經(jīng)顱磁刺激技術(shù)提高運(yùn)動(dòng)能力的研究進(jìn)展

陳 宇

（廣州體育學(xué)院 研究生院，廣東 廣州 510500）

競(jìng)技體育離不開(kāi)高科技的支撐.近些年，國(guó)內(nèi)外關(guān)于無(wú)創(chuàng)性腦刺激技術(shù)應(yīng)用于體育領(lǐng)域的研究受到廣泛關(guān)注，并在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練實(shí)踐中得到應(yīng)用，經(jīng)顱磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）技術(shù)就是其中的代表.

1 經(jīng)顱磁刺激技術(shù)的概念與起源

TMS簡(jiǎn)稱(chēng)磁刺激，它是將連續(xù)磁場(chǎng)脈沖作用于大腦特定皮質(zhì)區(qū)域并誘導(dǎo)皮層下產(chǎn)生感應(yīng)電流，達(dá)到影響腦內(nèi)代謝和神經(jīng)活動(dòng)的一種電生理技術(shù)［1］，是被廣泛用于探索人類(lèi)皮層神經(jīng)潛在激活的非侵入性腦刺激（NIBS）技術(shù).

1985年，在倫敦舉行的第11屆世界臨床神經(jīng)生理學(xué)與腦電圖會(huì)議上，英國(guó)Sheffield大學(xué)的Barker教授等人［2-3］首先創(chuàng)立一種皮質(zhì)刺激方法，他們通過(guò)使用磁場(chǎng)線(xiàn)圈刺激大腦皮層初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)，并成功地在對(duì)側(cè)手部記錄到運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（Motor Evoked Potentials，MEP），于此，該項(xiàng)被命名為經(jīng)顱磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）的神經(jīng)技術(shù)宣告誕生.他們的研究認(rèn)為，如果被試的頭皮短暫暴露于磁場(chǎng)中，可以激活皮質(zhì)脊髓束［4］.

2 經(jīng)顱磁刺激技術(shù)的特點(diǎn)、原理與刺激模式

經(jīng)顱磁刺激技術(shù)具有無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)疼痛、功能獨(dú)特、操作簡(jiǎn)單，相關(guān)性高等特點(diǎn).自Barker等人開(kāi)發(fā)并啟動(dòng)使用后，被廣泛應(yīng)用于精神病學(xué)、神經(jīng)病學(xué)的臨床治療以及腦科學(xué)、心理、認(rèn)知等領(lǐng)域的研究.此技術(shù)主要基于法拉第電磁感應(yīng)原理，通過(guò)線(xiàn)圈的傳遞將瞬變電流生成感應(yīng)磁場(chǎng)，產(chǎn)生出的瞬間變化磁場(chǎng)穿透顱骨、軟組織，在顱內(nèi)導(dǎo)體中轉(zhuǎn)化為與刺激線(xiàn)圈電流方向相反的感應(yīng)電流，進(jìn)而作用于大腦局部皮質(zhì)，通過(guò)神經(jīng)突觸傳導(dǎo)相鄰神經(jīng)元，改變大腦皮質(zhì)附近神經(jīng)細(xì)胞的極化狀態(tài)，并改變神經(jīng)細(xì)胞膜電位而產(chǎn)生一系列生理、生化反應(yīng)［5-6］.

使用時(shí)可根據(jù)不同刺激脈沖的數(shù)量和頻率，有的放矢組合成不同的刺激模式，從而達(dá)到相應(yīng)的目的.常見(jiàn)刺激模式主要有：?jiǎn)蚊}沖磁刺激（Single-pulse TMS，spTMS）、雙脈沖磁刺激（Pair-pulse TMS，ppTMS）、重復(fù)性磁刺激（Repetitive-pulse TMS，rTMS）［7-9］.

3 經(jīng)顱磁刺激技術(shù)在臨床中的應(yīng)用

3.1 TMS在臨床的首次應(yīng)用

2008年由美國(guó)食品與藥品監(jiān)督局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準(zhǔn)，rTMS首次用于難治性抑郁癥的治療［9］.作為神經(jīng)系統(tǒng)檢查及治療技術(shù)，TMS的無(wú)痛非侵入性，讓受試者基本能在沒(méi)有任何不適或疼痛的感覺(jué)下完成，受試者較為接受.雖然TMS應(yīng)用于治療初期，由于技術(shù)手段還沒(méi)有發(fā)展成熟等原因，發(fā)生治療誘發(fā)癲癇病，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)已成為了無(wú)創(chuàng)性治療帕金森、抑郁癥等神經(jīng)疾病的優(yōu)先選項(xiàng)［10］.

