經(jīng)顱電刺激技術(shù)用于運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)提升的研究進(jìn)展

張 娜 劉 卉 苗 雨 亓豐學(xué)?

1(北京體育大學(xué)運(yùn)動(dòng)與腦科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

2(北京體育大學(xué)中國(guó)運(yùn)動(dòng)與健康研究院，北京 100084)

引言

電刺激最早可追溯到公元43年，古羅馬醫(yī)師用電鰩魚的電極來(lái)緩解患者的頭痛和痛風(fēng)[1]。 1980年，Merton 等[2]首先使用經(jīng)顱電刺激(transcranial electrical stimulation，TES)直接作用在人體顱骨刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，誘發(fā)對(duì)側(cè)手部肌肉的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位，但因電刺激電流較大引起疼痛，限制其進(jìn)一步的應(yīng)用。 20 世紀(jì)末至21 世紀(jì)初，電刺激再次引起研究者的關(guān)注[3]。 Nitsche 等[4]的研究發(fā)現(xiàn)，微弱的經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)能夠影響大腦皮質(zhì)興奮性，TES 技術(shù)受到研究者的重視。 此后的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，除經(jīng)顱直流電刺激外，經(jīng)顱交流電刺激(transcranial alternating current stimulation，tACS) 和經(jīng)顱隨機(jī)噪聲刺激(transcranial random noise stimulation，tRNS)同樣可以調(diào)節(jié)大腦皮質(zhì)神經(jīng)活動(dòng)和/或興奮性。 目前已知的研究發(fā)現(xiàn)，人體對(duì)TES 具有較好的耐受性，除了會(huì)引起大腦頭皮區(qū)域短暫的針刺感、瘙癢、輕微變紅、輕微灼燒感或幻視等，尚無(wú)其他副作用或不可逆的腦損傷報(bào)導(dǎo)[5-6]。

TES 作為一種無(wú)創(chuàng)、安全的腦刺激技術(shù)，從以治療神經(jīng)病損類或精神類疾病為主逐漸引入到運(yùn)動(dòng)科學(xué)的應(yīng)用中[7]。 2016年，?Nature?報(bào)導(dǎo)美國(guó)滑雪和雪地滑板協(xié)會(huì)用tDCS 訓(xùn)練精英跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員，以縮短提高其專項(xiàng)技能的時(shí)間[8]。 Mansfield[9]在COMPLEX 上報(bào)道NBA 勇士隊(duì)在使用“Brain-Zapping”耳機(jī)來(lái)提高運(yùn)動(dòng)員的力量、爆發(fā)力和靈活性。 文中在回顧tDCS、tACS 和tRNS 作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)綜述TES 在提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)方面的研究和應(yīng)用，包括提高身體平衡能力、提升耐力表現(xiàn)和/或緩解運(yùn)動(dòng)疲勞、提升肌肉力量和提升運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力等，為更好地理解和運(yùn)用TES 技術(shù)提供理論參考。

1 經(jīng)顱電刺激的作用機(jī)制

TES 是一種非侵入、無(wú)創(chuàng)的腦刺激技術(shù)，將微弱的電流通過(guò)電極作用于大腦頭皮刺激特定的腦區(qū)，調(diào)節(jié)大腦皮質(zhì)的神經(jīng)活動(dòng)和/或興奮性。 TES 所包括的tDCS、tACS 和tRNS 的刺激波形如圖1 所示。

圖1 經(jīng)顱電刺激波形示意圖[10]。 (a) 經(jīng)顱直流電刺激(tDCS)正極；(b) 經(jīng)顱直流電刺激(tDCS)負(fù)極；(c) 經(jīng)顱交流電刺激(tACS)；(d) 經(jīng)顱隨機(jī)噪聲刺激(tRNS)Fig.1 Examples of stimulation waveforms for transcranial electrical stimulation (TES)[10].(a) Anodal transcranial direct current stimulation (a-tDCS)； (b) Cathodal transcranial direct current stimulation (c-tDCS)； (c)Transcranial alternating current stimulation (tACS)； (d) Transcranial random noise stimulation (tRNS)

