經(jīng)顱直流電刺激對縱跳生物力學(xué)特征的影響

王瑋,朱志強(qiáng),殷可意,宋林杰,姜祎凡,劉 宇

經(jīng)顱直流電刺激對縱跳生物力學(xué)特征的影響

王瑋,朱志強(qiáng),殷可意,宋林杰,姜祎凡,劉 宇*

（上海體育學(xué)院，上海 200438）

目的：通過觀察經(jīng)顱直流電刺激前后，縱跳生物力學(xué)曲線和瞬時(shí)特征的變化，探究其對縱跳運(yùn)動表現(xiàn)的影響。方法：15位跳躍類國家二級運(yùn)動員接受隨機(jī)交叉設(shè)計(jì)的陽極刺激（電流2 mA，持續(xù)20 min）和假刺激兩種實(shí)驗(yàn)條件。分別在刺激前，刺激后即刻和刺激后30 min完成縱跳測試。通過雙因素重復(fù)測量方差分析（刺激條件×?xí)r間）比較兩種實(shí)驗(yàn)條件前后縱跳生物力學(xué)指標(biāo)的差異。結(jié)果：1）瞬時(shí)特征：縱跳高度在陽極刺激后即刻和刺激后30 min顯著高于刺激前；質(zhì)心最低點(diǎn)地面反作用力在陽極刺激后即刻和刺激后30 min顯著高于刺激前；峰值蹬地功率、發(fā)力率和下肢剛度在陽極刺激后即刻顯著高于刺激前，陽極刺激組峰值蹬地功率在刺激后即刻和刺激后30 min顯著高于假刺激組（＜0.05）；2）曲線特征：垂直沖量在陽極刺激后即刻和刺激后30 min顯著大于刺激前；釋放能量和肌肉主動做功在陽極刺激后即刻顯著高于刺激前（＜0.05）。結(jié)論：陽極經(jīng)顱直流電刺激可以提高縱跳運(yùn)動表現(xiàn)，不僅能夠促進(jìn)瞬時(shí)特征的變化，而且可以調(diào)節(jié)整個(gè)動作周期生物力學(xué)曲線特征，增強(qiáng)下肢力量及神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能。

非侵入性腦刺激；力量-時(shí)間曲線；垂直沖量；肌肉主動做功；下肢剛度

縱跳(countermovement jump, CMJ)能力是影響運(yùn)動能力的關(guān)鍵因素之一(Laffaye et al., 2014)。提高CMJ能力的傳統(tǒng)方法主要通過抗阻訓(xùn)練和神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的拉長-縮短周期（stretch-shortening cycle, SSC）訓(xùn)練改變肌肉形態(tài)和功能提高肌肉的最大力量和爆發(fā)力，促進(jìn)CMJ能力(盧志泉等, 2019；Parejablanco et al., 2017)。但傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法主要關(guān)注肌肉功能的改變對CMJ能力的影響，卻忽視了神經(jīng)系統(tǒng)對肌肉收縮的支配作用及其對CMJ能力的影響。因此，如何通過調(diào)節(jié)神經(jīng)-肌肉功能提高運(yùn)動能力成為亟待突破的問題。

近年，由于經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）技術(shù)可調(diào)節(jié)神經(jīng)功能，促進(jìn)運(yùn)動能力而受到了體育領(lǐng)域的關(guān)注(卞秀玲等, 2018；王開元等, 2019；殷可意等, 2019)?！蹲匀弧罚ǎ┙甓啻慰l(fā)關(guān)注tDCS技術(shù)應(yīng)用于提高人體運(yùn)動能力的文章(Hornyak, 2017；Reardon, 2016)。該技術(shù)可經(jīng)顱形成弱電場，并作用于特定腦區(qū)，通過調(diào)節(jié)大腦皮層興奮性，加強(qiáng)突觸可塑性和促進(jìn)兩半球間連接，增強(qiáng)人體運(yùn)動能力(Alonzo et al., 2012；Frazer et al., 2016；Liu et al., 2019)。有研究證實(shí)，tDCS可有效提高人體肌肉力量(Krishnan et al., 2014)、延緩運(yùn)動疲勞(Abdelmoula et al., 2016)和促進(jìn)運(yùn)動學(xué)習(xí)能力(Reis et al., 2009)。雖然tDCS技術(shù)不是傳統(tǒng)的體能訓(xùn)練方法，是否符合體育精神還有待國際體育組織的認(rèn)可，但研究tDCS技術(shù)對人體運(yùn)動的影響有助于理解人體運(yùn)動控制和生物力學(xué)機(jī)制以及該技術(shù)在競技體育之外的應(yīng)用。