3.2 TMS應(yīng)用于腦性疾病患者

神經(jīng)元放電是大腦活動(dòng)的主要形式，經(jīng)顱磁刺激技術(shù)通過(guò)脈沖磁場(chǎng)使大腦皮層神經(jīng)細(xì)胞的動(dòng)作電位因磁場(chǎng)誘發(fā)的感應(yīng)電流而發(fā)生改變，引起相應(yīng)腦區(qū)的興奮或抑制，達(dá)到對(duì)應(yīng)性的調(diào)節(jié)腦網(wǎng)絡(luò)，造成短暫或長(zhǎng)期的腦功能改變的目的［11］.

經(jīng)顱磁刺激是一項(xiàng)新型認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)技術(shù).通過(guò)精準(zhǔn)的評(píng)估，制定最佳的治療方案，利用高強(qiáng)度脈沖磁場(chǎng)，作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的瞬時(shí)活動(dòng)，來(lái)調(diào)節(jié)腦內(nèi)代謝和神經(jīng)電生理活動(dòng)、改善患者神經(jīng)功能，并影響運(yùn)動(dòng)感覺(jué)功能和高級(jí)認(rèn)知能力.用于腦卒中、腦外傷、脊髓損傷、帕金森等疾病康復(fù)治療，目前在昏迷促醒方面也有臨床應(yīng)用［12］.腦卒中是一種致死和致殘率極高的急性腦血管疾病，被世界衛(wèi)生組織列位于僅次于癌癥和冠心病后的第三致死疾病.運(yùn)動(dòng)功能障礙、思維障礙、記憶障礙等是腦卒中常發(fā)的后遺癥，重度致殘率高［13］.腦卒中及其他腦部損傷后認(rèn)知功能障礙若得不到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和治療，可進(jìn)一步導(dǎo)致癡呆、抑郁等疾病的發(fā)生.因此提高治療預(yù)后效果成為必需且急需要解決的問(wèn)題.大量研究結(jié)果證明，相對(duì)于單純介入傳統(tǒng)康復(fù)鍛煉的腦卒中患者［14-17］、帕金森患者［18］，TMS聯(lián)合功能鍛煉能更有效促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)重塑，改善患者的認(rèn)知功能和神經(jīng)功能［19-20］，本病目前臨床康復(fù)最常用此方法，也是被承認(rèn)能為患者最大可能的康復(fù)效果提供機(jī)會(huì)的治療方法.劉思豪臨床研究發(fā)現(xiàn)，rTMS在治療腦卒中患者上肢主動(dòng)運(yùn)動(dòng)能力、下肢主動(dòng)運(yùn)動(dòng)（支撐、擺動(dòng)、步幅、步行速度）能力等方面都有顯著的提高［21］.因此，后期TMS越來(lái)越多地應(yīng)用于腦卒中康復(fù)領(lǐng)域，對(duì)急性期腦梗死患者腦癱患者認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的效果也得到了臨床的肯定［22-25］.

經(jīng)顱磁刺激技術(shù)較之并稱(chēng)為21世紀(jì)的四大腦科學(xué)核心研究技術(shù)的正電子放射掃描（PET，Positron Emission Computed Tomography）、功能磁共振影像（fMRI，F(xiàn)unctional Magnetic Resonance malting）、腦磁圖（MEG，Magnetoencephalogram）而言，因其優(yōu)越性和實(shí)用性成為一種應(yīng)用前景更廣的最具潛力的臨床治療方法.在焦慮癥［26］、抑郁癥［27］、強(qiáng)迫癥［28］、帕金森［29］和阿爾茲海默癥［30］等神經(jīng)疾病中較多應(yīng)用，且效果良好.

經(jīng)顱磁刺激技術(shù)的以上臨床應(yīng)用效果，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究中也得到良好驗(yàn)證［31-34］.并通過(guò)深入的研究和應(yīng)用，該技術(shù)不斷得到發(fā)展和完善.

