不同經(jīng)顱脈沖電刺激方案對體力-認知混合任務(wù)疲勞消除的效果

武慶昌 房國梁 婁虎 趙杰修 申陽陽 劉建

1 蘇州大學(xué)（蘇州 215006）

2 國家體育總局體育科學(xué)研究所（北京 100061）

3 南通大學(xué)（江蘇南通 226019）

疲勞是機體對持續(xù)和劇烈活動的一種正常的生理體驗和認知反應(yīng)[1]，常常伴隨著運動的發(fā)生而出現(xiàn)。當(dāng)運動量超過個體負荷時，個體就會產(chǎn)生體力疲勞和（或）認知疲勞，其中體力疲勞是指機體的生理過程不能持續(xù)維持在某一特定水平或各器官不能維持預(yù)定的運動強度[2]，認知疲勞通常被定義為一種主觀狀態(tài)，在長時間執(zhí)行一項認知任務(wù)后，運動或工作表現(xiàn)下降[3]。在實際的體育運動中，疲勞的誘因、場景常常交叉出現(xiàn)，幾乎所有的體育項目均有體力和認知的參與，產(chǎn)生的疲勞也是“混合型”的；同時，由于個體參與運動的程度不同，產(chǎn)生的疲勞程度也存在差異，因此，實際運動中產(chǎn)生的疲勞往往是不同程度的混合型疲勞[4]。運動后疲勞的消除一直是研究的熱點問題。經(jīng)顱電刺激（transcranial electrical stimulation，TES）是消除疲勞的新方法，包括經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）、經(jīng)顱脈沖電刺激（transcranial pulsed current stimulation，tPCS）等，其中tDCS 在疲勞消除方面已有廣泛應(yīng)用研究。Williams 和Cogiamanian等[5-6]發(fā)現(xiàn)，tDCS 干預(yù)能提高個體的抗疲勞能力，Dissanayaka 等[7]的實驗表明了tPCS 對疲勞的消除作用。但是，目前少有研究關(guān)注tPCS的刺激方案，針對不同程度混合任務(wù)疲勞狀態(tài)下tPCS刺激方案的研究則更為不足。TES 的刺激方案通常包括刺激強度和刺激時間，TES刺激的總體效果和方向常常受到電流刺激強度和刺激時間的影響，其中刺激強度在刺激時間上的累計稱作“刺激劑量”[8]。Peterchev 和Woods 研究表明針對個體不同疲勞狀態(tài)實施差異化TES刺激方案是非常有必要的[9-10]。在大多數(shù)TES 研究中，刺激強度為1 mA（47.22%）、1～2 mA（45.83%），刺激時間為15～20 分鐘（68.66%）、21～30分鐘（8.96%）[11]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，TES的干預(yù)效果具有時間依賴性，認為30分鐘干預(yù)時間能產(chǎn)生更好的干預(yù)效果[12]，也有學(xué)者從“刺激劑量”的角度研究，認為長時間的干預(yù)會降低神經(jīng)元的興奮性，反而降低了干預(yù)效果[13]。同樣，對于TES合適的電流強度的探索也一直在進行[14]。由于顱骨和脂肪厚度的差異，個體對刺激的耐受性不同，不同個體存在不同強度的感覺電流，有研究表明，相同的刺激強度在兒童和成人身上引起的效果是相反的，在專業(yè)和非專業(yè)運動員身上的作用也有所不同，因此，固定的刺激強度可能是僵化的選擇[15-17]，探究不同刺激方案對疲勞消除的效果尤為有價值。Wallace 等[18]在研究中指出，合適的刺激強度應(yīng)該以受試者個體的感覺電流強度為宜，當(dāng)受試者處于適宜刺激時鼻根有震顫感、電極下的針刺感可耐受、無光視眩暈等其他異常感覺，認為個體刺激舒適度的上限是較為合適的電流強度；Chew 等[19]的實驗進一步表明增加幅度為0.2 mA 的刺激強度更能使受試者產(chǎn)生大的皮層興奮反應(yīng)。可見，刺激強度為感覺強度或感覺強度+0.2 mA均有可能增大皮層的興奮性。