當(dāng)前，tDCS對CMJ影響的研究尚不多見，且未通過生物力學(xué)方法深入分析tDCS對CMJ動作曲線特征的影響(Lattari et al., 2017)。在研究CMJ的生物力學(xué)特征時(shí)，結(jié)合關(guān)鍵瞬時(shí)特征和動作曲線特征將有助于深入理解影響CMJ能力的生物力學(xué)機(jī)制(McMahon et al., 2017；Struzik et al., 2019)。

因此，本研究擬使用tDCS技術(shù)對運(yùn)動員特定皮質(zhì)進(jìn)行刺激，分析tDCS刺激前后CMJ動作過程中生物力學(xué)曲線特征和瞬時(shí)特征的變化，探究tDCS對神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)功能影響的生物力學(xué)機(jī)制。研究假設(shè)：陽極tDCS刺激運(yùn)動皮層可提高CMJ瞬時(shí)特征（CMJ高度、峰值蹬地功率和下肢剛度等）和調(diào)節(jié)曲線特征（垂直沖量、釋放能量和肌肉主動做功等）。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究共招募15名在校男大學(xué)生作為研究對象，均為跳高、跳遠(yuǎn)、撐桿跳等跳躍項(xiàng)目國家二級運(yùn)動員，年齡19.47±1.60歲，身高182.67±5.63 cm，體重69.20±8.22 kg，訓(xùn)練年限5.36±3.13年。受試者在參加本實(shí)驗(yàn)前的6個(gè)月內(nèi)，無下肢損傷，無神經(jīng)、精神類疾病或者服用精神類、鎮(zhèn)靜劑等藥物，在參加實(shí)驗(yàn)前2天未攝入酒精、咖啡等刺激性物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)前所有受試者均知曉本研究的目的，了解實(shí)驗(yàn)流程和注意事項(xiàng)，均自愿參加本研究并簽署知情同意書。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2.1 經(jīng)顱直流電刺激儀

刺激干預(yù)采用DC-STIMULATOR多通道經(jīng)顱直流電刺激儀（德國，Neuroconn公司)，電極片5×7 cm，直流模式電流強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍0～4.5 mA，最大電壓20 V。

1.2.2 運(yùn)動捕捉系統(tǒng)

Vicon紅外運(yùn)動捕捉系統(tǒng)（英國，Vicon公司）和10個(gè)攝像頭（T40），本研究采樣頻率為100 Hz，所用紅外反光標(biāo)志點(diǎn)直徑為14 mm。運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)通過Vicon Nexus 2.6.1（英國，Vicon公司）同步采集，通過此軟件建立人體球棍剛體模型，進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)的命名、刪補(bǔ)標(biāo)志點(diǎn)的運(yùn)動軌跡等前期處理。

1.2.3 測力臺

Kistler三維測力臺（瑞士，Kistler公司，型號9287C）2塊（長×寬×高：900 mm×600 mm×100 mm），外置信號放大器，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器與運(yùn)動捕捉系統(tǒng)連接并同步。最大側(cè)向力和垂直力分別為10 kN和20 kN，采樣頻率為1 000 Hz。

1.3 刺激方案

15位受試者隨機(jī)接受2種刺激條件：陽極刺激（A-tDCS）和假刺激（S-tDCS），每位受試者參與2次實(shí)驗(yàn)，間隔48～72 h，并在2天的同一個(gè)時(shí)間段完成刺激和相關(guān)測試。刺激使用4個(gè)生理鹽水浸泡過，且表面為海綿的電極，其連接于直流電刺激裝置，電流2 mA，刺激持續(xù)時(shí)間20 min(Lattari et al., 2017)，在刺激過程中，要求受試者保持靜坐，避免外界的干擾和無關(guān)刺激。對于陽極刺激，根據(jù)國際10-20腦電圖系統(tǒng)，2個(gè)陽極水平放置以覆蓋雙側(cè)初級運(yùn)動皮層（primary motor cortex, M1)。2個(gè)陰極放置在兩側(cè)肩膀，用醫(yī)用膠帶固定電極。假刺激放置位置與陽極刺激相同，但刺激在30 s后關(guān)掉。所有tDCS操作均由同一實(shí)驗(yàn)人員完成。