4 經(jīng)顱磁刺激強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)能力

4.1 提高身體能力和執(zhí)行功能

關(guān)于神經(jīng)技術(shù)應(yīng)用于身體運(yùn)動(dòng)能力的既往研究，有較一致的認(rèn)識(shí)：神經(jīng)技術(shù)，包括經(jīng)顱磁刺激，在改善運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)，提高肌肉力量和減緩肌肉疲勞等方面具有潛在優(yōu)勢(shì)［35-36］.眾所周知，任何身體動(dòng)作都是通過(guò)肌肉的收縮舒張帶動(dòng)骨骼的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成的，而肌肉的舒縮活動(dòng)、完成軀體運(yùn)動(dòng)卻是受神經(jīng)系統(tǒng)高級(jí)中樞——大腦運(yùn)動(dòng)皮層所控制.那么，如何做到通過(guò)改變神經(jīng)動(dòng)作控制達(dá)到改變肌肉活動(dòng)、提高運(yùn)動(dòng)能力呢？答案就是TMS技術(shù).TMS既可作為神經(jīng)系統(tǒng)治療技術(shù)同時(shí)也是檢查技術(shù).TMS技術(shù)能夠準(zhǔn)確地探究被測(cè)者大腦皮層功能分區(qū)運(yùn)動(dòng)皮層附近神經(jīng)細(xì)胞膜電位狀態(tài)，以及接受刺激后的適應(yīng)性細(xì)微變化情況，因此進(jìn)一步了解大腦網(wǎng)絡(luò)如何對(duì)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)中的運(yùn)動(dòng)程序調(diào)整優(yōu)化，達(dá)到強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)能力的目的［37］.而且，可以根據(jù)目的制訂個(gè)性化刺激方案改變大腦皮層不同的興奮狀態(tài).有研究證明通過(guò)一段時(shí)間刺激引起興奮性改變作用可維持達(dá)到3個(gè)月、甚至6個(gè)月之長(zhǎng)［38-39］，具有改變突觸可塑性的潛在作用.雖然既往研究認(rèn)為，中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元于出生后不久發(fā)育即停止，損傷壞死后不能再生，并喪失原有的聯(lián)系和功能，數(shù)十年來(lái)也一直被醫(yī)學(xué)界所共識(shí).但隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，損傷后的人腦仍有適應(yīng)能力，能在結(jié)構(gòu)和功能上自我修復(fù)，以在一定程度上適應(yīng)改變了的環(huán)境.20世紀(jì)30年代初，神經(jīng)康復(fù)學(xué)家Bethe A首先提出腦可塑性（Brain Plasticity）的概念.研究表明，腦在一定條件下具有可塑性，即腦神經(jīng)在結(jié)構(gòu)和功能上有自身修復(fù)的能力［40］.神經(jīng)可塑性可以發(fā)生在多個(gè)水平，這些改變可能會(huì)引起大腦皮層組織結(jié)構(gòu)的變化，影響大腦發(fā)育，進(jìn)而導(dǎo)致行為層面的變化.這種能力對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和維系大腦的正常機(jī)能是至關(guān)重要的.有研究證明，經(jīng)顱磁刺激技術(shù)能夠增強(qiáng)神經(jīng)可塑性，恢復(fù)皮質(zhì)興奮水平，改善腦功能［41］.

經(jīng)顱磁刺激作為目前最可靠且應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于健康和疾?。ㄖ饕獮樯窠?jīng)損傷患者）人群［42］，均能明顯提高運(yùn)動(dòng)功能.近些年，TMS在提升運(yùn)動(dòng)員身體和心理的綜合運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)方面的作用得到了更多關(guān)注和應(yīng)用.北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院靳靜娜博士［43］對(duì)10名在校大學(xué)生健康受試者進(jìn)行14天的rTMS刺激聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練（非利手進(jìn)行三種不熟悉的運(yùn)動(dòng)任務(wù)訓(xùn)練），對(duì)照組單純執(zhí)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，兩組訓(xùn)練模式和時(shí)間完全相同.結(jié)果是實(shí)驗(yàn)組非利手的肢體運(yùn)動(dòng)輸出功能更強(qiáng).金芳［44］將14名健康受試者作為測(cè)試對(duì)象，進(jìn)行15天刺激，并對(duì)手部運(yùn)動(dòng)功能多個(gè)行為學(xué)指標(biāo)進(jìn)行刺激前后的檢測(cè)、對(duì)比，發(fā)現(xiàn)rTMS刺激聯(lián)合手部運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練組干預(yù)效率高于單純運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練組.有學(xué)者以空手道運(yùn)動(dòng)員、拳擊運(yùn)動(dòng)員、網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員等為例進(jìn)行了研究，使用高頻rTMS刺激運(yùn)動(dòng)員的大腦皮層M1區(qū)后均發(fā)現(xiàn)其皮層閾值降低，興奮性增高，運(yùn)動(dòng)員的肢體運(yùn)動(dòng)功能和肌肉力量都相應(yīng)增強(qiáng)，靈敏和協(xié)調(diào)能力也得到了相應(yīng)提升.李巍［45］將20名水平為國(guó)家二級(jí)運(yùn)動(dòng)員及以上或運(yùn)動(dòng)年限5年以上的拳擊運(yùn)動(dòng)員，分為刺激組和偽刺激組，結(jié)果顯示，高頻rTMS刺激背外側(cè)前額葉，能顯著促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員選擇性注意、工作記憶能力，提高工作記憶的信息提取速度、無(wú)關(guān)信息的抑制能力，提高視覺(jué)搜索速度，提高知覺(jué)預(yù)測(cè)預(yù)判準(zhǔn)確性與反應(yīng)速度，縮短神經(jīng)活動(dòng)的激活時(shí)程.何艷等［46］以10名在校大學(xué)生健康志愿者為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)同背景握力的條件下，TMS刺激前后手部握力大小及各手指間的協(xié)調(diào)性得到了提高.