1.1 經(jīng)顱直流電刺激

tDCS 根據(jù)極性的不同分為正極tDCS(圖1(a))和負(fù)極tDCS(圖1 (b))，1 mA tDCS 正極刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，誘發(fā)靜息膜電位去極化，提升運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性，然而，1 mA tDCS 負(fù)極刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，誘發(fā)靜息膜電位超極化，降低運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性[4]。 研究發(fā)現(xiàn)，1 mA tDCS 正極刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)13 min，運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性能夠持續(xù)90 min[11]；2 mA tDCS 正極干預(yù)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)15 min 或20 min，誘發(fā)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性持續(xù)90 min[12-13]。 其原因在于谷氨酸受去極化的影響，濃度升高，激活N－甲基－D－天冬氨酸(N-methyl-D－aspartate，NMDA)受體和鈣離子通道，神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long term potentiation，LTP)[14-16]。 1 mA tDCS 負(fù)極刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)9 min，抑制運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性長(zhǎng)達(dá)1 h[17]；3 mA tDCS 負(fù)極刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)20 min，抑制運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性達(dá)90 min[18]。 這是因?yàn)楣劝彼崾艹瑯O化的影響，濃度降低，激活γ－氨基丁酸(γ－amino-butyric acid，GABA)受體，抑制NMDA 受體和鈣離子通道，神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度降低，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)程抑制(long term depression，LTD)[14-16]。 Nitsche 等[19]進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，4 mA tDCS 刺激人體大腦皮質(zhì)是安全和可耐受的。 但是，研究者需要結(jié)合神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)進(jìn)一步探索4 mA tDCS 對(duì)大腦皮質(zhì)神經(jīng)活動(dòng)和/或興奮性的影響，明確4 mA tDCS 相較于1、2、3 mA tDCS 刺激大腦皮質(zhì)是否更有利于治療神經(jīng)病損類或精神病類疾病，是否能更有效的改善健康人、甚至運(yùn)動(dòng)員的腦功能和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

另外，有研究報(bào)道tDCS 能調(diào)節(jié)局部區(qū)域的腦血流量(regional cerebral blood flow，rCBF)[20]。 Zheng等[21]用磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)測(cè)量rCBF，結(jié)果顯示，tDCS 正極和負(fù)極分別導(dǎo)致rCBF 的增加和降低，且rCBF 變化的腦區(qū)域不只局限于刺激部位，與刺激腦區(qū)相關(guān)聯(lián)的部分腦區(qū)也發(fā)生變化。 Stagg 等[22]研究發(fā)現(xiàn)，tDCS 正極干預(yù)背外側(cè)前額葉皮質(zhì)，導(dǎo)致該區(qū)域的腦血流灌注增加，負(fù)極刺激下腦血流灌注降低。 但是，關(guān)于tDCS 結(jié)合任務(wù)相關(guān)活動(dòng)調(diào)節(jié)rCBF 需要進(jìn)一步的研究，驗(yàn)證tDCS 對(duì)rCBF 的影響是否受大腦皮質(zhì)狀態(tài)的影響。

1.2 經(jīng)顱交流電刺激

tACS 以不同頻率的正弦波刺激大腦頭皮，能同步被刺激區(qū)域的大腦皮質(zhì)相應(yīng)頻率的神經(jīng)振蕩，調(diào)控內(nèi)源性大腦皮質(zhì)節(jié)律，從而影響大腦皮質(zhì)功能[14，23-24]，即內(nèi)源性振蕩與外部節(jié)律性刺激同步化[25-26](見(jiàn)圖1 (c))。

不同頻率的tACS 對(duì)大腦皮質(zhì)的神經(jīng)活動(dòng)和/或興奮性有不同的影響。 研究發(fā)現(xiàn)，140 Hz tACS 干預(yù)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min，提升運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性，且這種效應(yīng)在刺激結(jié)束后持續(xù)1 h[27-28]。 Chaieb 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，1、2、5 kHz tACS 刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min，提升運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性。 1 kHz tACS 的后效應(yīng)持續(xù)60 min，2和5 kHz tACS 的后效應(yīng)持續(xù)到刺激結(jié)束后的90 min。這可能是由不同的調(diào)控機(jī)制所介導(dǎo)，140 Hz tACS 能夠同步神經(jīng)元振蕩，誘導(dǎo)持續(xù)的大腦振蕩活動(dòng)變化；當(dāng)高于1 kHz 時(shí)，tACS 直接選擇性地調(diào)節(jié)神經(jīng)元的膜興奮性[30]。 Feurra 等[31]研究發(fā)現(xiàn)，20 Hz tACS 刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)90 s 提升運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性。 但是，另有研究發(fā)現(xiàn)15 和20 Hz tACS 分別刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 和20 min 后抑制運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的興奮性[32-33]。這可能與持續(xù)的Beta tACS 對(duì)中間神經(jīng)元活動(dòng)有阻尼效應(yīng)，改變GABA 受體和/或NMDA 受體的活動(dòng)有關(guān)[34]。 不同刺激頻率和時(shí)相、刺激時(shí)間和刺激強(qiáng)度的tACS 對(duì)大腦皮質(zhì)神經(jīng)活動(dòng)和/或興奮性有不同的影響，需進(jìn)一步明確不同刺激頻率和刺激劑量對(duì)大腦皮質(zhì)神經(jīng)活動(dòng)和/或興奮性的影響。

