運動結(jié)合經(jīng)顱直流電刺激對認(rèn)知與反應(yīng)靈敏素質(zhì)研究

經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一種非侵入性的、利用恒定、低強度電流（0-2mA）調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元活動的技術(shù)。本研究探討針對十名健康大學(xué)生進(jìn)行四種不同的干預(yù)方式包括中等強度有氧運動、對LDLPFC區(qū)域的電刺激、中等強度有氧運動結(jié)合電刺激和無有氧運動無電刺激，觀察受試者干預(yù)前后認(rèn)知與反應(yīng)靈敏素質(zhì)所存在的影響。通過對受試者采用隨機交叉單盲檢測，每名受試者分別隨機進(jìn)行四種干預(yù)模式，并在干預(yù)前后依次進(jìn)行三項測試包括GO/NOGO TASK測試、“Y”型反應(yīng)靈敏性測試和反應(yīng)時測試，干預(yù)后需要受試者恢復(fù)靜息心率再次進(jìn)行此三項測試，對實驗獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行討論分析，并選用可重復(fù)測量多元方差分析方法分析各指標(biāo)差異。中等強度有氧運動、針對LDLPFC區(qū)域的a-tDCS以及二者相結(jié)合均未使認(rèn)知功能與反應(yīng)靈敏素質(zhì)明顯提高，進(jìn)行中等強度的有氧運動反而會造成機體疲勞，“延長”型反應(yīng)靈敏性測試直線加速的時間，電刺激會通過提升最大力量、爆發(fā)力以及刺激肌肉激活達(dá)到縮短直線加速時間的效果，二者結(jié)合時電刺激會通過抑制運動引起的肌肉疲勞達(dá)到縮短直線加速的時間的作用。

1 引言

1.1 背景

近幾年，腦科學(xué)在體育領(lǐng)域應(yīng)用及研究較為廣泛，經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）作為國際上先進(jìn)的腦科學(xué)新手段，它在體育領(lǐng)域的應(yīng)用成為全球研究的熱點。經(jīng)顱直流電刺激最早應(yīng)用于神經(jīng)與康復(fù)領(lǐng)域，此后作為一項新興技術(shù)在競技體育領(lǐng)域成為研究熱點，國外對此技術(shù)應(yīng)用于體育領(lǐng)域的研究早于國內(nèi)，且已經(jīng)初步形成一定研究成果。tDCS是一種非侵入性的、利用恒定、低強度電流（0-2mA）調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元活動的技術(shù)，其基本機制有以下幾點：第一是在皮層附近放置陽極電極刺激（anodal tDCS，a-tDCS）導(dǎo)致神經(jīng)元膜電位去極化，增加神經(jīng)興奮性和可塑性，而放置陰極電極刺激（cathodal tDCS，c-tDCS）使神經(jīng)元膜電位超極化從而產(chǎn)生相反的結(jié)果;第二是可以引起突觸可塑性，造成長時程抑制（LDP）或長時程增強（LTP）的效果。tDCS技術(shù)由于其便攜、使用簡單、安全、耐受性好和經(jīng)濟性的原因受到廣泛關(guān)注，目前國內(nèi)外都有將tDCS應(yīng)用于改善運動能力的研究?，F(xiàn)在的一些觀點認(rèn)為，tDCS可以對肌肉力量、耐力、爆發(fā)力、疲勞感受閾值、認(rèn)知能力、反應(yīng)能力、神經(jīng)肌肉疲勞等方面有增強和改善作用，尤其需要注意的是，皮層興奮性的改變可能會改善與認(rèn)知相關(guān)的指標(biāo)。

