經(jīng)顱直流電刺激在運動學(xué)習(xí)中的研究進展

張娜 北京體育大學(xué)

運動學(xué)習(xí)能力是一種與實踐或經(jīng)驗相關(guān)的過程，對新運動技能的獲得、在動態(tài)環(huán)境做出反應(yīng)以及在受傷后重新學(xué)習(xí)之前的運動技能都是至關(guān)重要的。在競技體育領(lǐng)域，一種新運動技能的習(xí)得和鞏固要花費很長一段時間，需要經(jīng)過反復(fù)練習(xí)和訓(xùn)練才能獲得復(fù)雜的運動技能和最佳的運動表現(xiàn)，因此，如何最大化地增強運動表現(xiàn)和運動技能習(xí)得的策略研究一直是體育界研究的重點。最近，非侵入的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)受到研究者的關(guān)注，已有一系列研究證實，神經(jīng)調(diào)控技術(shù)可增強患者和健康人的運動表現(xiàn)，并有部分研究開始用于提升運動員的競技表現(xiàn)，其中與經(jīng)顱直流電刺激相關(guān)的研究居多?；仡櫧陙砼c經(jīng)顱直流電刺激對健康人群運動學(xué)習(xí)影響相關(guān)的國內(nèi)外文獻，探究影響運動學(xué)習(xí)能力因素，為后續(xù)經(jīng)顱直流電刺激用于提升運動員運動學(xué)習(xí)能力進行相關(guān)的研究提供借鑒。

一、經(jīng)顱直流電刺激機制

經(jīng)顱直流電刺激是一種無創(chuàng)、安全的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，將經(jīng)顱直流電刺激儀的正、負(fù)極置于大腦頭皮形成閉合回路，通過產(chǎn)生微弱的直流電刺激大腦皮質(zhì)特定腦區(qū)，調(diào)節(jié)大腦皮質(zhì)的神經(jīng)活動和/或興奮性，影響受刺激腦區(qū)的突觸可塑性和大腦網(wǎng)絡(luò)之間的功能連通性，從而對包括運動學(xué)習(xí)在內(nèi)的一系列行為產(chǎn)生影響。研究表明，經(jīng)顱直流電刺激的刺激效果具有極性依賴的特點，即經(jīng)顱直流電正極刺激導(dǎo)致靜息膜電位去極化，提高皮質(zhì)興奮性，與長時程增強有關(guān)；經(jīng)顱直流電負(fù)極刺激導(dǎo)致靜息膜電位超極化，降低皮質(zhì)興奮性，與長時程抑制有關(guān)[1]。這種神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù)能夠在刺激結(jié)束后持續(xù)數(shù)分鐘、數(shù)小時、數(shù)天，被廣泛應(yīng)用于臨床康復(fù)中。

二、經(jīng)顱直流電刺激與運動學(xué)習(xí)能力

運動學(xué)習(xí)是提高運動技能的一種相對永久性的改變，與大腦皮質(zhì)的神經(jīng)可塑性有關(guān)，其本質(zhì)就是通過調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)肌肉功能。近年來，經(jīng)顱直流電刺激作為一種神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，因其安全、非侵入，且刺激效果持久等特點，已被用于探索對運動學(xué)習(xí)能力的影響。研究指出，經(jīng)顱直流電刺激對運動學(xué)習(xí)的影響與皮質(zhì)中γ-氨基丁酸濃度有關(guān)。但是，由于受到刺激參數(shù)和評價方式等因素的影響，經(jīng)顱直流電刺激的干預(yù)效果不一致，以下將進一步對干預(yù)效果進行分析。