1.3 經(jīng)顱隨機(jī)噪聲刺激

tRNS 與tDCS 技術(shù)相比，是一個(gè)相對(duì)較新的經(jīng)顱電刺激技術(shù)，產(chǎn)生低強(qiáng)度且頻率和振幅隨機(jī)改變的鐘形或正態(tài)分布的白噪聲電流，分為低頻(0.1～100 Hz)、高頻(101～640 Hz)和全頻(0.1～640 Hz)圖譜[10，14，35](圖1 (d))。 研究發(fā)現(xiàn)，1 mA 全頻tRNS刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min 提高運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性，其后效應(yīng)長(zhǎng)達(dá)60 min[27，36-37]。 Laczó 等[38]研究發(fā)現(xiàn)，2 mA高頻tRNS 刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min，提升運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性且持續(xù)40 min。 研究表明，tRNS 可能是通過(guò)調(diào)控電壓門控鈉離子通道來(lái)調(diào)控大腦皮質(zhì)興奮性[39-40]。

2 經(jīng)顱電刺激應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)提升

目前，TES 更多應(yīng)用于神經(jīng)病損類或精神病類患者的康復(fù)治療，對(duì)腦損傷的恢復(fù)、情緒的調(diào)控、認(rèn)知功能的改善等有良好的效果。 近些年，逐漸有研究者把TES 應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)增加大腦與神經(jīng)、肌肉的連接，提高人類在運(yùn)動(dòng)中的肌肉協(xié)調(diào)性，提升人類的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，如提高身體平衡能力、提升耐力表現(xiàn)、緩解運(yùn)動(dòng)疲勞、提升肌肉力量和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力等。

2.1 提高身體平衡能力

平衡能力是人類主要的身體素質(zhì)之一，是指在運(yùn)動(dòng)中或者外力作用下，仍能維持身體姿勢(shì)的能力，它與身體結(jié)構(gòu)、肌肉協(xié)調(diào)性和腦組織參與平衡的調(diào)節(jié)等有關(guān)。 Rostami 等[41]研究發(fā)現(xiàn)，1 mA tDCS正極每天刺激健康老人的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)20 min，連續(xù)干預(yù)5 d 后，老人的步態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡能力得到提升，并且維持1 周。 Xiao 等[42]用高精度tDCS 刺激健康成年人的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)域20 min，提升受試者的靜態(tài)平衡能力。 身體平衡能力是運(yùn)動(dòng)員具備的基礎(chǔ)能力之一，尤其是在非周期性項(xiàng)目中，直接影響運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)和體能等的發(fā)揮，tDCS 是否能改善精英運(yùn)動(dòng)員動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的平衡能力還需要進(jìn)一步的研究。

2.2 提升耐力表現(xiàn)和/或緩解運(yùn)動(dòng)疲勞

耐力是機(jī)體長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行肌肉活動(dòng)的能力，是提高速度、力量等素質(zhì)的基礎(chǔ)。 耐力的好壞直接影響著人類的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。 目前，部分研究探討了tDCS 干預(yù)大腦皮質(zhì)對(duì)神經(jīng)、肌肉疲勞恢復(fù)是否有正向的影響。

Cogiamanian 等[43]研究發(fā)現(xiàn)，1.5 mA tDCS 正極刺激右側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min 后，左肘屈肌等長(zhǎng)收縮至力竭的時(shí)間增加，并且提高右利手的健康受試者的肌肉耐力， 緩解他們的肌肉疲勞。 同樣地，Abdelmoula 等[44]研究發(fā)現(xiàn)，1.5 mA tDCS 正極刺激左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min 后，提高左利手的健康受試者的肘關(guān)節(jié)屈肌次最大收縮至疲勞的時(shí)間。 Roberto等[45]研究發(fā)現(xiàn)，使用Halo 設(shè)備施加2 mA tDCS 刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)20 min，提高健康成年男性受試者完成Bruce 跑臺(tái)測(cè)試時(shí)的峰值攝氧量，增強(qiáng)有氧能力。除對(duì)普通人群的研究外，研究者開(kāi)始探尋tDCS 是否能夠提高運(yùn)動(dòng)員的耐力表現(xiàn)，例如，Sasada 等[46]研究發(fā)現(xiàn)，2 mA tDCS 正極干預(yù)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)15 min，延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)員在耐力騎行測(cè)試中騎行至疲勞的時(shí)間，提高耐力表現(xiàn)。 Seidel-Marzi 等[47]研究發(fā)現(xiàn)，2 mA tDCS正極刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)20 min，延緩運(yùn)動(dòng)員與非運(yùn)動(dòng)員在腳部敲擊任務(wù)(foot-tapping tasks，F(xiàn)TT)中運(yùn)動(dòng)減速(motor slowing，MoSlo)的程度，緩解運(yùn)動(dòng)疲勞。 此外，F(xiàn)aria 等[48]使用2 mA tDCS 正極干預(yù)左側(cè)背外側(cè)前額葉皮質(zhì)20 min，提高接受過(guò)中等強(qiáng)度抗阻訓(xùn)練男性受試者在下蹲測(cè)試(the back-squat exercise)中總的重復(fù)次數(shù)。