圖1　測試流程圖

Figure 1.The Protocol of Experiments

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

每名受試者測試前更換運(yùn)動裝備（背心、短褲和鞋），在跑臺上以10 km/h的速度進(jìn)行5 min熱身，并進(jìn)行動態(tài)拉伸，激活肌肉，增加關(guān)節(jié)活動度。熱身后根據(jù)Visual 3D骨骼模型粘貼反光標(biāo)志點(diǎn)，確定骨盆和下肢各環(huán)節(jié)。進(jìn)行2次練習(xí)，完成靜態(tài)拍攝后開始正式測試。

受試者按照動作要求，在測力臺上盡最大努力，以最快速度完成CMJ動作。采集5次有效數(shù)據(jù)（將所有數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析），排除在測力臺區(qū)域外進(jìn)行的跳躍，或在落地時(shí)和騰空階段不符合運(yùn)動姿態(tài)要求的跳躍。前測完成后接受tDCS刺激，刺激后即刻和30 min分別進(jìn)行與前測相同的熱身與測試。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Visual 3D三維運(yùn)動分析軟件（美國，C-Motion公司）對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、計(jì)算和分析，對運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)信號進(jìn)行低通濾波，標(biāo)志點(diǎn)的截止頻率為10 Hz，地面反作用力信號的截止頻率為50 Hz。使用Origin 9.0（美國，Originlab公司）對地面反作用力和質(zhì)心位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，并繪制平均曲線。

1.5.1 動作階段劃分

以整個(gè)動作時(shí)間為周期，根據(jù)相對地面反作用力在整個(gè)周期內(nèi)的變化，為CMJ動作分期（圖2）。

圖2　CMJ動作階段劃分示意圖

Figure 2.The Temporal Phases of CMJ

注：ta：動作起始點(diǎn)，此時(shí)地面反作用力等于重力，加速度和速度為0；tb：離心階段力峰值時(shí)刻，此時(shí)向下的加速度達(dá)到最大；tc：地面反作用力與重力相等的時(shí)刻，此時(shí)合外力為0，加速度為0，向下的速度達(dá)到最大值；td：向下運(yùn)動的最低點(diǎn)時(shí)刻，此時(shí)正負(fù)沖量相等，重心運(yùn)動速度為0，此刻為原地CMJ離心階段與向心階段的過度點(diǎn)；te：地面反作用力與重力再次相等的時(shí)刻，此時(shí)加速度為0，向上的速度達(dá)到最大值；tf：起跳時(shí)刻，此時(shí)地面反作用力為0，加速度為重力加速度，即離地瞬間。

1.5.2 關(guān)鍵指標(biāo)

1)瞬時(shí)特征：

其中，()為地面反作用力，為人體質(zhì)量，為人體重力。

其中，take off為起跳速度。

發(fā)力率（N/kg/s）-力量-時(shí)間曲線斜率：

其中，()為地面反作用力，()為時(shí)間。

其中，()為地面反作用力，()為質(zhì)心速度。

下肢剛度（N/kg/m）(Liu et al., 2006)：

其中，GRF為質(zhì)心最低點(diǎn)地面反作用力，為質(zhì)心最低點(diǎn)垂直位移。

其中，為地面接觸時(shí)間，()為合外力。

根據(jù)Liu等（2006）的研究，針對力量-位移曲線，由于功=力量×位移，因此可以計(jì)算出離心下蹲階段的能量儲存及向心蹬伸階段的能量釋放，對能量儲存（energy stored）、能量釋放（energy returned）和肌肉主動做功（active work done）的變化進(jìn)行計(jì)算(圖3)。

能量儲存（J/kg）-力量-位移曲線陰影面積（圖4）：