（一）刺激參數(shù)對運動學(xué)習(xí)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，0.5mA的經(jīng)顱直流電正極刺激運動皮質(zhì)15min提高健康受試者在視覺運動任務(wù)中以及刺激結(jié)束后的任務(wù)表現(xiàn)[2]，同樣，1mA的經(jīng)顱直流電刺激雙側(cè)運動皮質(zhì)20min改善運動任務(wù)表現(xiàn)[3]，2mA的經(jīng)顱直流電正極刺激運動皮質(zhì)20min，提高健康受試者離線運動學(xué)習(xí)能力[4]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，在完成序列反應(yīng)時任務(wù)的過程中使用經(jīng)顱直流電刺激運動皮質(zhì)，并不能改善運動學(xué)習(xí)任務(wù)表現(xiàn)[5]。此外，研究指出，經(jīng)顱直流電負(fù)極刺激右側(cè)運動皮質(zhì)降低受試者在運動學(xué)習(xí)任務(wù)中完成正確序列的數(shù)量[6]。經(jīng)顱直流電刺激效果由多種因素決定，其中在電流強度、持續(xù)時長、刺激時機尚以及電極極性上無確定的刺激劑量。目前常用的電流為0.5mA-2mA、持續(xù)時長為10-20min，刺激時機通常選取在線刺激和離線刺激，電極極性包括正極和負(fù)極。目前的研究較少探究經(jīng)顱直流電負(fù)極刺激對運動學(xué)習(xí)的影響，其極性依賴特點在運動學(xué)習(xí)上的影響仍有待進一步驗證。先前的研究也指出，經(jīng)顱直流電的刺激效果與電流強度和刺激時長不一定存在正比關(guān)系，隨著電流強度或者刺激時長的增加，皮質(zhì)興奮性沒有呈現(xiàn)上升的趨勢，可能由于強度過大，導(dǎo)致皮質(zhì)興奮性受到抑制。值得注意的是，目前研究使用的最大電流強度是4mA，尚未出現(xiàn)嚴(yán)重的不良事件，但電流強度過大可能造成皮膚灼傷，因此在設(shè)計經(jīng)顱直流電刺激參數(shù)時首先要考慮安全問題。

經(jīng)顱直流電刺激在長期干預(yù)效果的探索上也取得一定的成效。研究發(fā)現(xiàn)，在多個訓(xùn)練階段應(yīng)用經(jīng)顱直流電刺激可進一步提高運動訓(xùn)練效率，對技能的掌握以及康復(fù)有潛在影響。研究發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)三天的運動任務(wù)中結(jié)合1mA的經(jīng)顱直流電正極刺激運動皮質(zhì)20min，提高了健康受試者在學(xué)習(xí)過程中的序列手指敲擊任務(wù)表現(xiàn)，但視覺等距按壓任務(wù)僅在保留階段表現(xiàn)出改善效果[7]。此外，青少年處于習(xí)得新技能的關(guān)鍵期，有研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)三天/五天使用1/2mA的經(jīng)顱直流電刺激運動皮質(zhì)20min，提高健康兒童在普渡釘板測驗、Jebsen-Taylor測試和系列反應(yīng)時任務(wù)中的表現(xiàn)，改善運動學(xué)習(xí)能力[8,9]。盡管有研究以健康青少年作為研究對象，但是青少年正處于生長發(fā)育的關(guān)鍵期，身體各機能趨于完善，經(jīng)顱直流電刺激可能潛在影響青少年神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，出于安全方面的考慮，經(jīng)顱直流電刺激用于健康青少年的干預(yù)應(yīng)謹(jǐn)慎安排。經(jīng)顱直流電刺激的長期干預(yù)一般設(shè)置在一周三次或五次，未來研究可以延長刺激周期，設(shè)計不同的干預(yù)安排。

（二）經(jīng)顱直流電刺激與其他方式相結(jié)合對運動學(xué)習(xí)的影響

研究表明，經(jīng)顱直流電刺激結(jié)合其他的運動學(xué)習(xí)手段能更好提高技能習(xí)得的速度和準(zhǔn)確性。Yamaguchi等的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注意力集中在第一骨間背側(cè)肌或者拇短展肌肌肉和2mA的經(jīng)顱直流電正極刺激運動皮質(zhì)10min相結(jié)合能提高彈道手指運動的運動學(xué)習(xí)和維持[10]。此外，結(jié)合身體練習(xí)、手指序列協(xié)調(diào)任務(wù)、運動想象、心理意象訓(xùn)練等對運動學(xué)習(xí)也有積極的效果。但是也有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)顱直流電刺激的這種協(xié)同增強效果存在爭議，例如，當(dāng)高強度運動結(jié)合經(jīng)顱直流電刺激運動皮質(zhì)沒有提高成年人的運動學(xué)習(xí)能力[11]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2mA的經(jīng)顱直流電正極刺激運動皮質(zhì)15min時，提高健康受試者在GO/No GO任務(wù)中運動序列的速度和準(zhǔn)確性，但是，經(jīng)顱直流電刺激沒有易化運動想象對序列學(xué)習(xí)的影響[12]。經(jīng)顱直流電刺激通過調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)功能調(diào)節(jié)運動學(xué)習(xí)，可以作為一種輔助的干預(yù)手段，縮短人們習(xí)得新技能的時間。但在與其他手段相結(jié)合時要考慮兩者的安排順序和參數(shù)設(shè)置。

