)合陽極tDCS 執(zhí)行姿態(tài)控制任務所需的時間顯著下降，尤其是復雜的姿勢調(diào)控。Zhou 等[27]將20 名健康成年人雙盲隨機分為陽極刺激組和假刺激組，刺激前和刺激結(jié)束即刻評估受試者步態(tài)和姿勢控制能力。當執(zhí)行連續(xù)減法任務時，實時tDCS增加步態(tài)速度（P=0.006），降低站立姿勢搖擺速度（P=0.01）和面積（P=0.01）。Strobach 等[28]讓16 名健康受試者接受tDCS，并在雙任務條件下執(zhí)行隨機和固定順序任務，結(jié)果顯示實時陽極tDCS 刺激可以提高執(zhí)行隨機順序雙任務的運動表現(xiàn)。Strobach 等[29]對比了tDCS 在單個任務、重復任務和任務切換的三個任務條件下的運動表現(xiàn)，評估了實時tDCS對混合能耗（單任務與重復任務）以及轉(zhuǎn)換能耗（重復任務與任務切換）的影響，結(jié)果顯示tDCS 提高了混合任務下的能耗。Zhou 等[30]對20 名健康老年人進行tDCS 實驗，干預前后記錄單任務（靜止站立）和雙任務（執(zhí)行連續(xù)減法時站立）期間壓力中心（COP）波動，結(jié)果顯示tDCS 增加了雙任務條件下的波動（P=0.02），還降低了雙任務能耗（P=0.02）。該研究表明tDCS可有效提高老年人的身體控制能力。

3 經(jīng)顱交流電刺激對人體運動控制能力的影響

關于經(jīng)顱電刺激對人體運動控制能力影響的研究主要集中于tDCS，而近些年研究發(fā)現(xiàn)tACS可通過調(diào)節(jié)大腦內(nèi)震蕩提升人體運動控制能力[31]。

Cappon等[32]在輔助運動區(qū)和初級運動皮層（SMAM1）以α（10 Hz）和β（20 Hz）頻率進行tACS刺激，刺激前后蒙眼執(zhí)行潛意識的素數(shù)左/右選擇反應任務和經(jīng)顱磁刺激（transcranialmagnetic stimulation，TMS）測量第一骨間背側(cè)肌MEP。該研究結(jié)果顯示：20 Hz 的tACS 刺激增加了自主抑制的持續(xù)時間，10 Hz 的tACS刺激縮短了該時間。Miyaguchi[31]對20名健康成人使用tACS（1.0 mA），在左側(cè)M1，右側(cè)小腦或兩個區(qū)域（“M1-小腦”）上施加30秒tACS刺激，同時使用右手食指在視覺指引下進行等長力量任務，并且對執(zhí)行任務的錯誤率進行比較，發(fā)現(xiàn)γ波tACS M1-小腦刺激與誤差數(shù)之間呈負相關（P=0.005，Pearson’sr=0.597）。運動能力不佳的人M1-小腦tACS 刺激后的控制誤差明顯減少（P=0.004）。因此，對于運動能力較差的受試者，在M1和對側(cè)小腦上施加γ波tACS可改善它們的運動控制能力。Naro等[33]為了探究不同頻率tACS刺激小腦是否可以調(diào)節(jié)M1-腿區(qū)域興奮性以改變健康受試者的步態(tài)，通過不同的頻率（10、50、300 Hz）和假tACS刺激對25名健康受試者右側(cè)小腦進行干預，干預前后檢測受試者M1-腿區(qū)域興奮性、小腦抑制和步態(tài)，結(jié)果顯示50 Hz和300 Hz提升下肢的M1-腿區(qū)域興奮性和小腦抑制，但步態(tài)沒有顯著變化。Miyaguchi 等[34]采用70 Hz γ波tACS 對20 名健康成人左側(cè)M1 和右側(cè)小腦進行刺激，同時使用右手食指執(zhí)行30秒視覺運動控制任務，比較了三種不同刺激方式（假刺激、與皮質(zhì)目標區(qū)域180°相位刺激和0°相位刺激）對運動控制能力的影響，結(jié)果顯示180°相位（Anti-phase）刺激減少了任務誤差（P=0.021），γ波tACS 對M1 和小腦的影響具有相位特異性。Guerra等[35]通過β波、γ波和假tACS對18名健康受試者運動皮層M1進行干預，干預前后通過對手指重復敲擊、MEP 進行測量，結(jié)果顯示：β波tACS 導致運動時序的前十個運動中的幅度減小，而γ波tACS 具有相反的效果。Gutteling等[36]通過雙盲假刺激實驗設計，使用1 mA，10 Hz tACS 對30 名健康受試者左右側(cè)半腦進行刺激，同時進行全身適應控制任務，并對身體適應能力和精準性進行評估，結(jié)果顯示：刺激對應的半球促進了精準控制表現(xiàn)。

