經(jīng)顱交流電刺激對運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)與鞏固的作用

張學(xué)軍, 李菲

(1.南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院， 南京 210023；2.南京郵電大學(xué)射頻集成與微組裝技術(shù)國家地方聯(lián)合工程試驗(yàn)室， 南京 210023)

腦內(nèi)振蕩活動(dòng)對各種腦功能發(fā)揮作用的過程起著重要作用，如運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)過程。大腦的振蕩活動(dòng)主要分為五個(gè)頻段：δ(<4 Hz)、θ(4～7 Hz)、α(8～12 Hz)、β(13～30 Hz)和γ(>30 Hz)。人類進(jìn)行的大部分日常活動(dòng)都依賴于運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的各個(gè)過程，包括運(yùn)動(dòng)技能的獲取、運(yùn)動(dòng)性能的提升、運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的鞏固等。其中，運(yùn)動(dòng)技能的鞏固對控制運(yùn)動(dòng)有著重要意義，控制運(yùn)動(dòng)所需要的注意力隨著運(yùn)動(dòng)技能鞏固的提高而逐漸降低，使得運(yùn)動(dòng)更加簡單。運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)涉及大腦多個(gè)皮層區(qū)域的活動(dòng)，包括初級運(yùn)動(dòng)皮層(primary motor cortex，M1)、運(yùn)動(dòng)前皮質(zhì)、輔助運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)、小腦皮質(zhì)和基底神經(jīng)節(jié)[1]。有研究表明初級運(yùn)動(dòng)皮層與運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)有著密切的關(guān)系，是運(yùn)動(dòng)功能和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵區(qū)域[2]。在初級運(yùn)動(dòng)皮層M1中，γ能帶活動(dòng)會在運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)過程中增加[3]。因此，如果通過經(jīng)顱電刺激(transcranial electric stimulation，TES)加強(qiáng)M1中γ能帶的活動(dòng)，可能會增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的效果。特別地，研究表明低頻成分(如α和β帶)的神經(jīng)分布與運(yùn)動(dòng)功能和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)有關(guān)。例如，α振蕩影響視覺和感覺運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[4]，β振蕩有助于運(yùn)動(dòng)功能和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)[5]。因此，α波段被認(rèn)為與視覺運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)，而β波段與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)。文獻(xiàn)[6]研究表明β波段的經(jīng)顱交流電刺激(transcranial alternating current stimulation，tACS)促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)序列的獲取，同時(shí)對干擾的敏感性較低，因此可能對運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)技能的鞏固產(chǎn)生有利影響。目前關(guān)于運(yùn)動(dòng)技能鞏固的研究還很少，因此研究側(cè)重于其在多大程度上受到β和γ頻帶的影響。

程序性運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)是指通過重復(fù)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)，借助骨骼、肌肉以及相應(yīng)的神經(jīng)反射獲得新知識的過程[7]。根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容呈現(xiàn)順序的不同可分為序列學(xué)習(xí)和隨機(jī)學(xué)習(xí)兩種，序列學(xué)習(xí)是指通過一系列不斷重復(fù)的、固定長度的序列循環(huán)呈現(xiàn)的刺激而發(fā)生學(xué)習(xí)，隨機(jī)學(xué)習(xí)則是在無序的呈現(xiàn)中實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的過程。程序性運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)不僅是人類日?；顒?dòng)的重要組成部分，更是運(yùn)動(dòng)技能習(xí)得的重要方式[8]。為了研究運(yùn)動(dòng)序列學(xué)習(xí)，序列反應(yīng)時(shí)任務(wù)(serial reaction time task，SRTT)是一個(gè)成熟的范式，它誘導(dǎo)了隨時(shí)間的推移進(jìn)行的學(xué)習(xí)過程[9]。SRTT可以由非侵入性腦電刺激調(diào)節(jié)[10-11]。通過應(yīng)用弱恒定電流，經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元靜息膜電位和突觸活動(dòng)，以極性依賴的方式調(diào)節(jié)皮層的興奮性[12]。與tDCS相比，tACS以特定頻率的正弦波形電流，大腦內(nèi)部可能會在刺激的過程中發(fā)生內(nèi)源性腦震蕩，也可能在刺激后發(fā)生神經(jīng)可塑性變化，從而影響運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)與技能鞏固[13-14]。