心率變異性（heart rate variability，HRV）和功能近紅外技術(shù)（functional near infrared spectroscopy，fNIRS）是反映疲勞狀態(tài)的常用技術(shù)。HRV通過對自主神經(jīng)系統(tǒng)（autonomic nervous system，ANS）的監(jiān)測來反映疲勞，因其便捷、無創(chuàng)等優(yōu)勢，現(xiàn)已得到廣泛的應(yīng)用[20-21]。功能近紅外技術(shù)是一種無創(chuàng)光學(xué)技術(shù)，通過監(jiān)測腦部氧合血紅蛋白（oxyhemoglobin，HbO2）濃度，進而推測疲勞狀態(tài)。目前這兩項技術(shù)在體育領(lǐng)域已有所應(yīng)用，且在體力疲勞和認知疲勞的研究中取得了一定的成果[23-24]。

鑒于上述，本研究以籃球二級運動員為研究對象，采用不同的tPCS刺激方案對中度混合疲勞和重度混合疲勞的被試進行刺激，篩選對中度和重度混合疲勞消除效果最好的tPCS刺激方案，并從tPCS刺激方案的角度為不同程度混合疲勞的消除提供新的思路和理論依據(jù)，也為今后在實踐中應(yīng)用tPCS提供參考。同時，基于TES 不同“刺激劑量”對疲勞消除的效果可能存在差異，本研究提出如下假設(shè)：①不同tPCS刺激方案對不同程度的混合疲勞干預(yù)效果有差異；②方案B（30 min，感覺刺激強度）對中度體力-認知混合任務(wù)疲勞的消除效果最好；③方案A（30 min，感覺刺激強度+0.2 mA）對重度體力-認知混合任務(wù)疲勞的消除效果最好。

1 對象與方法

1.1 研究對象

被試為30 名某大學(xué)籃球二級運動員。所有被試身體狀態(tài)良好，無心血管疾病，無認知類疾病，半年內(nèi)無下肢受傷史，在實驗前一周沒有參加影響體力疲勞或認知疲勞的活動，均自愿參加本實驗，對實驗意圖有清晰的認識，清楚實驗流程并簽署知情同意書，經(jīng)過主觀疲勞量表（（ratings of perceived exertion，RPE）篩選后，最終20名被試完整地參加了實驗，分為Ⅰ組（中度體力-認知混合疲勞程度，RPE評分5～7分）和Ⅱ組（重度體力-認知混合疲勞程度，RPE 評分8～10 分），每組10人（表1）。本研究嚴格遵守《赫爾辛基宣言》且獲南通大學(xué)倫理委員會批準[南通大學(xué)倫審2020（1號）]。

表1 受試者基本信息

1.2 實驗設(shè)計與流程

1.2.1 實驗設(shè)計

本實驗是一項隨機雙盲實驗，研究對象不知曉刺激方案，tPCS 由能夠熟練操作儀器但不知曉實驗內(nèi)容的人員進行干預(yù)。采用2（組別：實驗組、對照組）×5（刺激方案：A、B、C、D、E）×2（測量時間：干預(yù)前、干預(yù)后）的三因素混合實驗設(shè)計。刺激方案的刺激強度設(shè)置3個梯度，分別為假刺激、感覺刺激強度、感覺刺激強度+0.2 mA；刺激時間設(shè)置兩個梯度，分別為20 分鐘和30分鐘，本研究共制定5 套刺激方案（編號A、B、C、D、E，表2）。

表2 tPCS刺激方案

1.2.2 實驗流程

30 名受試者隨機平均分為Ⅰ’、Ⅱ’兩組，每組各15人，其中Ⅰ’組按照中度體力-認知混合疲勞的運動方案進行功率自行車阻力運動和數(shù)學(xué)計算，Ⅱ’組按照重度體力-認知混合疲勞的運動方案進行功率自行車運動和數(shù)學(xué)計算，直至被試達到預(yù)定疲勞程度。其中，中度混合疲勞程度標準為RPE 評分5～7 分，重度混合疲勞程度標準為RPE評分8～10分[25]。從兩組中各選出符合要求的10 名被試，分別為Ⅰ組和Ⅱ組，隨后開展正式實驗，成功建立疲勞模型后立即進行HRV測試和fNIRS 測試，測試完畢后兩組均實施tPCS 刺激方案，完成tPCS干預(yù)后立刻進行HRV測試和fNIRS測試。為避免兩次測試之間的疲勞或刺激效應(yīng)的影響，相隔48小時后重復(fù)疲勞建模、HRV測試、fNIRS測試、tPCS干預(yù)、HRV測試、fNIRS測試，直至所有符合RPE條件的被試均完成5種刺激方案[26]（圖1）。