Angius 等[49]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮負(fù)電極的放置位置時(shí)，2 mA tDCS 正極干預(yù)左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min，負(fù)電極置于肩部相較于放置于對(duì)側(cè)前額位置能更有效地提高受試者下肢的耐力表現(xiàn)。 隨后，Angius等[50]又采用2 mA tDCS 正極刺激雙側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)(正極－左側(cè)和右側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，負(fù)極－同側(cè)肩部)10 min，對(duì)于每周至少進(jìn)行3 h 有氧鍛煉的受試者(recreationally active participants)在遞增負(fù)荷的功率自行車任務(wù)中運(yùn)動(dòng)至疲勞的時(shí)間。

但是，部分tDCS 對(duì)肌肉耐力和疲勞影響的研究得到的結(jié)論不一致。 研究發(fā)現(xiàn)，2 mA tDCS 正極刺激右側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min 后，并沒(méi)有改善受試者的肌肉力量和耐力[51-52]。 Wrightson 等[53]研究發(fā)現(xiàn)，1 和2 mA tDCS 正極分別干預(yù)左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min，均未改善健康受試者的耐力表現(xiàn)。 Byrne 等[54]采用2 mA tDCS 正極干預(yù)左側(cè)背外側(cè)前額葉皮質(zhì)20 min后，并未降低因耐力訓(xùn)練導(dǎo)致的疼痛感，也未改善運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。 Workman 等[55]用4 mA tDCS 正極刺激健康女性的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)20 min，使其疲勞程度加重。除此之外，針對(duì)運(yùn)動(dòng)員的研究也有類似的結(jié)果，例如，Valenzuela 等[56]研究發(fā)現(xiàn)，2 mA tDCS 正極刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)20 min，提高優(yōu)秀的鐵人三項(xiàng)男運(yùn)動(dòng)員的活力自我感覺(jué)(vigor self-perception)，但并未提高游泳表現(xiàn)。 Mesquita 等[57]用1.5 mA tDCS 正極干預(yù)雙側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)(正極－左側(cè)和右側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，負(fù)極－同側(cè)肩部)15 min 后，降低跆拳道運(yùn)動(dòng)員的總踢腿次數(shù)，增加主觀疲勞感覺(jué)等級(jí)，損害運(yùn)動(dòng)員的耐力表現(xiàn)，且這種效應(yīng)維持1 h。

以上研究表明，tDCS 是否能夠提升健康人群和運(yùn)動(dòng)員的耐力表現(xiàn)、緩解運(yùn)動(dòng)疲勞尚存分歧。 不同的刺激強(qiáng)度、刺激時(shí)間、刺激次數(shù)和刺激腦區(qū)部位獲得的干預(yù)效果不同，受試者的個(gè)體差異、樣本量的數(shù)量都可能影響其干預(yù)效果。 最佳的刺激劑量、干預(yù)方法和tDCS 提高耐力表現(xiàn)和/或緩解運(yùn)動(dòng)疲勞的神經(jīng)生理機(jī)制有待進(jìn)一步的研究。

