經(jīng)顱直流電刺激在運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展

陳愷豪

摘要：經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一種非侵入性的新型科技手段，利用低強(qiáng)度的恒定電流（1～2 mA）來調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元活動的技術(shù)。由于其有效性、無創(chuàng)性、成本低且易于使用的特點(diǎn)，已經(jīng)有學(xué)者逐漸將其應(yīng)用于運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中并取得了一定的研究成果。本文希望通過檢索知網(wǎng)、維普、萬方和Web of Science數(shù)據(jù)庫中的國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，了解該技術(shù)在運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，旨在為今后該領(lǐng)域研究提供一定的參考。結(jié)果顯示：1）經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)因其特有的機(jī)制能夠有效地提升受試者的運(yùn)動能力。2）現(xiàn)有研究主要集中在對肌肉力量、運(yùn)動疲勞、平衡能力、反應(yīng)能力等外顯性運(yùn)動表現(xiàn)的影響。3）對內(nèi)隱性運(yùn)動認(rèn)知方面的研究較少且沒有合適的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。4）“內(nèi)源性手段”經(jīng)顱直流電刺激和“外源性手段”運(yùn)動訓(xùn)練的聯(lián)合訓(xùn)練方案對比單一訓(xùn)練手段能夠在更大程度上提升受試者的運(yùn)動能力。

關(guān)鍵詞：經(jīng)顱直流電刺激；運(yùn)動能力；運(yùn)動表現(xiàn)；運(yùn)動訓(xùn)練；

Research Progress in Application of Transcranial Direct Current Stimulation in Sports Science

Abstract：Transcranial Direct Current Stimulation （tDCS） is a novel noninvasive technique that regulates neuronal activity in the cerebral cortex by applying a low constant current （1～2 mA）. Due to its effectiveness， non-originality， low cost and ease of use， some scholars have gradually applied it to the field of sports science and achieved certain research results. This paper hopes to understand the current research status of this technology in the field of sports Science at home and abroad by searching relevant literature in CNKI， VIP， Wanfang Database and Web of Science database， in order to provide some reference for future research in this field.The results showed that： 1） Transcranial direct current stimulation technology could effectively improve the motor ability of subjects due to its unique mechanism. 2） The existing research mainly focuses on the influence of muscle strength， exercise fatigue， balance ability， reaction ability and other explicit sports performance. 3） There are few researches on implicit motor cognition and no appropriate experimental indicators. 4） The combined training program of "endogenous means" transcranial DC stimulation and "exogenous means" exercise training can improve the exercise ability of subjects to a greater extent compared with a single training means.

Key words： Transcranial Direct Current Stimulation; Athletic ability; Athletic performance; Sports training.

一直以來，提升運(yùn)動員運(yùn)動能力的主要手段是進(jìn)行身體練習(xí)，通過制定科學(xué)有效地身體訓(xùn)練計(jì)劃來提升運(yùn)動員的運(yùn)動能力。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，體育訓(xùn)練逐漸開始注重大腦訓(xùn)練，通過神經(jīng)調(diào)控來增強(qiáng)運(yùn)動員的運(yùn)動能力。

1 背景

早在幾十年前，經(jīng)顱神經(jīng)刺激技術(shù)就被科研人員所關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對tDCS的認(rèn)識也在不斷加深，由此tDCS被大范圍的應(yīng)用到臨床同時也取得了不少成果。隨著在康復(fù)領(lǐng)域中取得的成果，該技術(shù)也在不斷的完善和發(fā)展，有關(guān)tDCS的研究逐漸成為熱點(diǎn)。近年來，由于經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)可通過調(diào)節(jié)神經(jīng)功能提升運(yùn)動能力而受到了運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注[1]。

2 經(jīng)顱直流電刺激的作用機(jī)制

2.1改變大腦皮質(zhì)興奮性

經(jīng)顱直流電刺激的方式有三種，既陽極刺激、陰極刺激和假刺激。Nitsche[2]等人指出，tDCS對皮質(zhì)興奮性調(diào)節(jié)的基本機(jī)制是依據(jù)刺激的極性不同引起靜息膜電位超極化或去極化的改變，陽極刺激通常能夠降低神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位的閾值，從而提高皮質(zhì)的興奮性；陰極刺激則是提高神經(jīng)元動作電位的閾值，從而抑制了皮質(zhì)的興奮性。

2.2突觸的可塑性

研究進(jìn)一步證實(shí)，tDCS除了能夠改變膜電位的極性外，還可以調(diào)節(jié)突觸的微環(huán)境，如改變N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartic acid， NMDA）受體或γ-氨基丁酸（GABA）的活性，從而起到調(diào)節(jié)突觸可塑性的作用[3]。突觸效能增強(qiáng)后提高神經(jīng)通路的信號傳導(dǎo)效率，進(jìn)而提高認(rèn)知功能，降低則相反[4]。