近年來，tACS作為一種非侵入性的腦電刺激方法引起了人們的廣泛關(guān)注。tACS的原理是通過向連接在參與者頭部的兩個(gè)電極上施加交流電，將電極下方的腦震蕩調(diào)節(jié)到特定頻率[15]。文獻(xiàn)[16]的研究已經(jīng)驗(yàn)證了在M1上施加tACS對運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的影響，主要是對早期運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)或運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)被破壞時(shí)有效，對運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的鞏固的研究還很少，值得進(jìn)一步探索。已有大量研究表明，對M1區(qū)進(jìn)行電刺激(分別為β-tACS和γ-tACS)會影響運(yùn)動(dòng)績效和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)。70 Hz的γ-tACS可以提高刺激過程中手指的運(yùn)動(dòng)速度[17]，增加手指的有效力，80 Hz的γ-tACS改善了視覺運(yùn)動(dòng)跟蹤任務(wù)的性能[18]。也有研究表明，20 Hz的β-tACS降低了刺激過程中手指的運(yùn)動(dòng)速度[19]，降低了手指的可用力，并提高了運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的穩(wěn)定性[20]。β與運(yùn)動(dòng)控制的學(xué)習(xí)過程有關(guān)(如運(yùn)動(dòng)序列學(xué)習(xí)任務(wù))，研究表明tACS可以使SRTT的反應(yīng)時(shí)間(reaction time，RT)加快。因此，M1區(qū)β或γ波段的tACS可以影響運(yùn)動(dòng)性能。假設(shè)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)和運(yùn)動(dòng)技能鞏固過程可以通過β-tACS和γ-tACS來調(diào)節(jié)，然后用序列運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)任務(wù)來檢驗(yàn)這個(gè)假設(shè)。研究的目的是確定β-tACS和γ-tACS對運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)過程的影響，如果這種刺激可以促進(jìn)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)和運(yùn)動(dòng)技能的鞏固，則可以為開發(fā)個(gè)人運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)提供新的有用信息。

針對tACS對運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)方面的產(chǎn)生的影響等問題，提出了利用不同刺激頻率對M1區(qū)進(jìn)行刺激的方法，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的常用范式SRTT的試驗(yàn)。通過兩種學(xué)習(xí)鞏固值來判斷電刺激對行為表現(xiàn)的影響，預(yù)計(jì)在不同真實(shí)電刺激條件下反應(yīng)速度與準(zhǔn)確性均能得到顯著提高。

1 材料和方法

1.1 受試者

15名19～25歲的健康年輕人參加了本次研究。這項(xiàng)研究遵循了斯洛文尼亞心理協(xié)會《心理學(xué)家道德守則》，并根據(jù)赫爾辛基宣言的原則進(jìn)行。所有受試者視力正?；虺C正為正常，且均為右利手。排除標(biāo)準(zhǔn)包括任何神經(jīng)疾病病史(如抑郁癥、癲癇等)、腦損傷、學(xué)習(xí)障礙等，以及熟悉重復(fù)手指運(yùn)動(dòng)的個(gè)人，如鋼琴演奏者、專業(yè)游戲玩家以及之前有過SRTT經(jīng)驗(yàn)的人。試驗(yàn)前所有受試者均閱讀了試驗(yàn)相關(guān)說明和注意事項(xiàng)，并簽署了試驗(yàn)知情同意書。

1.2 試驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單盲、隨機(jī)、假對照的要求設(shè)計(jì)。試驗(yàn)在一個(gè)光線昏暗、安靜的房間進(jìn)行。試驗(yàn)過程中，受試者坐在一張舒適的椅子上，頭和胳膊支撐在一個(gè)15.6英寸的電腦顯示器前。受試者完成3個(gè)隨機(jī)試驗(yàn)階段，其中兩個(gè)階段采用真實(shí)的tACS(β-tACS和γ-tACS)，另一個(gè)為假刺激。將tACS電極固定好后，受試者先進(jìn)行1次SRTT作為基線測量。之后進(jìn)行刺激，試驗(yàn)為了評估刺激對運(yùn)動(dòng)鞏固的影響，對受試者在刺激期間、刺激后60 min再次進(jìn)行SRTT，試驗(yàn)步驟如圖1所示。每次刺激試驗(yàn)至少間隔1周以避免遺留效應(yīng)。