2.3 提升肌肉力量

肌肉力量是肌肉工作時(shí)克服阻力的能力，是實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，也是提高運(yùn)動(dòng)能力的基礎(chǔ)。Satoshi 等[58]研究發(fā)現(xiàn)，2 mA tDCS 正極刺激右側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min 后，提高受試者腿部的夾緊力(pinch force)。 Chandramouli 等[59]研究發(fā)現(xiàn)，2 mA tDCS 正極刺激左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min，增加右利手受試者肘屈肌運(yùn)動(dòng)單位的募集。 Hendy 等[60]研究發(fā)現(xiàn)，2 mA tDCS 正極刺激右側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)20 min，同時(shí)結(jié)合右側(cè)腕伸肌力量訓(xùn)練，提高右利手受試者最大肌力且激活未訓(xùn)練側(cè)腕部的肌肉。 Dos Santos 等[61]研究發(fā)現(xiàn)，2 mA tDCS 正極刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)15 min 后，提升膝關(guān)節(jié)伸肌的最大隨意等長(zhǎng)收縮力量。 Eduardo 等[62]研究發(fā)現(xiàn)，2 mA tDCS 正極刺激雙側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)(正極－頂點(diǎn)，負(fù)極－右側(cè)眶額皮質(zhì))20 min 后，可提高受過(guò)良好力量訓(xùn)練的受試者反向運(yùn)動(dòng)跳躍的高度和肌肉峰值功率，增大肌肉力量。 Roberto 等[45]研究發(fā)現(xiàn)，使用Halo 設(shè)備施加2 mA tDCS 刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)20 min，健康成年男性受試者垂直縱跳的高度增加，下肢肌肉力量增強(qiáng)。 此外，部分研究者研究如何用tDCS 提高運(yùn)動(dòng)員的肌肉力量，研究發(fā)現(xiàn)，2 mA tDCS正極刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)20 min，提高女性手球運(yùn)動(dòng)員肩部?jī)?nèi)外旋肌和足球運(yùn)動(dòng)員的股四頭肌的最大等長(zhǎng)收縮力量[63-64]。 Ali-Mohammad 等[65]的研究發(fā)現(xiàn)，2 mA tDCS 正極干預(yù)右側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和左側(cè)顳葉皮質(zhì)13 min 后，提高健美運(yùn)動(dòng)員的1 次重復(fù)最大力量。Alix-Fages 等[66]的研究發(fā)現(xiàn)，在抗阻訓(xùn)練之前使用2 mA tDCS 正極干預(yù)左側(cè)背外側(cè)前額葉皮質(zhì)15 min，提高接受過(guò)至少兩年抗阻訓(xùn)練健康男性受試者重復(fù)完成臥推的次數(shù)，并保持較高的速度，降低主觀疲勞感覺(jué)(ratings of perceived exertion，RPE)值。 但是也有研究結(jié)果顯示，tDCS 并未改善肌肉力量。 2 mA tDCS 正極刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min，同時(shí)結(jié)合力量訓(xùn)練，連續(xù)干預(yù)3 周，每3 d 進(jìn)行1 次，共7次，提高膝關(guān)節(jié)伸肌和屈肌的峰值扭矩，但沒(méi)有提高受試者的下肢肌肉力量[67]。

以上研究表明，tDCS 能夠作為一種提高肌肉力量的輔助工具，除基本的刺激參數(shù)外，受試者的狀態(tài)也是影響干預(yù)效果的因素之一。 未來(lái)需要加大樣本量探索更加全面的肌肉力量評(píng)估方式，明確干預(yù)的最佳腦區(qū)，進(jìn)一步揭示tDCS 提升肌肉力量的神經(jīng)生理機(jī)制。