2.3腦區(qū)的功能連接

大腦是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)體系，不同的腦區(qū)位置來負(fù)責(zé)運(yùn)動、認(rèn)識和記憶的產(chǎn)生，但各個腦區(qū)之間存在著緊密的聯(lián)系。以前對tDCS的研究多關(guān)注電極下的局部區(qū)域，隨著神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前越來越多的研究開始重視大腦皮質(zhì)內(nèi)及皮質(zhì)間的聯(lián)系[1]。國外學(xué)者通過腦電圖和功能性磁共振成像的研究印證了tDCS可誘發(fā)腦功能的連接作用[5]。

3 經(jīng)顱直流電刺激對運(yùn)動能力的影響

3.1經(jīng)顱直流電刺激對肌肉力量的影響

長期進(jìn)行肌肉力量訓(xùn)練可以提高中樞神經(jīng)的興奮性、釋放更多的激素，促使運(yùn)動中樞誘發(fā)更高頻率的同步化神經(jīng)沖動，募集到更多的運(yùn)動單位參與肌肉運(yùn)動收縮，表現(xiàn)出更大肌肉力量[6]。近年來，國內(nèi)許多學(xué)者對運(yùn)動員下肢肌肉爆發(fā)力的研究較多，開始應(yīng)用tDCS干預(yù)手段來提升運(yùn)動員的縱跳能力。國內(nèi)學(xué)者王瑋[7]等人選取了15位跳躍類國家二級運(yùn)動員接受隨機(jī)交叉設(shè)計(jì)的陽極刺激和假刺激兩種實(shí)驗(yàn)條件。分別在刺激前，刺激后即刻和刺激后30 min完成縱跳測試。研究結(jié)果表明，陽極tDCS可以提高縱跳運(yùn)動表現(xiàn)，不僅增強(qiáng)了下肢力量及神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能，還促進(jìn)瞬時特征的變化。研究結(jié)果也證實(shí)了未來該技術(shù)在提升肌肉力量方面具有一定的潛力。

3.2經(jīng)顱直流電刺激對運(yùn)動疲勞的影響

運(yùn)動性疲勞是指由運(yùn)動引起身體工作能力下降的現(xiàn)象[8]。由此可見，運(yùn)動能力受到了運(yùn)動疲勞的限制，如果能夠有效的延緩運(yùn)動疲勞，對提升運(yùn)動能力有極大地幫助。Cogiamanian[9]等人在2007年第一次運(yùn)用tDCS對運(yùn)動疲勞的影響研究中指出，經(jīng)過陽極tDCS后，肘關(guān)節(jié)等長收縮運(yùn)動至疲勞的時間有顯著性改善。在后續(xù)的很多研究中證實(shí)了tDCS確有延緩運(yùn)動疲勞的效果，能夠在一定程度上提升運(yùn)動員的運(yùn)動耐力表現(xiàn)，但目前研究主要是觀察受試者刺激后的外顯性指標(biāo)變化，并沒有對其產(chǎn)生的機(jī)制進(jìn)行研究。

3.3經(jīng)顱直流電刺激對平衡能力的影響

平衡能力是身體素質(zhì)的一種，是保持全身處于穩(wěn)定狀態(tài)的能力，如何提升運(yùn)動員的平衡能力尤為重要，通常我們通過靜態(tài)的平衡活動和動態(tài)的平衡活動來發(fā)展平衡能力。有研究表明，動態(tài)的平衡活動與運(yùn)動相關(guān)區(qū)域的腦改變之間存在著緊密的聯(lián)系。國內(nèi)學(xué)者肖松林[10]研究選取了14名健康男性大學(xué)生，采用隨機(jī)雙盲真/假刺激方案。結(jié)果顯示，tDCS刺激能夠改善單足閉眼站立平衡控制能力。

研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)顱直流電刺激能夠在在一定程度上提升人體的動態(tài)平衡能力，增強(qiáng)健康成年男性的姿勢控制表現(xiàn)。

3.4經(jīng)顱直流電刺激對反應(yīng)能力的影響

反應(yīng)能力是運(yùn)動員的重要能力之一，是運(yùn)動員能夠熟悉運(yùn)用技術(shù)動作的基礎(chǔ)，研究人員通常將反應(yīng)時用來作為研究運(yùn)動員反應(yīng)能力的指標(biāo)。國內(nèi)學(xué)者王慧慧[11]也對健康大學(xué)生的反應(yīng)抑制進(jìn)行了研究，受試者隨機(jī)接受真刺激和假刺激，在間隔7天時間進(jìn)行前后兩次停止信號任務(wù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明陽極tDCS能夠使受試者的停止信號反應(yīng)時顯著縮短。

