小腦經顱直流電刺激技術提升運動表現(xiàn)的應用

亓豐學， 苗雨， 張娜， 劉卉

(1.北京體育大學運動與腦科學實驗室， 北京 100084； 2.北京體育大學中國運動與健康研究院， 北京 100084)

小腦位于枕葉下方、腦干背側，即顱后窩內[1]，與大腦、間腦和腦干共同構成人腦，其體積約為人腦的10%，但神經元多達690億個，占人腦總神經元的80%[2]。研究顯示，小腦中的網絡數量是大腦網絡的2倍[3]，密集的神經元和組織網絡為小腦參與和執(zhí)行身體活動提供支持，不僅接收來自大腦、脊髓和感覺系統(tǒng)的信息，同時對信息進行整合，輸出到相應的皮層[4]，參與維持身體平衡、調節(jié)肌肉張力和協(xié)調肌肉的隨意運動等。此外，小腦還參與非運動功能的表達[5]，如認知和情感等[6]。研究表明，小腦齒狀核的信息輸出很大一部分投射到前額葉和后頂葉皮層等大腦皮層的非運動區(qū)域，與大腦形成緊密的運動與非運動功能神經網絡[7-9]。小腦復雜的解剖結構和功能特點為調控運動和非運動功能提供了新思路。但是，如何調控小腦能更有效提升運動表現(xiàn)缺乏系統(tǒng)的研究。

經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)是一種非侵入性的腦刺激技術，通過電極將微弱的直流電作用于腦皮層，調節(jié)皮層的興奮性和可塑性[10]，為深入了解小腦功能及其在調控運動和非運動方面的作用提供了新工具。近年來，應用tDCS刺激小腦提升腦功能的研究逐漸增多，特別在神經科學、神經病學以及康復領域得到廣泛關注。但tDCS干預小腦是否能有效提升人類的運動表現(xiàn)，選擇怎樣的tDCS刺激參數、時間和腦區(qū)位置能有效提升運動表現(xiàn)尚不清楚?，F(xiàn)梳理tDCS刺激腦皮層的神經生理機制，總結tDCS刺激小腦的電極放置位置與方法，并綜述小腦tDCS技術對改善運動表現(xiàn)的影響及神經機制研究。

1 經顱直流電刺激的作用機制

tDCS具有極性依靠的特點，正極tDCS刺激神經細胞胞體和/或樹突誘發(fā)神經元放電增強，靜息膜電位降低，產生去極化，提升大腦皮層興奮性[11]如圖1(a)所示。負極tDCS刺激神經細胞胞體和/或樹突誘發(fā)神經元放電減弱，靜息膜電位升高，導致超極化，抑制大腦皮層興奮性[12-13]，如圖1(b)所示。

圖1 tDCS作用機制Fig.1 tDCS action mechanism

tDCS對大腦皮層興奮性的后效應依賴N-methyl-D-aspartate(NMDA)受體調節(jié)，谷氨酸受去極化的影響，濃度提升，激活NMDA受體和鈣離子通道，提升神經細胞內鈣離子濃度，導致長時程增強(long term potentiation, LTP)[14]。谷氨酸受超極化的影響，濃度降低，抑制NMDA受體和鈣離子通道，神經細胞內鈣離子濃度降低，導致長時程抑制(long term depression, LTD)[15-17]。LTP和LTD是學習、記憶過程中重要的神經生理學機制，可促進或抑制突觸間連接[15]。研究發(fā)現(xiàn)，tDCS的刺激強度和刺激時長對突觸可塑性有不同的影響，1～2 mA tDCS正極刺激可誘發(fā)運動皮層興奮性持續(xù)90 min[18-19]。1 mA tDCS負極刺激可抑制運動皮層興奮性長達60 min[20]，3 mA tDCS負極刺激抑制運動皮層興奮性可達90 min[16]。近20年的臨床研究表明，tDCS具有無痛、局灶性、無創(chuàng)性和可逆性的特點，能夠有效改善人類的運動表現(xiàn)[21]、感覺功能[22]和認知功能[23-25]。但是，如何進一步延長微弱電流刺激后的腦皮層興奮性或抑制性的效果，仍需進一步的研究。

2 經顱直流電刺激小腦的電極放置

根據研究目的和電場強度的不同[26]，國際上通常把tDCS刺激雙側小腦的電極(通常為1～2 mA)安放于枕骨隆突中央下方1～2 cm處[27-29]，刺激單側小腦的電極通常安放于枕骨隆突一側3 cm處[30]，參考電極通常放置于頰肌[31]、前額/眼眶上區(qū)域[27]、三角肌[32]或乳突[33-34]，tDCS刺激小腦的電極安放位置參考如圖2所示。