2.4 提升運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力

運(yùn)動(dòng)技能是指在大腦皮質(zhì)的主導(dǎo)下，掌握和有效完成專門技術(shù)的能力，通過(guò)后天學(xué)習(xí)和訓(xùn)練獲得。 部分研究者采取離線刺激任務(wù)，即在干預(yù)前后進(jìn)行任務(wù)測(cè)試，探究tDCS 對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力提升的影響。 Fan 等[68]使用2 mA tDCS 正極連續(xù)干預(yù)左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)5 d，每次20 min，提高右利手受試者節(jié)拍器輔助抓握任務(wù)的能力。 Ali-Mohammad 等[69]研究發(fā)現(xiàn)，2 mA tDCS 正極刺激右側(cè)小腦和負(fù)極刺激左側(cè)背外側(cè)前額葉皮質(zhì)20 min，降低受試者在鏡像追蹤任務(wù)(mirror-tracing task)中錯(cuò)誤的數(shù)量。 相對(duì)于tDCS 正極干預(yù)大腦皮質(zhì)，tDCS 負(fù)極刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)顯示出相反的結(jié)果。 Máximo 等[70]研究發(fā)現(xiàn)，1 mA tDCS 負(fù)極刺激右側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)20 min，降低右利手受試者在手指敲擊任務(wù)中完成正確序列的數(shù)量。 Qi等[71]研究發(fā)現(xiàn)，1 mA tDCS 負(fù)極干預(yù)左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min，降低與運(yùn)動(dòng)觀察相關(guān)皮質(zhì)的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位，進(jìn)而削弱與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行相關(guān)的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)活動(dòng)。 但是，Oliver 等[72]研究表明，2 mA tDCS 正極干預(yù)雙側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)(正極－頂點(diǎn)，負(fù)極－前額中央)20 min，沒(méi)有改善運(yùn)動(dòng)員和非運(yùn)動(dòng)員在反應(yīng)時(shí)任務(wù)和手部、腳部敲擊任務(wù)中的學(xué)習(xí)能力。 然而，部分研究者采取在線刺激任務(wù)，即在干預(yù)過(guò)程中進(jìn)行任務(wù)測(cè)試，探索tDCS 對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力提升的影響。 Foerster 等[73]研究發(fā)現(xiàn)，健康右利手受試者用右腿執(zhí)行視覺(jué)運(yùn)動(dòng)任務(wù)過(guò)程中接受0.5 mA tDCS 正極刺激左側(cè)腿部運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)15 min，提高受試者完成視覺(jué)運(yùn)動(dòng)任務(wù)的速度和準(zhǔn)確性。 Jin 等[74]研究發(fā)現(xiàn)，健康右利手受試者在執(zhí)行雙手等距力控制任務(wù)(bimanual isometric force-control tasks)的過(guò)程中，分別接受2 mA tDCS正極刺激左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和左側(cè)背外側(cè)前額葉皮質(zhì)30 min，均提高受試者在任務(wù)中的準(zhǔn)確性。 另外，部分研究者結(jié)合其他的干預(yù)手段探索改善運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力的新策略，Yamaguchi 等[75]研究發(fā)現(xiàn)，2 mA tDCS 正極干預(yù)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min 并結(jié)合注意力集中于拇短展肌時(shí)，提高受試者在彈道屈曲運(yùn)動(dòng)任務(wù)(ballistic flexion movement task)中拇指運(yùn)動(dòng)技能的習(xí)得。 Debarnot 等[76]研究發(fā)現(xiàn)，與單次刺激相比，持續(xù)3 d 的2 mA tDCS 正極干預(yù)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)13 min 結(jié)合身體鍛煉或運(yùn)動(dòng)想象，提高健康右利手受試者在序列反應(yīng)時(shí)任務(wù)中的表現(xiàn)。

綜上所述，tDCS 能夠提高健康人群的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力，但是干預(yù)效果受多種因素的影響，包括刺激參數(shù)、干預(yù)的時(shí)機(jī)和受試者的大腦狀態(tài)等，導(dǎo)致研究結(jié)果存在一定的區(qū)別。 tDCS 對(duì)精英運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力影響的研究相對(duì)較少，需要結(jié)合對(duì)健康非運(yùn)動(dòng)員人群的研究方法，進(jìn)一步探討tDCS 在何種時(shí)機(jī)下用多少劑量干預(yù)運(yùn)動(dòng)員哪些大腦皮質(zhì)和如何干預(yù)大腦皮質(zhì)能更有效的改善運(yùn)動(dòng)員的學(xué)習(xí)能力，從而建立以運(yùn)動(dòng)員為主體的tDCS 干預(yù)指標(biāo)。

部分學(xué)者驗(yàn)證了tACS 和tRNS 影響人類的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力。 Pollok 等[77]研究發(fā)現(xiàn)，10 和20 Hz tACS 分別刺激左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，提高右利手受試者在序列反應(yīng)時(shí)任務(wù)中的學(xué)習(xí)能力。 Vanessa 等[78]研究發(fā)現(xiàn)，20 Hz tACS 干預(yù)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min 后，降低受試者在序列反應(yīng)時(shí)任務(wù)中的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力。 Giustiniani 等[79]研究發(fā)現(xiàn)，在完成序列反應(yīng)時(shí)任務(wù)的整個(gè)過(guò)程中施加40 Hz tACS 干預(yù)左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，降低健康右利手受試者的反應(yīng)時(shí)間。Sugata 等[80]研究發(fā)現(xiàn)，70 Hz tACS 刺激左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min 后，降低受試者在視覺(jué)暗示按壓按鈕任務(wù)(visually cued button press task)的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)，提高運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力。 Bologna 等[81]研究發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)任務(wù)過(guò)程中施加tACS 干預(yù)，20 Hz tACS 抑制運(yùn)動(dòng)技能的習(xí)得，70 Hz tACS 則促進(jìn)運(yùn)動(dòng)技能的習(xí)得。 另外，Berntsen 等[82]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把刺激腦區(qū)位置考慮在內(nèi)時(shí)，相較于刺激頂葉和運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，tACS 刺激前額葉皮質(zhì)，提高受試者在手部運(yùn)動(dòng)序列任務(wù)中運(yùn)動(dòng)序列再現(xiàn)能力。 以上研究表明，tACS 能夠提升人類的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力，但是在不同的干預(yù)時(shí)機(jī)下，不同刺激頻率干預(yù)不同腦區(qū)對(duì)學(xué)習(xí)能力的影響不同，未來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證其刺激效果，明確不同刺激頻率干預(yù)不同腦區(qū)的效應(yīng)。