圖1 試驗(yàn)流程圖Fig.1 Experimental flow chart

在3次測試中，tACS分別以20、70 Hz和假刺激的頻率被應(yīng)用于所有受試者。各個(gè)試驗(yàn)之間間隔至少1周。之前研究對樣本量的計(jì)算顯示，需要n=12名受試者才能滿足重復(fù)測量設(shè)計(jì)和顯著性水平小于0.05的要求。在此基礎(chǔ)上，本次研究選擇15名健康的受試者，以補(bǔ)償潛在的數(shù)據(jù)損失。由于1名受試者在第1次試驗(yàn)后數(shù)據(jù)均不理想，因此排除在數(shù)據(jù)分析之外，最終數(shù)據(jù)來自14名參與者(9名男性，5名女性)，平均年齡為(22.53±0.56) 歲。

1.3 刺激物與裝置

通過兩個(gè)浸泡過鹽水的海綿電極(5 cm×5 cm)施加在皮膚表面(自制刺激器)[21]，強(qiáng)度為2 mA(峰間振幅；正弦波形)。電極放置在左M1和右眼眶上方。根據(jù)tACS的現(xiàn)行安全指南應(yīng)用刺激參數(shù)。在刺激過程中，tACS持續(xù)時(shí)間被單獨(dú)調(diào)整為SRTT持續(xù)時(shí)間，平均持續(xù)11 min 5 s(±5.2 s)。假刺激組僅在試驗(yàn)開始時(shí)施加30 s的電流，然后在受試者不知情的情況下關(guān)閉，這確保了受試者在假刺激條件下和真實(shí)刺激條件下感受相同。

1.4 序列反應(yīng)時(shí)任務(wù)

SRTT是一種成熟的試驗(yàn)范式，可以引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)序列學(xué)習(xí)。SRTT是1個(gè)4位字母鍵盤，本研究的刺激物是3個(gè)深色矩形與1個(gè)淺色矩形的整體，水平排列在受試者面前的屏幕中央，背景為白色，其中淺色按鍵的位置作為主要視覺刺激，受試者通過判斷淺色塊的位置來決定按鍵位置與手指的選用。在試驗(yàn)過程中，參與者坐在電腦屏幕前。受試者的右手手指放在鍵盤的4個(gè)水平按鍵上(食指代表字母h，中指代表字母j，無名指代表字母k，小指代表字母l)，如圖2所示。

圖2 SRTT的單個(gè)試次Fig.2 Single trial of SRTT

每次試驗(yàn)開始時(shí)，電腦屏幕中央展示4個(gè)大小相等、水平排列的矩形圖，受試者通過圖片類型的視覺提示快速、準(zhǔn)確地按下相應(yīng)按鍵。如圖2所示，淺色塊位置需要受試者使用無名指按下j鍵。一旦按下按鍵，不管是否正確，試次結(jié)束，試驗(yàn)會進(jìn)行下一個(gè)刺激。若沒有按下按鍵，試次則會在3 000 ms后自動(dòng)結(jié)束，代表試次無效。1次SRTT試驗(yàn)由5個(gè)試驗(yàn)塊和1個(gè)練習(xí)塊組成，每個(gè)塊包括120個(gè)試次，練習(xí)塊包括16次隨機(jī)按鍵，主要用來對每次試驗(yàn)前的熟悉過程，每次SRTT需要10～12 min完成。受試者在每個(gè)塊之間休息1 min。在塊1和塊4中，刺激的出現(xiàn)為隨機(jī)序列，其余三個(gè)塊則由12次相同的按鍵順序(j-k-h-l-h-j-l-k-h-j)組成。受試者不知道重復(fù)序列的存在，所有受試者進(jìn)行了3次SRTT，一次在刺激前(基線)，一次在刺激期間，一次在刺激后60 min。每次試驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)間(reaction time,RT)定義為圖片刺激出現(xiàn)到按下按鍵的時(shí)間差(ms)，取200～600 ms內(nèi)的反應(yīng)為有效數(shù)據(jù)，若占比小于50%，則此塊無效。錯(cuò)誤率(error ratio, ER)定義為塊內(nèi)的錯(cuò)誤按鍵數(shù)量與每塊內(nèi)的有效試次總數(shù)的比率，分析刺激前后RT和ER的變化。