3 經顱直流電刺激小腦對人類運動表現(xiàn)的影響

運動表現(xiàn)是運動員在比賽或訓練中以及普通人群在身體鍛煉中運動能力的集中體現(xiàn)。研究表明，小腦、初級運動皮層M1以及二者的神經網絡連接對提高運動表現(xiàn)有重要作用，是調節(jié)運動過程的重要網絡[35]。長期的運動干預可以改變運動員腦網絡的功能可塑性[36]。隨著非侵入性腦刺激技術以及神經影像技術的發(fā)展，tDCS技術逐漸應用于小腦皮層改善人類的運動表現(xiàn)，如平衡能力、運動適應、動作技能學習以及肌肉力量等。

3.1 改善身體姿勢控制

姿勢控制能力是一種自適應的感覺控制系統(tǒng)，視覺、本體感覺和前庭覺[37]在脊髓、前庭核、腦干、小腦、丘腦和運動皮層等多級神經中樞進行整合加工[38]，以獲得對當前姿勢狀態(tài)最準確的感知。其中，小腦是整合與姿勢控制相關信息的重要腦區(qū)。

圖2 tDCS刺激小腦的電極安放位置參考Fig.2 References of set-ups to apply tDCS over the cerebellum

隨年齡增長，老年人的感覺系統(tǒng)靈活性減弱，導致摔倒風險增加。Ehsani等[39]讓健康老年人接受單次1.5 mA tDCS正極刺激小腦20 min后即刻，站在固定或轉動的平衡測試儀上，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)姿勢搖擺明顯減少，48 h后的隨訪發(fā)現(xiàn)，Berg平衡量表的評分也明顯增高，單次刺激改善老年人的平衡能力持續(xù)48 h?？赡艿脑蚴莟DCS正極刺激小腦激活浦肯野細胞活性，改善小腦蚓部區(qū)或白質束的功能，抑制小腦深部核神經元產生適當的運動輸出，進而抑制了損害姿勢平衡的活動[40]。tDCS正極刺激小腦促進小腦和其他腦區(qū)的連接，增加小腦控制M1、前庭系統(tǒng)、中腦和其他腦區(qū)的功能。Baharlouei等[41]用2 mA tDCS正極刺激小腦，發(fā)現(xiàn)老年人在接受單次刺激后控制靜態(tài)和動態(tài)姿勢的能力得到改善，且老年人在進行平衡測試時接受簡單認知任務，同樣改善了靜態(tài)平衡能力。有研究表明，小腦白質束將小腦和其他腦區(qū)連接，使得tDCS刺激小腦在認知任務方面具有潛在的益處[42]。因此，當老年人的認知系統(tǒng)和姿勢控制系統(tǒng)同時激活，更有利于平衡能力的改善。

Poortvliet等[27]在對年輕人的姿勢控制實驗任務中增加難度，1 mA tDCS正極刺激小腦20 min后，受試者接受15 s的被動跟腱震動任務干擾他們的站姿，觀察其姿勢控制擾亂后的恢復能力。研究發(fā)現(xiàn)，恢復過程中壓力中心(center of pressure, COP)的位移減少，改善了健康成年人的自適應姿勢控制能力。然而，F(xiàn)orerster等[43]用1 mA tDCS的正極(13 min)和負極(9 min)分別干預健康受試者的右側小腦，結果顯示tDCS負極刺激損害了健康個體的靜態(tài)平衡能力，但正極刺激小腦沒有影響靜態(tài)平衡能力。可能的原因是1 mA的tDCS正極刺激強度未能有效激活健康成年人神經元的興奮性和強化各個感覺系統(tǒng)的神經聯(lián)系。

此外，Inukai等[44]研究2 mA tDCS負極刺激小腦20 min對健康成年人的靜態(tài)平衡表現(xiàn)的影響，發(fā)現(xiàn)身體搖擺總軌跡長度以及單位時間的軌跡長度降低，平衡能力改善。1個月后，同一批受試者再次接受同樣強度的tDCS負極刺激，參考電極由前額改為右側頰肌，同樣改善靜態(tài)平衡能力[44]。浦肯野細胞是小腦皮層唯一能夠傳出沖動的神經元，這些細胞的軸突釋放的γ-氨基丁酸神經遞質能抑制小腦深部核神經元，從而增強M1的興奮性，導致平衡能力的提升，即“小腦-大腦抑制”[45]。