Andreas 等[83]探索tRNS 對(duì)改善運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力的研究顯示，高頻(101～640 Hz)tRNS 干預(yù)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min，提升健康右利手受試者執(zhí)行GO/NO-GO任務(wù)的準(zhǔn)確性和降低反應(yīng)時(shí)間。 同樣，全頻(0.1～640 Hz)tRNS 干預(yù)左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)10 min，降低受試者在視覺(jué)眼肌追蹤任務(wù)(visuomotor tracking task)中的錯(cuò)誤率，提高運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力[84]。 但 是，Albuquerque 等[85]研究顯示，高頻(101～640 Hz)tRNS 干預(yù)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)20 min，沒(méi)有提高高爾夫推桿任務(wù)的技能獲得或保持。 以上研究表明，tRNS 能夠提升人類的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力，但是不同的學(xué)習(xí)任務(wù)達(dá)到的效果不同。 tRNS 干預(yù)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力的研究相對(duì)較少，未來(lái)需要針對(duì)不同的群體、不同的學(xué)習(xí)任務(wù)范式進(jìn)行系統(tǒng)的研究，明確tRNS 改善任務(wù)學(xué)習(xí)能力的標(biāo)準(zhǔn)。

3 經(jīng)顱電刺激應(yīng)用于腦網(wǎng)絡(luò)功能連通性

大腦是人類神經(jīng)系統(tǒng)的最高級(jí)部分，人體各種功能活動(dòng)在大腦皮質(zhì)的解剖結(jié)構(gòu)上都有其特定的腦區(qū)，這些腦區(qū)間通過(guò)大腦節(jié)點(diǎn)緊密連接在一起，如果某特定大腦網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)受到刺激，那么這種效應(yīng)將擴(kuò)散到功能相互關(guān)聯(lián)的其它腦區(qū)[14，86-87]。研究發(fā)現(xiàn)，TES 不僅能調(diào)控被刺激腦區(qū)的局部神經(jīng)活動(dòng)和/或興奮性，而且對(duì)相互關(guān)聯(lián)的大腦網(wǎng)絡(luò)也有影響[88-89]，例如，tDCS 可增強(qiáng)靜息狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的連接[90-91]，提高腦網(wǎng)絡(luò)功能的連通性[92]。

研究發(fā)現(xiàn)，tDCS 刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，受刺激大腦半球的前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)、運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的功能性連接顯著增強(qiáng)，同時(shí)，半球間、半球內(nèi)的腦區(qū)間連接也發(fā)生變化[93]。 Bernhard 等[94]用tDCS 刺激單側(cè)和雙側(cè)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)(正極－右側(cè)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)；負(fù)極－左側(cè)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì))導(dǎo)致腦區(qū)功能連通性改變，但tDCS 刺激雙側(cè)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)主要調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和前額葉皮質(zhì)的連通性，tDCS 刺激單側(cè)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)調(diào)節(jié)的是前額葉皮質(zhì)、頂葉皮質(zhì)和小腦的連通性。 隨后，Bernhard 等[95]研究者用tDCS 刺激右利手健康受試者的單側(cè)和雙側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)(正極－左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，負(fù)極－右側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì))，結(jié)果顯示，在刺激期間，不論刺激單側(cè)還是雙側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，大腦半球間功能連通性降低，但在tDCS 刺激結(jié)束后，僅在雙側(cè)刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)觀察到右側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)內(nèi)功能連通性增加。 Moisa 等[96]研究發(fā)現(xiàn)，健康右利手受試者在完成視覺(jué)眼肌運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)接受70 Hz tACS 干預(yù)左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，提高受試者的任務(wù)表現(xiàn)，調(diào)節(jié)背內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)活動(dòng)。 除運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)外，部分研究者用tDCS 對(duì)運(yùn)動(dòng)腦功能網(wǎng)絡(luò)中的其他腦區(qū)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行干預(yù)。 例如，Yaqub 等[97]研究發(fā)現(xiàn)，高精度tDCS 刺激健康男性受試者的前額葉皮質(zhì)，提高受試者受刺激大腦半球的整體連通性以及與受刺激區(qū)域功能相關(guān)聯(lián)的大腦半球間的連通性。 Hunter 等[98]研究發(fā)現(xiàn)，tDCS 干預(yù)右利手受試者右側(cè)頂葉皮質(zhì)，增加受刺激半球的上頂葉、下頂葉、左額頂葉、突顯網(wǎng)絡(luò)(salience network)和小腦網(wǎng)絡(luò)間的連通性，降低前扣帶回和基底神經(jīng)節(jié)間的連通性。 TES 為了解腦皮質(zhì)間的功能連接在各種行為活動(dòng)中的作用提供新的方法。 TES 不僅能調(diào)節(jié)受刺激腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)，而且影響與其功能相關(guān)的其他腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)，探索如何通過(guò)TES 刺激腦網(wǎng)絡(luò)來(lái)更加有效的提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，闡明TES 改善運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)背后的神經(jīng)機(jī)制是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一。