1.5 數(shù)據(jù)記錄

使用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)原始數(shù)據(jù)的來源進(jìn)行分析，研究用兩種計(jì)算得分來判斷運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)鞏固。SRTT通常涉及兩種學(xué)習(xí)：一般運(yùn)動(dòng)技能(general motor skill，GMS)學(xué)習(xí)和序列特異性技能(sequence-specific skill，SS)學(xué)習(xí)[22]。GMS學(xué)習(xí)是指重復(fù)序列塊之間的學(xué)習(xí)，SS學(xué)習(xí)是隨機(jī)塊和有序塊之間的學(xué)習(xí)，這兩種數(shù)值是對受試者學(xué)習(xí)的間接衡量[23]。GMS學(xué)習(xí)是指在重復(fù)固定序列后加入隨機(jī)序列，且隨機(jī)序列的RT顯著大于重復(fù)固定序列的RT時(shí)，表明發(fā)生了序列學(xué)習(xí)。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的SRTT任務(wù)中存在隨機(jī)序列與重復(fù)固定序列的交替，所以選擇隨機(jī)塊與重復(fù)固定序列塊之間的RT差異作為一種運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)鞏固的度量。SS是指兩個(gè)重復(fù)固定序列塊之間的RT差異，當(dāng)后重復(fù)序列塊的RT比前重復(fù)序列塊的RT相比發(fā)生明顯加快時(shí)，也表示發(fā)生了學(xué)習(xí)鞏固。將這兩種學(xué)習(xí)的RT差異作為評判學(xué)習(xí)鞏固的指標(biāo)，數(shù)據(jù)分析也從這兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行，同時(shí)對錯(cuò)誤率進(jìn)行分析。

通過以上分析，選擇了兩種反應(yīng)時(shí)間差的分?jǐn)?shù)來判斷運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)鞏固。ER是為SRTT運(yùn)行的每個(gè)塊計(jì)算的。GMS分?jǐn)?shù)是兩個(gè)序列塊之間的平均反應(yīng)時(shí)差異，并作為GMS學(xué)習(xí)和鞏固的衡量標(biāo)準(zhǔn)。正的GMS值意味著參與者在第二個(gè)序列塊上表現(xiàn)更好，這代表學(xué)習(xí)和鞏固。另一方面，SS值表示從順序塊切換到緊隨其后的隨機(jī)塊時(shí)RT的增加。假設(shè)任務(wù)程序在兩個(gè)模塊中是相等的，因此RT差異代表內(nèi)隱運(yùn)動(dòng)序列學(xué)習(xí)[24-25]。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 初步分析

在得到初始的RT與ER相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理后，將不同刺激條件下基線測量、在線tACS測量、刺激后60 min測量的各塊反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行整合，并對其進(jìn)行單因素方差分析。結(jié)果顯示，在基線階段，隨機(jī)塊1中假刺激與β-tACS和γ-tACS之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=8.976，p=0.01)；刺激期間在各個(gè)順序塊之間差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p均小于0.05)，這是tACS對運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)與鞏固有積極影響的有力證據(jù)，在隨機(jī)塊2中未發(fā)現(xiàn)顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。事后檢驗(yàn)表明，這種差異主要是假刺激與20、70 Hz電刺激之間，且20 Hz和70 Hz電刺激之間不存在差異的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。刺激后60 min再次進(jìn)行SRTT，結(jié)果顯示，順序塊之間的差異仍具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且各塊與假刺激相比差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明刺激存在遺留效應(yīng)。