平衡能力降低以及行走障礙是導致腦卒中、帕金森、小腦共濟失調甚至腦癱等疾病患者摔倒的重要原因。小腦參與步態(tài)的前饋控制使機體避開障礙物以適應新環(huán)境，并通過小腦-丘腦-皮層通路的激活狀態(tài)提高機體的平衡適應能力[46]。Picelli等[47]讓腦卒中患者在機器人的輔助下進行步態(tài)訓練時接受2 mA 負極tDCS干預健側的小腦半球結合負極經皮脊髓直流電刺激20 min，連續(xù)干預10 d，患者的行走能力得到改善。大腦半球競爭模型表明健康人大腦半球間存在經胼胝體抑制[48]，腦卒中后通過抑制健側腦區(qū)異常的神經元興奮性來幫助恢復患者的平衡功能。因此，tDCS負極干預健側小腦半球可改善受損腦區(qū)功能恢復[49]。Rezaee等[50]研究發(fā)現(xiàn)2 mA tDCS正極刺激小腦齒狀核和小腦控制下肢的區(qū)域(小葉VII-IX)結合虛擬現(xiàn)實(virtual reality, VR)視覺反饋系統(tǒng)干預慢性腦卒中患者15 min，可以改善患者站立平衡能力。VR視覺反饋系統(tǒng)可導致機體在維持平衡過程中產生操作性條件反射，且tDCS刺激小腦的輔助治療可減少反應時間，從而提高姿勢控制能力。Grecco等[51]用1 mA tDCS正極刺激共濟失調性腦癱兒童小腦20 min結合運動跑臺進行姿勢訓練2周(共10次)，2周訓練后閉眼時COP振蕩明顯減少，腦癱兒童的身體平衡能力改善，這種積極效應在一個月后仍獲得保留。這說明tDCS正極刺激小腦結合跑臺訓練可以增加外周神經的信息傳遞，并增強參與運動的腦區(qū)連通性?？梢?，小腦在自適應學習過程中起重要作用，高強度運動訓練(如跑臺訓練)結合正極tDCS刺激小腦可促進新運動模式的學習，進而對平衡和步態(tài)等活動產生積極影響。

綜上，tDCS刺激小腦能夠改善健康群體和神經病損患者的平衡能力。tDCS正極刺激小腦能夠促進小腦和其他腦區(qū)的連接，增加小腦控制M1、前庭系統(tǒng)、中腦和其他腦區(qū)的功能，激活浦肯野細胞活性，改善小腦蚓部區(qū)或白質束的功能，抑制小腦深部核神經元放電。tDCS負極刺激小腦皮層，γ-氨基丁酸濃度升高，抑制小腦深部核神經元放電，從而提升M1的興奮性。此外，健康成年人相較于老年人或神經病損患者的姿勢控制能力沒有衰退或受到損害，可能需要更優(yōu)化的刺激模式提升身體姿勢控制能力。因此，根據受試者對姿勢控制的不同需求選擇合理的刺激強度和刺激時間調控腦部神經元的興奮性，提升身體平衡能力。

3.2 提高運動適應性

運動適應基于運動技能學習和感覺反饋，通過反復試驗調整運動以適應新需求和不斷減少錯誤，在變化的環(huán)境中完善預期目標的運動模式。運動適應是一個復雜的過程，涉及多個腦區(qū)間的相互作用，它可以校準大腦對身體移動的規(guī)劃和考慮與新任務需求相關的成本[52]。

Galea等[53]用2 mA tDCS正極分別刺激右側小腦和M1，通過受試者多次重復在計算機屏幕上快速、準確捕捉射擊目標的方式評估視覺適應能力，結果顯示tDCS刺激小腦后受試者能更快速適應視動轉換和減少運動錯誤。Weightman等[54]研究表明年輕人用2D機器人操作系統(tǒng)(需要上臂伸展運動)適應一個60°視動轉換來完成任務，發(fā)現(xiàn)2 mA tDCS正極刺激右側小腦可以提高受試者的適應能力。因為上臂伸展的精細動作依賴于小腦，所以激活小腦神經細胞的活性有效提高了上臂的運動適應能力。眼動適應是一種由小腦介導的運動適應類型，當視線落在目標位置時，眼動系統(tǒng)檢測錯誤，更新運動指令，在前一次的基礎上調整振幅，訂正視線位置。Avila等[55]對受試者進行眼動適應實驗，發(fā)現(xiàn)1.5 mA正極tDCS刺激右側小腦15 min，增強了跳動視力的適應能力。Mitroi等[56]在延遲眨眼條件反射的實驗中研究發(fā)現(xiàn)1.5 mA或2 mA tDCS刺激小腦20 min，均會增強年輕健康受試者眨眼調節(jié)能力。tDCS可能改變了小腦中γ-氨基丁酸、谷氨酸、腦源性神經營養(yǎng)因子等神經遞質的神經傳遞，促進眨眼調節(jié)能力。