對于靈敏性的理解，總的來說它是一種復(fù)雜的綜合素質(zhì)，“快”和“變”是它的兩個主要體現(xiàn)方面，是指在特定的運動場景中短時間內(nèi)能夠快速準(zhǔn)確作出反應(yīng)并且身體根據(jù)需要迅速作出改變方向或變換動作的能力。各項運動都有其內(nèi)在聯(lián)系，積累一定的量變才能達(dá)到質(zhì)變，運動員對動作技能的訓(xùn)練也是如此，在原有的舊動作已熟練掌握運用的基礎(chǔ)上，新動作技能才能快速形成并加以運用，及時解決比賽中一些突然遇到的情況。有可能直接決定著一場比賽的輸贏。運動員靈敏性主要是眼、腳的協(xié)調(diào)并在其中增強力量、提高爆發(fā)力，技巧運動、障礙滑雪、水上滑板和一些球類運動員提高自身的靈敏性有很大的促進(jìn)作用，在借助這一類的運動基礎(chǔ)上運動員的理解能力和模仿能力越強，對新動作的掌握則會越熟練，更有利于提高自身的運動水平。

1.2 目的與意義

本研究旨在通過分析tDCS、運動及運動與tDCS結(jié)合三種干預(yù)方式對認(rèn)知反應(yīng)和靈敏素質(zhì)的影響，探討三種干預(yù)方式對腦興奮性的影響，為提高認(rèn)知反應(yīng)和靈敏素質(zhì)提供理論支持和實踐指導(dǎo)。因此，本研究的目的如下：首先，探討tDCS對L-DLPFC區(qū)域的陽極刺激是否有利于提高認(rèn)知反應(yīng)和靈敏性;其次，探討中等強度有氧運動是否有利于提高認(rèn)知反應(yīng)和靈敏性。再次，探討中等強度有氧運動聯(lián)合tDCS是否比局部陽極刺激L-DLPFC更有利于提高認(rèn)知反應(yīng)和敏感性。最后，探索提高認(rèn)知反應(yīng)和敏感性的最佳途徑。

本研究的意義在于，大多數(shù)運動任務(wù)的完成都需要身體認(rèn)知與運動能力的表現(xiàn)相結(jié)合。通過對L-DLPFC區(qū)不同組（tDCS陽極刺激組、中等強度有氧運動組和tDCS陽極刺激聯(lián)合中等強度有氧運動組）的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過簡單的認(rèn)知任務(wù)測試和系統(tǒng)對運動反應(yīng)敏感性的比較，觀察其對認(rèn)知能力和運動反應(yīng)敏感性的影響，智能速度。這一結(jié)果不僅可以作為提高大眾健身環(huán)境下大腦認(rèn)知能力的參考，而且可以通過提高競技體育運動員的神經(jīng)可塑性來提高運動成績。它也可以用來增加賽前熱身環(huán)節(jié)反應(yīng)靈敏的運動員。它作為運動員賽前熱身活動的重要組成部分，在實際比賽場景中具有重要的學(xué)術(shù)價值和現(xiàn)實意義。

1.3 項目創(chuàng)新特征概述

采用國際上先進(jìn)的腦科學(xué)新手段經(jīng)顱直流電刺激（tDCS），經(jīng)顱直流電刺激（tDCS）是一種無創(chuàng)性的腦刺激技術(shù)，它利用低直流電流（通常為1-2mA）通過作用于顱骨的電極板調(diào)節(jié)特定腦區(qū)的興奮性。近年來，tdcs在體育運動中的應(yīng)用越來越受到人們的重視。美國滑雪和滑雪協(xié)會（USSA）于2016年開始將TDCS技術(shù)應(yīng)用于運動員訓(xùn)練。本文通過運動結(jié)合經(jīng)顱直流電刺激對認(rèn)知以及反應(yīng)靈敏素質(zhì)影響的研究，為提高認(rèn)知反應(yīng)靈敏素質(zhì)的研究和應(yīng)用提供理論支持和實踐指導(dǎo)。