2.2 試驗(yàn)任務(wù)數(shù)據(jù)分析

對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析后，了解到不同刺激對順序塊RT存在較大影響，關(guān)于隨機(jī)塊的影響還需要進(jìn)一步分析，為了對運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)技能鞏固進(jìn)行分析，計(jì)算GMS、SS值。

(1)運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)階段。三組在刺激前均進(jìn)行了一次SRTT作為基線獲得，為了評估刺激前的運(yùn)動(dòng)技能獲得，從第一次SRTT試驗(yàn)的塊5(順序)和塊2(順序)計(jì)算GMS值，同時(shí)從塊3(順序)和塊4(隨機(jī))計(jì)算SS值。GMS和SS的統(tǒng)計(jì)比較使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(配對，雙尾)進(jìn)行。

(2)運(yùn)動(dòng)技能鞏固階段。為了進(jìn)一步分析tACS對GMS鞏固的影響，計(jì)算了SRTT運(yùn)行期間GMS的值。這里，GMS值表示基線SRTT的塊5和刺激期間的SRTT塊2之間的RT差。使用刺激期間SRTT中塊2是因?yàn)閴K5和塊1之間的實(shí)時(shí)RT差可能低估了鞏固的程度[24]。測定三個(gè)GMS評分：基線階段塊2與塊5的RT差；刺激前(塊5)和刺激期間(塊2)的RT差異；刺激期間(塊5)和刺激后60 min(塊2)。另一方面，刺激對SS鞏固的影響是基于在SRTT測試中計(jì)算的SS值來評估的(塊4中的平均RT減去塊5中的平均RT)?？偣灿腥齻€(gè)SS值，刺激前、刺激期間和刺激后60 min。

GMS值、SS值和ER分別使用單因素方差分析，無效試驗(yàn)試次已在初步分析中排除。GMS、SS和ER作為因變量，參與者為隨機(jī)因素，受試者內(nèi)因素為刺激類型(假刺激、β-tACS和γ-tACS)和時(shí)間(刺激前、刺激期間和刺激后60 min)。事后比較采用最小顯著性差異法(least significant difference，LSD)，顯著性水平為0.05。

3 結(jié)果

3.1 運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)階段

在第一次SRTT試驗(yàn)(基線階段)中，所有受試者的平均RT逐漸降低。平均RT在第二個(gè)隨機(jī)塊中再次增加(塊 4，如圖3所示)，GMS和SS的值在組和刺激條件下的差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=3.569，df=26，p=0.731；F=1.307，df=2，p=0.508)。

圖3 基線階段整體反應(yīng)時(shí)間箱圖Fig.3 Boxplots of overall reaction times in the baseline phase

3.2 運(yùn)動(dòng)技能鞏固階段

3.2.1 一般運(yùn)動(dòng)技能

圖4(a)所示為GMS值進(jìn)行單因素方差分析的結(jié)果，各刺激條件下基線階段的GMS值均具有差異的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=10.980，df=2，p<0.001)，而刺激期間和刺激后的GMS值不存在差異的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=0.710，df=2，p=0.498；F=0.336，df=2，p=0.716)，如表1所示。事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種差異在各刺激組(假、β-tACS和γ-tACS)間均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。表2顯示配對樣本t檢驗(yàn)的結(jié)果，3種GMS值之間的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，刺激類型對GMS值的影響的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，特別地，在刺激期間(p=0.298)與刺激后(p=0.163)，β-tACS與γ-tACS之間的差異不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。GMS值的變化顯示出組和刺激類型的特異性效應(yīng)(組和刺激相互作用：F=5.601，df=4，p=0.001)。

由圖5可知，兩組刺激期間GMS值均呈現(xiàn)升高趨勢，在不同刺激條件下，RT的差異越來越大，tACS對RT的降低具有促進(jìn)作用，刺激后60 min的數(shù)據(jù)表明刺激的遺留效應(yīng)存在，且不同刺激所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)技能鞏固效果有所不同。假刺激條件下，GMS的值逐漸下降，在刺激后階段RT有所增高。