綜上所述，tDCS刺激小腦能改善受試者的運動適應能力。tDCS可作為一種神經調節(jié)技術調節(jié)小腦動眼神經沖動輸出，促進任務相關的特定小腦區(qū)域神經活動。未來需要更多元的樣本結合不同刺激模式進行研究，揭示tDCS刺激小腦改善運動適應的生物學機制，更好地理解人類運動學習過程中小腦在腦網絡中的作用。

3.3 提升運動學習能力

運動學習是通過感覺器官，從多種信息源攝取所學動作技術的信息進行加工處理[57]，形成動作表象，建立動作程序，并根據程序完成動作的過程。學習過程需接受反饋信息，通過減少錯誤，完成運動學習過程。已有研究表明，tDCS可增加小腦皮層神經細胞激活，影響NMDA受體的多態(tài)性，促進皮層脊髓可塑性和運動學習能力[58-59]。

Cantarero等[60]用2 mA tDCS的正極刺激右側小腦，受試者連續(xù)3 d進行線上或線下的順序視覺等距捏力任務練習，結果顯示練習的錯誤率降低，運動技能習得能力較偽刺激組明顯改善，且在線學習組(tDCS刺激期間完成學習任務)的效果優(yōu)于離線模式(tDCS非刺激期間完成學習任務)。但是，在線和離線組的技能掌握水平在一周后不存在差異，在線學習并未獲得額外的習得效果。Ehsani等[61]用2 mA tDCS正極刺激小腦20 min，使受試者在線完成序列反應時任務(serial reaction time task, SRTT)，并分別在刺激結束后35 min和48 h評估短期和長期的學習效果。結果表明，SRTT任務的錯誤率明顯減少，在線學習同樣增強短期運動學習表現(xiàn)，并將其積極效應維持48 h。Jackson等[62]增加了學習任務的難度，讓受試者向遠處(6 m外)目標進行投擲練習，并盡可能縮短落地點至目標中心的距離。研究發(fā)現(xiàn)，投擲訓練時結合2 mA tDCS正極刺激右側小腦20 min，能有效減少投擲誤差的幅度，提高復雜任務中運動技能的習得。正極tDCS刺激小腦可增加神經元放電速率，增強神經元間突觸連接，從而影響神經網絡，鞏固序列學習任務[63]。日?；顒硬煌诠潭ㄈ蝿眨哂休^強的多變性，未來需要進一步應用復雜的任務研究理解運動控制和學習。通過調控小腦神經活動能減少運動學習時錯誤的發(fā)生，同時小腦通過參與由小腦和基底神經節(jié)介導的其他學習機制(如獎賞機制)強化運動學習[64]，促進學習能力的提高。

但是，Beyer等[65]用2 mA正極tDCS刺激右側小腦20 min后進行離線運動學習(不在刺激期間完成學習任務)，結果顯示學習的效率沒有提高。Verhage等[66]用1.5 mA正極tDCS刺激健康受試者的小腦20 min，同時進行內隱分類學習任務，結果顯示未改善學習能力。Jongkees等[67]研究發(fā)現(xiàn)1 mA tDCS正極刺激小腦20 min結合序列反應時任務抑制運動學習能力達24 h。tDCS刺激小腦可能具有任務依賴性。雖然干預小腦有助于運動技能的習得，但是其對視覺運動擾動適應、聯(lián)想學習以及眨眼條件等方面的學習更敏感。

綜上，tDCS刺激小腦能夠改善人類的運動學習能力，在線學習效果優(yōu)于離線模式，且表現(xiàn)出較為明顯的任務依賴特征。此外，運動學習過程依賴于小腦外側和M1共同的神經網絡活動[68]，未來的研究可以進一步探索兩者之間的神經網絡連接。tDCS刺激小腦結合任務學習訓練是否能改善老年人和神經病損患者的運動能力，是否能提高運動員尤其是競技能力提升空間受限的高水平運動員的運動技能學習有待進一步研究。