4.2 心理調(diào)節(jié)作用

TMS能調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)員賽前狀態(tài).低頻rTMS刺激運(yùn)動(dòng)員額葉區(qū)發(fā)現(xiàn)其可以改善運(yùn)動(dòng)員賽前焦慮、情緒低落及失眠，高頻rTMS刺激運(yùn)動(dòng)員的額葉也可以很好地改善其賽前興奮性低、反應(yīng)遲鈍、情緒低落，為運(yùn)動(dòng)員賽前心理干預(yù)提供了一種新方法.劉運(yùn)州［47］以8名運(yùn)動(dòng)年限6-9年、運(yùn)動(dòng)水平為二級(jí)以上運(yùn)動(dòng)員的體校學(xué)生為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)使用1Hz、80%RMT、1 500次rTMS（持續(xù)10秒間隔2秒）刺激右側(cè)背外側(cè)前額葉（DLPFC），能夠有效降低運(yùn)動(dòng)員賽前焦慮（包括認(rèn)知焦慮和軀體焦慮）狀態(tài)，增加自信心，提高睡眠質(zhì)量，以及改善睡眠.使用20Hz、90%RMT、3000次rTMS（持續(xù)5秒間隔55秒）刺激左側(cè)背外側(cè)前額葉（DLPFC），能產(chǎn)生心理喚醒作用，以及心理喚醒的強(qiáng)度得到增加，并能抑制負(fù)性心理喚醒.趙非一等［48］以21名來(lái)自高校的國(guó)家二級(jí)以上女排運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)rTMS干預(yù)可顯著改善因賽前焦慮導(dǎo)致的女排隊(duì)員總睡眠時(shí)間不足和睡眠效率低下的問(wèn)題.

5小 結(jié)

科技強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)能力、助力競(jìng)技體育的作用已得到廣泛公認(rèn).采用TMS技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)通路、認(rèn)知功能等方面的皮質(zhì)功能活動(dòng)的研究也越來(lái)越多.然而，從神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制角度，目前尚不十分明確無(wú)創(chuàng)腦刺激是如何改善運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)、提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的.神經(jīng)技術(shù)的安全性、時(shí)效性、合理性也還不能保證.另外，TMS最佳刺激參數(shù)的選擇和搭配，尚沒(méi)有較具體的參照和定論；最佳介入時(shí)機(jī)及方案，與體育訓(xùn)練方案如何合理結(jié)合等等問(wèn)題也不清楚，這些仍是未來(lái)需要重點(diǎn)關(guān)注和研究的方向.

大量的研究結(jié)果表明高頻rTMS刺激可以增強(qiáng)正常人的大腦皮層M1區(qū)的興奮性，提高運(yùn)動(dòng)能力.那么它是否會(huì)被作為一種新型的“興奮劑”來(lái)使用呢？如果是，鑒于目前興奮劑檢測(cè)的兩種方法都不適用于TMS的檢測(cè)，那又該如何進(jìn)行檢測(cè)和判定？這些問(wèn)題都值得思考.如果科技異化了竟技體育［49］，那便背離了竟技體育和人文精神和價(jià)值觀(guān)，導(dǎo)致竟技體育不能健康發(fā)展.

當(dāng)然，某些實(shí)證研究對(duì)TMS技術(shù)提高運(yùn)動(dòng)能力這一結(jié)論持懷疑態(tài)度［50］；此外，包括TMS在內(nèi)的技術(shù)可能存在對(duì)運(yùn)動(dòng)員身體造成傷害的潛在風(fēng)險(xiǎn)，這些問(wèn)題都需要更進(jìn)一步探究和解決.