目前tDCS對反應(yīng)能力影響的研究通常采用的是單一刺激模式，且國內(nèi)學(xué)者對反應(yīng)能力的研究較少。建議未來研究可以考慮運(yùn)用tDCS和運(yùn)動訓(xùn)練聯(lián)合干預(yù)手段，將單一刺激、運(yùn)動訓(xùn)練、刺激聯(lián)合運(yùn)動訓(xùn)練等進(jìn)行分組對比研究。

3.5經(jīng)顱直流電刺激對運(yùn)動感知覺的影響

運(yùn)動感知覺一直以來是認(rèn)知心理學(xué)研究的重點(diǎn)，是運(yùn)動員進(jìn)行各種體育活動所需的重要能力之一。有研究證實(shí)tDCS可以引起神經(jīng)心理學(xué)、生理心理學(xué)及刺激腦區(qū)相關(guān)的運(yùn)動功能改變。Antal[12]等人研究選取了12名健康且視力正常的受試者進(jìn)行視覺運(yùn)動跟蹤任務(wù)，通過應(yīng)用7分鐘陽極經(jīng)顱直流電刺激增加了初級運(yùn)動和初級視覺皮層的興奮性，從而改善了受試者視覺運(yùn)動知覺和運(yùn)動表現(xiàn)。

目前，國外對運(yùn)動感知覺的研究主要集中在視覺運(yùn)動知覺，而國內(nèi)對運(yùn)動感知覺的研究鮮有報(bào)道。

4 經(jīng)顱直流電刺激聯(lián)合運(yùn)動訓(xùn)練手段的研究現(xiàn)狀

已有研究表明，經(jīng)顱直流電刺激和運(yùn)動訓(xùn)練都有提升運(yùn)動能力的作用且兩者的作用機(jī)制可能不同，基于這個思路，諸多學(xué)者開始將經(jīng)顱直流電刺激和運(yùn)動訓(xùn)練相結(jié)合，對比研究單一干預(yù)方式與聯(lián)合干預(yù)對運(yùn)動能力的影響，旨在探究tDCS聯(lián)合運(yùn)動干預(yù)的應(yīng)用價值。國內(nèi)學(xué)者王寶峰[13]等人專門對tDCS聯(lián)合運(yùn)動干預(yù)的文章進(jìn)行了歸納整理，研究啟示tDCS作為輔助手段聯(lián)合傳統(tǒng)訓(xùn)練/干預(yù)，能夠提高大腦皮層興奮性，增加肌肉激活程度，從而改善運(yùn)動表現(xiàn)，未來有望在競技體育、運(yùn)動康復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮比傳統(tǒng)運(yùn)動訓(xùn)練/干預(yù)更優(yōu)的效果。

綜上所述，tDCS聯(lián)合運(yùn)動干預(yù)相較于單一的干預(yù)模式對運(yùn)動能力有更好的提升效果，這種聯(lián)合干預(yù)手段是未來一大趨勢。然而，目前對tDCS與運(yùn)動訓(xùn)練聯(lián)合干預(yù)的研究還不夠深入，現(xiàn)有研究的實(shí)驗(yàn)方案不夠清晰，tDCS的刺激方案和運(yùn)動訓(xùn)練方案不夠統(tǒng)一，對其產(chǎn)生的機(jī)制研究也不夠深入。提示未來的研究可制定較為統(tǒng)一的刺激方案和運(yùn)動訓(xùn)練方案，針對性結(jié)合專項(xiàng)運(yùn)動或?qū)ｍ?xiàng)能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，深入探究“內(nèi)源性刺激”t DCS和“外源性刺激”運(yùn)動訓(xùn)練所產(chǎn)生的作用機(jī)制，為了tDCS聯(lián)合運(yùn)動干預(yù)手段能夠更好的應(yīng)用到運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中。

5 對運(yùn)用經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)的思考

5.1運(yùn)用經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)的安全性問題

近年來，在運(yùn)用tDCS技術(shù)的過程中，發(fā)現(xiàn)該刺激技術(shù)也會給被試帶來一定的不良反應(yīng)，最常見的不良反應(yīng)就是輕微的癢感，但是存留的時間較短。提示在未來的研究過程中，應(yīng)要求所有參與者在進(jìn)行tDCS干預(yù)期間和之后完成一份問卷，為了評估副作用或不良反應(yīng)，以確定副作用的存在和嚴(yán)重程度，并在未來運(yùn)用tDCS技術(shù)時對刺激參數(shù)的設(shè)定和刺激部位的選擇等方面更加嚴(yán)謹(jǐn)。