使用Smart speed靈敏測試系統(tǒng)測試刺激前后對比，該系統(tǒng)可以用于訓(xùn)練、測試及科研，用來測試運動員的速度、靈敏性、反應(yīng)能力等。同時可以根據(jù)不同的專項項目、場地特點和特殊場景的仿真設(shè)計訓(xùn)練和測試。實驗中采用“Y”型測試，對進(jìn)行中等強度有氧運動與tDCS對DLPFC區(qū)域的刺激前后平均反應(yīng)時進(jìn)行測量。與國內(nèi)外tDCS對運動素質(zhì)的影響研究相比，對于tDCS刺激后對于認(rèn)知與反應(yīng)靈敏素質(zhì)影響的研究較少，本研究則將通過聯(lián)合使用澳大利亞Smart speed靈敏測試系統(tǒng)、反應(yīng)測試程序等，針對tDCS在運動領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。

2 研究對象及方法

2.1 研究方法

2.1.1 文獻(xiàn)資料法

首先，本研究查閱了幾本關(guān)于經(jīng)顱直流電刺激和運動素質(zhì)的書籍，檢索了相關(guān)文獻(xiàn)文章，通過中國知網(wǎng)（CNKI）、PubMed等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了深入研究，并對查詢的文章進(jìn)行了選擇、分類和分析，關(guān)鍵詞為“經(jīng)顱直流電刺激”“運動”“反應(yīng)”“認(rèn)知”“敏捷”“運動質(zhì)量”進(jìn)行高級檢索，進(jìn)行主題高級檢索近10年文獻(xiàn)。相關(guān)文獻(xiàn)的選取和研究為本文的實驗設(shè)計、結(jié)果討論和編輯提供了理論依據(jù)。

2.1.2 實驗法

（1）實驗時間與場地：本次實驗在學(xué)校體能與康復(fù)訓(xùn)練中心進(jìn)行，實驗時間為2021年10月至12月。

（2）實驗對象：招募10名健康大學(xué)生受試者（男性），采用隨機交叉單盲檢測，每名受試者將隨機進(jìn)行四種模式干預(yù)，包括無運動無電刺激、運動、電刺激和運動聯(lián)合電刺激。陽極tDCS刺激參數(shù)為2mA電流;假tDCS刺激參數(shù)為2mA電流，刺激30s后關(guān)閉電流。

（3）實驗儀器：美國SOTERIX MEDICAL高精度經(jīng)顱直流電刺激儀1300A型號設(shè)備、澳大利亞Smart speed靈敏測試系統(tǒng)、反應(yīng)時測試儀。

（4）實驗方案：

① 認(rèn)知任務(wù)

選擇科學(xué)合理的認(rèn)知能力評價方法，是研究運動結(jié)合經(jīng)顱直流電刺激對認(rèn)知反應(yīng)和感覺質(zhì)量影響的重要組成部分。Go/NoGo任務(wù)要求受試者對Go（目標(biāo)）刺激做出快速準(zhǔn)確的反應(yīng)，而對NoGo（非目標(biāo)）刺激則不做出反應(yīng)。這包括兩個任務(wù)：實驗任務(wù)（nogo條件）和控制任務(wù)（go條件），將“go”和“nogo”任務(wù)隨機分成三個交替的塊，每個塊由每個條件12個測試組成，持續(xù)30秒。每個30秒的激活期之后是30秒的休息期。

② Y型靈敏度試驗

反應(yīng)和靈敏度測試采用Y型反應(yīng)測試，結(jié)合澳大利亞SmartSpeed實時部分時間反饋系統(tǒng)。“Y”型設(shè)計每側(cè)5m，有一個起始門、一個觸發(fā)門和兩個結(jié)束門。每個門配備一對發(fā)射機和接收機，用于SmartSpeed段同步實時反饋系統(tǒng)。發(fā)射機與接收機的距離為1m，連接線與直線垂直。這是起始門和觸發(fā)門之間的線性沖刺步驟。要求受試者以最快速度進(jìn)行測試，并記錄在第1段中;沖程是從觸發(fā)門到任何端門的一個方向變化階段。短跑時間記錄在第2段中。受試者通過觸發(fā)門的時間將導(dǎo)致請求在某個端門打開發(fā)射器。在準(zhǔn)備好統(tǒng)一的出發(fā)點后，受試者可以以最快的速度通過變送器的打開端門。整個試驗包括第一節(jié)和第二節(jié)，并計算總時間。該試驗應(yīng)進(jìn)行六次，并記錄最小使用壽命。