表1 GMS、SS的單因素方差分析Table 1 Multiple comparison of GMS and SS

表2 GMS、SS的重復(fù)測量方差分析Table 2 Repeated measures analysis of variance of GMS and SS

在真實(shí)電刺激后，RT都是逐漸下降的，說明在刺激條件下運(yùn)動(dòng)技能得到學(xué)習(xí)與鞏固，且與假刺激相比差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這與最初設(shè)想一致。

3.2.2 序列特異性運(yùn)動(dòng)技能

對SS進(jìn)行單因素方差分析，如圖4(b)所示，各刺激條件下3種SS值的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p均小于0.05)，事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，基線階段SS在各刺激組間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在線SS值和刺激后SS值差異的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義發(fā)生在假刺激與β-tACS和γ-tACS之間，而β-tACS和γ-tACS不存在差異的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p=0.298，p=0.163)。表2顯示出SS值的變化未顯示出組和刺激的特異性效應(yīng)(組和刺激的相互作用：F=0.867，df=4，p=0.488)以及時(shí)間與群體的交互作用(F=1.701，df=2，p=0.189)。

如圖5所示，對各階段、各刺激下的SS值進(jìn)行配對比較發(fā)現(xiàn)，在刺激類型(假刺激、β-tACS和γ-tACS)、刺激階段(基線測量、在線測量、刺激后測量)間的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，SS值在刺激后顯著升高，與基線相比顯著增加。

3.2.3 錯(cuò)誤率

初始完整的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，刺激前與刺激后各刺激組間的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，僅在刺激期間的塊2(順序塊)之間兩種真實(shí)刺激間不存在差異的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p=0.097)，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)這種差異主要存在于假刺激與真實(shí)刺激之間。如圖6所示，其中1、2、3分別代表基線階段、刺激期間、刺激后。

圖4 兩種技能在不同刺激塊平均反應(yīng)時(shí)間的變化Fig.4 Changes in the average reaction time of the two skills in different stimulus blocks

圖5 不同刺激條件下同一階段GMS、SS值的變化Fig.5 Changes of GMS and SS values at the same stage under different stimulation conditions

圖6 各刺激條件下的錯(cuò)誤率變化Fig.6 Changeinerror rate under each stimulus condition

假刺激與真實(shí)刺激相比，錯(cuò)誤率明顯較高，且在某些塊內(nèi)誤差較大。

4 討論

在tACS后能夠持續(xù)90 min的行為和神經(jīng)生理學(xué)的后效應(yīng)已得到充分證實(shí)，研究已經(jīng)顯示出對運(yùn)動(dòng)性能的影響持續(xù)時(shí)間長達(dá)60 min。該研究表明，在相同的時(shí)間窗內(nèi)，高頻tACS對運(yùn)動(dòng)皮層興奮性的影響要比低頻刺激持續(xù)時(shí)間長[26]。電刺激導(dǎo)致振蕩活動(dòng)的增加可能使得運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元活動(dòng)高于人體必要水平。

研究的目的是分析當(dāng)tACS被施加到M1時(shí)，β-tACS與γ-tACS對運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)、運(yùn)動(dòng)技能鞏固的影響。研究中觀察到的tACS誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)記憶的增強(qiáng)可能有兩種原因。首先，對M1施加電刺激可能加強(qiáng)了M1與大腦其他區(qū)域之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而加強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)記憶。一個(gè)頻帶中的活動(dòng)調(diào)制另一個(gè)頻帶的現(xiàn)象被稱為交叉頻率耦合(cross frequency coupling，CFC)[27]。在目前的研究中，CFC也可能參與了運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)記憶的增強(qiáng)。由于在運(yùn)動(dòng)任務(wù)期間，M1的β波段和γ波段活動(dòng)是矛盾的，所以應(yīng)用于M1的γ-tACS可能增加了γ波段活動(dòng)并抑制了β波段活動(dòng)[28]。因此，在本研究中，β帶活動(dòng)可能被M1的γ-tACS抑制，并且與運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)相關(guān)的神經(jīng)元重組被促進(jìn)，這反過來促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)記憶的增強(qiáng)。