5.2運(yùn)用經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)的倫理性問題

經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)運(yùn)用在競技體育領(lǐng)域中是否會被定義為“興奮劑”這一倫理問題并未有權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布確切的消息。這一問題使得目前該技術(shù)在體育運(yùn)動中的推廣和應(yīng)用受到了極大地限制。目前，一家美國公司Halo Neuroscience，其首款便攜式tDCS耳機(jī)Halo Sport被研發(fā)，該設(shè)備可以在運(yùn)動場地中使用。這種便攜式耳機(jī)的出現(xiàn)說明了在未來運(yùn)用這種外源性的手段來提升人體運(yùn)動表現(xiàn)和運(yùn)動員的競技能力是一大趨勢，大腦訓(xùn)練將會成為未來運(yùn)動訓(xùn)練的主要手段之一，這也提示我們在不斷運(yùn)用該技術(shù)的同時也要時刻關(guān)注該技術(shù)被應(yīng)用的倫理性問題。

6 總結(jié)與展望

6.1總結(jié)

隨著對tDCS技術(shù)的深入認(rèn)識以及臨床應(yīng)用研究的不斷增多，該技術(shù)逐漸在運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展，合理地運(yùn)用經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)能夠有效提高運(yùn)動員的運(yùn)動能力。從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀上看，經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)已被證實(shí)能夠有效地增強(qiáng)運(yùn)動員的肌肉力量、延緩運(yùn)動疲勞、提升反應(yīng)能力和認(rèn)知功能，但通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外學(xué)者在運(yùn)用tDCS技術(shù)進(jìn)行研究時仍存在一些需改進(jìn)的問題。（1）目前tDCS運(yùn)用到運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域的研究所選取的樣本量較少且特征單一?？紤]到個體差異性以及群體多樣性，在有條件的情況下應(yīng)加大樣本量，豐富被試群體，增設(shè)不同實(shí)驗(yàn)組別進(jìn)行對比研究（不同年齡、不同性別、不同專業(yè)水平）。（2）考慮到安全性問題，對實(shí)驗(yàn)中刺激參數(shù)、刺激時間、刺激次數(shù)以及電極放置位置的把握需要更加嚴(yán)謹(jǐn)。同時，不同刺激參數(shù)下的對比性研究也很有必要，在今后的研究中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)制定的更加細(xì)致，對tDCS進(jìn)行更深層次的探索和研究。（3）目前國內(nèi)外學(xué)者對tDCS的研究更多的是探究該技術(shù)的即時效果且將tDCS作為單一干預(yù)手段進(jìn)行研究。提示在未來可以深入探究該技術(shù)的長期干預(yù)效果以及聯(lián)合運(yùn)動訓(xùn)練共同干預(yù)的效果。（4）國內(nèi)學(xué)者更多的是探究tDCS對運(yùn)動員外顯性運(yùn)動表現(xiàn)的影響，很少有人對運(yùn)動員感知覺能力以及心理能力進(jìn)行研究?，F(xiàn)如今已有研究證實(shí)tDCS可以引起神經(jīng)心理學(xué)、生理心理學(xué)及刺激腦區(qū)相關(guān)的運(yùn)動功能改變，也已被作為治療抑郁癥的主要物理手段。未來我們可以借鑒tDCS技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的成果，將該技術(shù)運(yùn)用到運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域用于抑制運(yùn)動員在體育訓(xùn)練及體育競賽中所產(chǎn)生的不良心理狀態(tài)。同時，可以借助fNIRS、fMRI、ERP等技術(shù)探究經(jīng)顱直流電刺激對受試者內(nèi)隱性運(yùn)動認(rèn)知方面的影響。

6.2展望

近年來tDCS技術(shù)在運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，證明了人們對腦神經(jīng)技術(shù)已經(jīng)有了更深層次的認(rèn)識。過去我們將身體訓(xùn)練作為提升人體運(yùn)動能力的主要手段，未來我們可以將經(jīng)顱直流電刺激和運(yùn)動訓(xùn)練相結(jié)合，因其機(jī)制的特殊性可能會更大程度地提升人體的運(yùn)動能力，這預(yù)示著未來經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)可以作為提升運(yùn)動員競技能力的新手段。我們可以看到未來該技術(shù)在運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域還有很大的應(yīng)用空間，隨著研究的不斷深入，該技術(shù)也一定會在運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域有新的進(jìn)展和突破。

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