3.4 提升肌肉力量表現(xiàn)

力量素質是人體神經肌肉系統(tǒng)在工作時克服或對抗阻力的能力。肌肉力量不僅有助于完成日常生活中的各種任務，如走、跑、跳、投等，而且還可以預測運動員的運動表現(xiàn)或動作效能。肢體進行隨意運動時，小腦接收大腦皮層發(fā)出的運動指令和獲取肌肉執(zhí)行運動指令的信息后，小腦皮層的浦肯野氏細胞發(fā)出神經沖動，調控小腦齒狀核的齒狀細胞活動，經齒狀核-丘腦皮層束反饋到運動皮層，通過易化或抑制作用調控運動皮層的神經活動，從而精確控制肌肉力量[69]。

目前的研究較多驗證了tDCS刺激背外側前額葉皮層[70]、M1[71]和顳葉皮層[72]等能有效提升肌肉力量，并將該技術應用到運動訓練中。Kenville等[73]首次將tDCS刺激小腦用于提升肌肉力量，25名健康受試者在接受tDCS刺激期間，三次用力推固定的杠鈴桿(杠鈴桿質量極大，無法被推動)，每次持續(xù)3～5 s，評估受試者的最大等長收縮力量(maximal isometric voluntary contraction, MIVC)。結果顯示，2 mA tDCS正極刺激小腦20 min，可以增強杠鈴深蹲運動中肌肉MIVC[73]。雖然這表明肌肉力量可以通過tDCS刺激小腦調節(jié)，但是目前研究結果無法證明小腦與肌肉力量的提高直接相關。tDCS刺激小腦可能增加小腦與其他腦區(qū)的連接，肌肉力量的短期增長可能歸因于多個腦區(qū)的神經興奮性增加。

綜上，tDCS刺激小腦對提高肌肉力量表現(xiàn)有積極效應。然而，由于該領域尚未開展大范圍的研究，先前實驗的積極效應未在其他研究中被論證，無法確定tDCS刺激小腦可以直接增加肌肉力量。因為肌力的增加離不開腦網絡的協(xié)調控制，所以未來研究需要結合神經影像學技術，分析tDCS刺激期間肌力變化的神經生理學機制。未來應該結合不同的研究方法探索tDCS刺激小腦對肌肉力量的影響，為進一步提高運動表現(xiàn)提供理論依據。

4 結論與展望

tDCS刺激小腦能改善人體姿勢控制能力、提升運動適應能力、加快動作技能的學習和提高肌肉力量表現(xiàn)等。tDCS刺激小腦作為一種潛在的神經病損疾病治療技術和運動功能提升的干預方法，未來需要解決以下問題。

(1)進一步揭示tDCS刺激小腦改善運動表現(xiàn)的神經生理機制。未來需要通過神經影像學技術，如功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, FMRI)和彌散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)探索齒狀核-丘腦-皮層通路介導運動表現(xiàn)的機制。

(2)明確tDCS干預小腦的最佳刺激參數(如刺激強度、刺激時間和刺激時間間隔等)。目前，tDCS刺激小腦的參數更多基于健康成人群體和病人群體的刺激模式，未來需要針對不同年齡段、不同群體(如運動員和青少年病人)探索在不同任務活動狀態(tài)下更適宜有效的刺激參數。

(3)探索與真實場景結合的實驗范式，增強實驗結果的實效性。目前與提升運動表現(xiàn)相關的研究主要基于特定的實驗場景，未來如何將小腦tDCS技術應用于真實場景的運動訓練中，幫助運動員突破現(xiàn)有的運動能力需要進一步探索。

(4)進一步驗證tDCS對改善肌肉力量表現(xiàn)的有效性。目前尚未開展大范圍的研究探索tDCS對改善肌肉力量表現(xiàn)的效果，無法確定tDCS刺激小腦是否可以直接增加肌肉力量。未來研究需要結合神經影像學技術，探究tDCS刺激小腦對肌肉力量的影響，分析tDCS刺激小腦期間肌力變化的神經生理學機制。

(5)探索新技術延長tDCS刺激小腦后的積極效應。目前tDCS刺激小腦的后效應僅持續(xù)1 h左右，未來需要進一步研發(fā)新的無創(chuàng)腦刺激技術延長刺激后效應，發(fā)揮無創(chuàng)腦刺激技術的效益。