在不同刺激下觀察到的結(jié)果不能簡單地用試驗(yàn)中不同水平的基線表現(xiàn)來解釋，這是因?yàn)槭茉囌咴谶\(yùn)動(dòng)任務(wù)的每次試驗(yàn)中由于熟練度的不同反應(yīng)時(shí)間也逐漸降低。此外，觀察到的結(jié)果不太可能受到試驗(yàn)的干預(yù)措施的遺留效應(yīng)的影響，因?yàn)?次試驗(yàn)均至少間隔1周進(jìn)行。該研究集中于左側(cè)M1上方的刺激。雖然沒有正式測試受試者是否可以分辨不同的刺激條件，但后續(xù)詢問表明受試者對各種刺激條件是不知情的，滿足試驗(yàn)的單盲要求。

本研究證明了tACS對健康成年人的運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)與鞏固的影響。不同頻率的tES對運(yùn)動(dòng)技能鞏固的影響不同，在基線SRTT中，兩刺激組之間的GMS、SS值的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這表明受試者可能在三次試驗(yàn)過程中對SRTT的熟悉度逐漸上升。受試者也不知道測試順序，這表明運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)是隱性的。

由于受試者在序列塊的熟悉度不斷增長，刺激效果出現(xiàn)了天花板效應(yīng)[29]，平均RT的減少導(dǎo)致了GMS值逐漸增加，這表明運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)有所提高。SS的變化伴隨著穩(wěn)定和增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)記憶以及抗干擾的過程[30]。試驗(yàn)結(jié)果中觀察到每次試驗(yàn)的SS值均有所增加，這表明即使在沒有刺激(假刺激)的條件下，SS也有所改善。然而從實(shí)中發(fā)現(xiàn)，假刺激組的SS改善要遠(yuǎn)小于刺激組的SS的變化。

觀察到20 Hz-tACS改善了運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力與鞏固效果，這與之前對初級運(yùn)動(dòng)皮層施加電刺激對運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)表現(xiàn)的研究結(jié)果非常吻合[31]，年輕受試者在刺激期間表現(xiàn)出對運(yùn)動(dòng)序列學(xué)習(xí)程度的改善與早期運(yùn)動(dòng)技能的鞏固。

總的來說，本研究首次考察了20 Hz和70 Hz的tACS對運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)與鞏固的影響，并為tACS作用提供了新的證據(jù)。此外，在這項(xiàng)研究中，副作用很小，沒有受試者出現(xiàn)光幻視、燒灼感、頭痛或頭暈現(xiàn)象，即使在以70 Hz的頻率和2.0 mA的強(qiáng)度刺激下也是如此，只有一名受試者出現(xiàn)刺痛感?？偟膩碚f，2.0 mA的tACS可以安全地刺激M1區(qū)，并對M1區(qū)產(chǎn)生積極影響。

5 結(jié)論

(1)目前的發(fā)現(xiàn)表明不同刺激頻率對運(yùn)動(dòng)功能會產(chǎn)生不同影響，支持β和γ頻率的振蕩可能對運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)與鞏固有貢獻(xiàn)的假設(shè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)技能的鞏固可以通過對受試者的tACS來實(shí)現(xiàn)，但兩組真實(shí)電刺激之間沒有發(fā)現(xiàn)差異的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

(2)本文研究受試者大多是男生，因此，研究沒有涉及性別對tACS的影響，無法確定這方面是否對結(jié)果存在顯著影響。另外，tACS對腦部地形特異性的影響使我們不能排除試驗(yàn)結(jié)果是否受到更廣泛的腦部網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)的影響，如電極片附近的體感皮層、基底神經(jīng)節(jié)和小腦。本研究沒有在任務(wù)前記錄受試者的腦電圖活動(dòng)，因此不是在單個(gè)β或γ頻率下進(jìn)行刺激。同樣，在直接證明tACS在相應(yīng)頻率下對β和γ振蕩的調(diào)制的任務(wù)中沒有記錄腦電圖活動(dòng)。