③ 反應(yīng)時間試驗

刺激呈現(xiàn)到反應(yīng)開始的時間間隔稱為反應(yīng)時間，是心理測試的重要指標(biāo)。受試者應(yīng)將手放在啟動鑰匙上，準(zhǔn)備好在看到光或聽到聲音后立即作出反應(yīng)。當(dāng)按下相應(yīng)的信號鍵時，響應(yīng)時間停止。每個受試者應(yīng)進(jìn)行兩圈響應(yīng)時間測試，并記錄最小值。顯示屏將顯示每次出現(xiàn)刺激時的響應(yīng)時間和響應(yīng)次數(shù)。

（5）實驗流程：

①測試人員應(yīng)提前到達(dá)測試現(xiàn)場，并將高精度直流經(jīng)顱電刺激設(shè)備、分段計時實時反饋系統(tǒng)的SmartSpeed靈敏度測試系統(tǒng)、反應(yīng)池等相關(guān)設(shè)備和儀器放置在相應(yīng)位置，并進(jìn)行相應(yīng)的鏈接、調(diào)整和同步。然后對所有設(shè)備和儀器進(jìn)行測試和校準(zhǔn)。

②由于受試者在實驗過程中需要進(jìn)行快速短跑，所以他們必須均勻地穿著運動服和運動鞋，不得空腹或飽腹。

③受試者到達(dá)現(xiàn)場后，組長帶領(lǐng)受試者到執(zhí)行GO/NOGO任務(wù)的實驗室，以執(zhí)行通/不通任務(wù)。

④完成GO/NOGO任務(wù)后，組長帶領(lǐng)受試者到實驗室進(jìn)行“Y”型試驗和反應(yīng)時間試驗。試驗前，受試者應(yīng)進(jìn)行10分鐘的熱身，包括慢跑和動態(tài)伸展。

⑤進(jìn)行了不同的實驗干預(yù)：隨機進(jìn)行了各種類型的實驗干預(yù)，包括L-DLPFC區(qū)假刺激20min、中等強度有氧運動20min。L-DLPFC區(qū)采用20min陽極直流經(jīng)顱電刺激，L-DLPFC區(qū)采用20min陽極直流經(jīng)顱電刺激結(jié)合20min中等強度有氧運動。

要求：tDCS刺激的腦區(qū)為左背外側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)，陽極tDCS刺激參數(shù)為2mA，持續(xù)20min;假tDCS用2mA電流刺激，刺激30s后關(guān)閉電流。受試者繼續(xù)穿戴設(shè)備直到20分鐘結(jié)束。受試者被要求舒服地坐著，在刺激過程中保持安靜。中等強度的自行車運動需要盡可能控制心率，每分鐘130-140次。運動干預(yù)后，受試者的心率應(yīng)恢復(fù)到靜息心率10-15分鐘。

⑥在不同的實驗干預(yù)后，立即再次執(zhí)行GO/NOGO任務(wù)，測試結(jié)束后，并將所有測試數(shù)據(jù)存儲。

⑦另一組為隨機交叉盲法。所有受試者均接受4種干預(yù)試驗，包括L-DLPFC區(qū)20min假刺激、20min中等強度有氧運動、L-DLPFC區(qū)20min陽極直流經(jīng)顱電刺激、L-DLPFC區(qū)20min中等強度有氧運動與陽極直流經(jīng)顱電刺激。間隔48小時。

（注：a.受試者無心臟病病史，不得空腹或腹部試驗。b.如果在刺激過程中身體不適或主動要求停止試驗，應(yīng)立即停止試驗。c.在數(shù)據(jù)收集前，受試者應(yīng)進(jìn)行3-5分鐘的低強度熱身活動和大肌肉群。d.受試者應(yīng)盡量避免在試驗周內(nèi)參加與反應(yīng)相關(guān)的訓(xùn)練，以避免干擾試驗。e.受試者不應(yīng)被強迫，但需要正常飲食。）