（三）刺激腦區(qū)對運動學(xué)習(xí)的影響

有研究發(fā)現(xiàn)，運動皮質(zhì)、背外側(cè)前額葉皮質(zhì)和小腦均參與運動學(xué)習(xí)。運動皮質(zhì)作為自主運動的最后通路，在運動學(xué)習(xí)中發(fā)揮重要作用，已有多項研究以運動皮質(zhì)作為靶區(qū)進行了深入探索。最近的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)顱直流電刺激背外側(cè)前額葉皮質(zhì)或者小腦也能夠提高健康成年人在運動學(xué)習(xí)任務(wù)中表現(xiàn)，縮短技能習(xí)得的時間。前額葉被認(rèn)為是負(fù)責(zé)認(rèn)知的重要腦區(qū)，經(jīng)顱直流電刺激前額葉提高運動學(xué)習(xí)能力與前額葉皮質(zhì)活動影響其他腦區(qū)的皮質(zhì)興奮性有關(guān)；而小腦負(fù)責(zé)姿勢控制、平衡以及精細(xì)動作的完成，經(jīng)顱直流電刺激小腦提高運動學(xué)習(xí)能力與運動學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的活動和連接有關(guān)。此外，研究發(fā)現(xiàn)，2mA的經(jīng)顱直流電刺激運動皮質(zhì)或小腦20min，表現(xiàn)出不同干預(yù)效果，即小腦經(jīng)顱直流電刺激能夠提高在線學(xué)習(xí)效果，而運動皮質(zhì)經(jīng)顱直流電刺激能提高短期離線學(xué)習(xí)效果[13]。經(jīng)顱直流電同時刺激左側(cè)大腦運動皮質(zhì)和背外側(cè)前額葉皮質(zhì)能提高健康大學(xué)生長期離線學(xué)習(xí)能力[14]。運動皮質(zhì)、前額葉、小腦三者在運動技能習(xí)得的過程中扮演了不同的角色，未來的研究需要進一步探索三者在運動學(xué)習(xí)中的作用，建立多腦區(qū)協(xié)同干預(yù)方式，為提高運動學(xué)習(xí)提供新思路。

三、研究結(jié)論與展望

經(jīng)顱直流電刺激能夠提高健康人群的運動學(xué)習(xí)能力，但是刺激效果受多種因素影響包括：電流強度和持續(xù)時長、電極極性、干預(yù)時機、人群特征和不同刺激腦區(qū)等等，導(dǎo)致研究結(jié)果存在一定的差異。在使用過程中，電流強度應(yīng)是首先要考慮的問題，過大的刺激強度可能導(dǎo)致受試者皮膚灼傷，此外針對不同的人群刺激參數(shù)也有所差異。當(dāng)前的研究主要集中在健康人群，對精英運動員運動學(xué)習(xí)能力提升的研究相對較少，未來在借鑒干預(yù)健康人群研究方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計適用于運動員的刺激參數(shù)，并結(jié)合專項技術(shù)動作，用于運動員的專項練習(xí)中，提高運動技能習(xí)得的速度和準(zhǔn)確性。而對于經(jīng)顱直流電刺激提高運動學(xué)習(xí)能力的內(nèi)在機制尚不明確，未來結(jié)合神經(jīng)影像學(xué)相關(guān)儀器，探索其內(nèi)在的發(fā)生機制，明確不同腦區(qū)對運動學(xué)習(xí)各部分的影響。進一步結(jié)合以往用于提高運動學(xué)習(xí)能力的干預(yù)方式，探索他們之間是否真的具有協(xié)同增效的效果以及如何實現(xiàn)這種增強效應(yīng)。