4 展望

tDCS 根據(jù)極性的不同能夠改善健康人群和運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，包括提高身體平衡能力、提升耐力表現(xiàn)和/或緩解運(yùn)動(dòng)疲勞、提升肌肉力量和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力等。 tACS 根據(jù)刺激頻率的不同和tRNS 根據(jù)全頻或高頻圖譜能夠提升健康人群的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力。

大腦掌控著人類絕大部分的學(xué)習(xí)與運(yùn)動(dòng)。 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的過(guò)程雖然側(cè)重于對(duì)運(yùn)動(dòng)技能、身體表現(xiàn)等方面的訓(xùn)練，但其內(nèi)在的本質(zhì)仍然是依靠大腦皮質(zhì)建立神經(jīng)連接，從而使神經(jīng)系統(tǒng)更好的控制肌肉。未來(lái)可針對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

1)進(jìn)一步驗(yàn)證tACS 和tRNS 對(duì)改善人類運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的有效性。 目前tACS 和tRNS 較多應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力提升的研究中，隨著從實(shí)驗(yàn)室研究到運(yùn)動(dòng)科學(xué)應(yīng)用研究的轉(zhuǎn)變，未來(lái)研究需要進(jìn)一步驗(yàn)證tACS 和tRNS 在提升身體平衡能力、耐力表現(xiàn)、肌肉力量和緩解運(yùn)動(dòng)疲勞等方面的有效性。

2)明確適宜的TES 刺激參數(shù)(如，刺激強(qiáng)度、頻率、持續(xù)時(shí)間和重復(fù)刺激時(shí)間間隔等)。 目前TES用于運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)提升的刺激參數(shù)更多基于健康非運(yùn)動(dòng)員群體或病人群體的刺激模式，未來(lái)研究需要擴(kuò)大樣本量，包括精英運(yùn)動(dòng)員和業(yè)余運(yùn)動(dòng)員群體，根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，明確更適宜有效的TES 刺激參數(shù)。

3)進(jìn)一步揭示TES 單獨(dú)或TES 結(jié)合任務(wù)活動(dòng)干預(yù)大腦皮質(zhì)提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的神經(jīng)機(jī)制。 以往研究證明TES 具有改善運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的潛力，但其結(jié)果缺乏一致性，具體的作用機(jī)制尚不清楚，未來(lái)需進(jìn)一步結(jié)合腦電圖(electroencephalography，EEG)、腦磁圖(magnetoencephalography，MEG)、功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)或近紅外腦功能成像(functional near-infrared imaging，fNIR)等多模態(tài)神經(jīng)功能成像技術(shù)來(lái)驗(yàn)證TES 單獨(dú)或TES 結(jié)合任務(wù)相關(guān)活動(dòng)對(duì)大腦皮質(zhì)神經(jīng)活動(dòng)和/或興奮性的影響及其神經(jīng)機(jī)制。

4)探索TES 刺激腦網(wǎng)絡(luò)是否能更有效的提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。 大腦是個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)腦區(qū)間通過(guò)核心/節(jié)點(diǎn)連接，已有研究顯示，刺激某一核心/節(jié)點(diǎn)，與其功能相關(guān)聯(lián)的腦區(qū)也會(huì)被影響[99]。 未來(lái)需借助神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)闡明TES 刺激腦網(wǎng)絡(luò)核心/節(jié)點(diǎn)對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的影響及神經(jīng)機(jī)制。

5)針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目探索TES 如何結(jié)合相關(guān)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練任務(wù)提升運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。 當(dāng)前與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)相關(guān)的研究較多基于特定的實(shí)驗(yàn)情景，局限于探究某一種運(yùn)動(dòng)素質(zhì)(如肌肉力量、耐力表現(xiàn)等)，與實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情景有所區(qū)別。 運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)是多種運(yùn)動(dòng)素質(zhì)的集中體現(xiàn)，未來(lái)需要進(jìn)一步探索在真實(shí)運(yùn)動(dòng)情境中，便攜式TES 設(shè)備結(jié)合多模態(tài)的評(píng)價(jià)方法有效提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的干預(yù)模式。