3 結(jié)果

3.1 不同方式對“Y”型反應(yīng)靈敏測試-分段一反應(yīng)時間統(tǒng)計結(jié)果

表1顯示“Y”型反應(yīng)靈敏測試-分段一反應(yīng)時間指標(biāo)分析。多元重復(fù)測量方差分析顯示，時間、運動與刺激之間無交互作用，刺激模式和時間有交互作用（F=10.1552，P=0.0030<0.05），意味著運動對“Y”型反應(yīng)靈敏測試-分段一反應(yīng)時間有顯著性影響。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，對照組與運動結(jié)合電刺激組之間存在顯著性差異（P=0.0363<0.05），運動組與運動結(jié)合電刺激組之間存在顯著性差異（P=0.0079<0.05），運動組與電刺激組水平之間存在顯著性差異（P=0.0254<0.05），意味著運動會延長直線加速的時間，對LDLPFC區(qū)域施加20min的陽極刺激降低直線加速的時間。運動與電刺激結(jié)合可以降低被試直線加速的時間。

表1“Y”型反應(yīng)靈敏測試-分段1 反應(yīng)時間指標(biāo)比較（s）

注：E+s-tDCS代表中等強度功率自行車運動結(jié)合假刺激;E+a-tDCS代表中等強度功率自行車運動結(jié)合陽極刺激;R+s-tDCS代表無運動干預(yù)結(jié)合假刺激;R+a-tDCS代表無運動干預(yù)結(jié)合陽極刺激。*代表不同干預(yù)模式下，“Y”型反應(yīng)靈敏測試-分段1 后與“Y”型反應(yīng)靈敏測試-分段1前相比，反應(yīng)時間有顯著性差異，Plt;0.05。

3.2 實驗結(jié)果

3.2.1 針對LDLPFC區(qū)域的20min的a-tDCS的影響：

對于一致性任務(wù)，反應(yīng)時間和準(zhǔn)確率無顯著影響，但反應(yīng)時間有下降趨勢。在不一致任務(wù)中，對反應(yīng)時間和準(zhǔn)確性沒有顯著影響，同時對靈敏度、反應(yīng)時間和總體反應(yīng)時間無顯著影響，但縮短了線性加速時間。

3.2.2 20min中等強度的有氧運動結(jié)合a-tDCS的影響：

對于一致性任務(wù)，反應(yīng)時間和準(zhǔn)確率無顯著影響，但反應(yīng)時間縮短。在不一致任務(wù)中，反應(yīng)時間沒有顯著影響，即使兩個拮抗劑的正確反應(yīng)率都有下降的趨勢，正確反應(yīng)率也沒有顯著影響，但有上升的趨勢;對靈敏度、反應(yīng)時間和總反應(yīng)時間無顯著影響，縮短了線性加速時間。

4 結(jié)論

本研究探討了對LDLPFC區(qū)域的a-tDCS、中等強度有氧運動、中等強度有氧運動結(jié)合對LDLPFC區(qū)域的a-tDCS三種干預(yù)方式對認(rèn)知反應(yīng)和靈敏素質(zhì)的影響，探究以上三種干預(yù)方式對大腦興奮性產(chǎn)生影響的腦血流的生理機制。中等強度有氧運動、針對LDLPFC區(qū)域的a-tDCS以及二者相結(jié)合都沒有顯著提升認(rèn)知功能與反應(yīng)靈敏素質(zhì)，中等強度的有氧運動會引起機體疲勞延長直線加速的時間，電刺激可以通過增加最大力量、爆發(fā)力以及刺激肌肉激活達(dá)到縮短線性加速時間，中等強度有氧運動聯(lián)合電刺激可以通過抑制運動引起的肌肉疲勞達(dá)到縮短直線加速的時間的作用。

（作者單位：南京體育學(xué)院）