3.1 對肢體運動控制能力的影響

目前學者們不僅研究了tES 對人體綜合運動控制能力的影響，同時也觀察了tES對人體不同肢體運動控制能力的影響。

3.1.1 上肢運動控制能力

Lefebvre 等[37]研究了雙側(cè)陽極tDCS對19名輕度至中度慢性偏癱患者運動控制能力的影響。在tDCS 干預之前、期間、之后和之后20 分鐘，使用Purdue Pegboard Test（PPT）分別執(zhí)行10 次精確抓握動作。結(jié)果顯示：雙側(cè)tDCS 后20 分鐘，麻痹手的精確抓握能力得到顯著改善，抓握力/負荷力比減少了7%，預加載時間減少了18%。在雙側(cè)tDCS刺激期間，麻痹手的敏捷性開始改善，并且在刺激結(jié)束后20分鐘達到峰值（PPT數(shù)值提高38%）。Matsuo 等[38]觀察了tDCS 對14 名健康受試者非優(yōu)勢手精確運動的影響，在tDCS 刺激前、刺激后即刻和刺激后30 分鐘進行繪圓圖任務，結(jié)果顯示：陽極tDCS 顯著改善了繪制圓圖能力，繪制偏差區(qū)域和路徑長度顯著減少，并在刺激后30分鐘進一步增強。Koyama 等[39]將28 名健康受試者分為陽極刺激組（n=14）和假刺激組（n=14）進行tDCS干預，tDCS干預期間左手拇指進行軌跡運動。在干預后1小時和24小時后再次執(zhí)行軌跡運動任務，結(jié)果顯示：tDCS干預后1小時和24 小時拇指運動軌跡的峰值加速度改善。在刺激后24小時，tDCS組（144.2% ± 15.1%）的峰值加速度顯著高于假刺激組（98.7% ± 9.1%）。

3.1.2 下肢運動控制能力

Lee YS 等[40]觀察tDCS 對敏捷、力量和平衡的影響。該研究將30名健康成年人分為tDCS組和控制組，測量了tDCS 前、tDCS 中和tDCS 后敏捷、力量和平衡能力的變化。組內(nèi)比較結(jié)果顯示，tDCS 組的敏捷性和平衡性顯著提升。組間比較顯示，tDCS 組敏捷性和功率顯著提升，該結(jié)果表明tDCS 可激活大腦皮層，從而有效改善下肢功能活動。Kim等[41]對11名受試者進行陽極tDCS（n=6）或假刺激（n=5），再通過功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）對第1次刺激前和第4次刺激后皮質(zhì)活動進行檢測，并計算皮質(zhì)活動的變化。結(jié)果顯示：陽極tDCS增加同側(cè)輔助運動區(qū)域的激活程度，并降低前扣帶回旋、右中顳回旋、中上頜回旋，以及初級和輔助軀體感覺皮層的激活程度。結(jié)果表明陽極tDCS 增加健康受試者下肢運動皮層皮質(zhì)脊髓的興奮性，并提示多個大腦皮層區(qū)參與下肢運動控制。Van Asseldonk 等[42]觀察了tDCS 對10名健康受試者下肢運動功能的影響。受試者在刺激前和刺激結(jié)束后15 min和45 min在跑步機上行走，同時采集下肢運動學和動力學數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：tDCS提高了健康受試者慢速行走期間的正功輸出，而且雙側(cè)tDCS的效果（增加4.4%）比單側(cè)tDCS（增加2.8%）效果明顯。

4 總結(jié)

近些年tES對運動控制能力的影響受到廣泛關注，尤其是tDCS 和tACS。目前，tDCS 相關研究數(shù)量較多，而tACS的相關研究也呈現(xiàn)明顯上升趨勢。從tES對運動控制能力干預效果來看，不同的tES刺激范式會顯著影響人體運動控制能力，同時在人體不同的肢體和不同的運動控制任務中會表現(xiàn)出不同的影響。雖然大量研究顯示tES可促進人體運動控制能力，但也有個別的研究結(jié)果顯示tES 未能提高人體運動控制能力。展望未來，可結(jié)合腦電生理技術（TMS、腦電圖）和腦成像技術（fMRI、功能性近紅外技術）觀察tES 對腦功能的影響，并結(jié)合運動控制能力的評價指標，分析運動控制變化與腦功能之間的關系，并進一步揭示tES影響運動控制能力的腦機制。