圖1 實驗測試流程圖

1.3 體力-認知疲勞運動方案

體力疲勞采用世界衛(wèi)生組織建議的踏車方案[27]。被試先體會1 分鐘的零負荷運動，隨后正式進入負荷階段，起始負荷50 W，然后每3 分鐘遞增50 W，當(dāng)負荷遞增至200W后不再遞增，直到受試者達到實驗設(shè)計所要求的疲勞程度，其中Ⅰ組的疲勞標準為RPE 評分5～7 分，Ⅱ組的疲勞標準為RPE 評分8～10 分。在完成體力疲勞任務(wù)的同時完成認知疲勞任務(wù)，被試連續(xù)不斷地完成心算任務(wù)，其中包含加法等式（如：67+79=142）和減法等式（如96－58=44），為保證任務(wù)的順利進行，被試只需口頭回答對錯。

1.4 tPCS刺激干預(yù)方案

tPCS 儀器由操作熟練且未參與本研究的人員進行，為確保被試安全，所有操作遵循哥本哈根會議所達成的共識[28]。首先，單只電極放置在矢狀線前額葉眶上區(qū)，雙支電極放置在雙耳乳突附近，并使用彈性繃帶固定。在刺激開始后，電流強度在30 秒內(nèi)由0 mA 上升至目標強度，目標強度由感覺強度和感覺強度+0.2 mA構(gòu)成。感覺強度為受試者在tPCS干預(yù)下，鼻根有震顫感、電極下可耐受的針刺感，無光視眩暈等其他異常感覺。刺激結(jié)束時將電流在30 秒內(nèi)調(diào)至0 mA，所有操作均由同一人員完成。假刺激方案進行相同的刺激時間、刺激強度和電流加速過程，但在初始加速之后30秒便將電流強度調(diào)至0 mA，各組不同刺激方案的具體電流數(shù)值見表2。在整個干預(yù)過程中，受試者如出現(xiàn)不良反應(yīng)（疼痛、眩暈）則立即停止實驗，每次刺激結(jié)束后，受試者填寫一份刺激感覺問卷，記錄自身感覺。

1.5 測試方法與指標

1.5.1 實驗儀器

經(jīng)顱脈沖電刺激儀：采用項目組（國家重點研發(fā)計劃項目科技冬奧專項，編號：2019YFF0301604）自主研發(fā)的經(jīng)顱脈沖電刺激儀進行刺激。tPCS 基本參數(shù)如下：刺激電流為60～80 Hz 的雙極性電流，脈沖波形為方波，占空比29.7%，刺激時間間隔為3.75±0.25 ms，電流強度為0～2 mA；三片矩形電極片，一片大小為（5×9）cm2，兩片大小為（5×5）cm2，刺激時間由刺激方案確定；本儀器已于2021年4月17日通過深圳華通威國際檢驗有限公司的安全認證，獲得國家安全認證證書，報告編號為CHTSM21040049。

心率變異測試儀：心率變異性（HRV）指標由芬蘭公司（Firstbeat Technologies Ltd）提供的Firstbeat Sports型HRV測試儀測得。

功能近紅外光譜成像儀：本實驗采用荷蘭Artinis公司制造的OctaMon+便攜式無線近紅外腦成像系統(tǒng)對大腦的額葉HbO2濃度進行監(jiān)測。OctaMon由光源發(fā)射器和光源接收器組成，其中光源發(fā)射極有8個，發(fā)射極發(fā)射760 nm 和850 nm 的光波，發(fā)射的光束經(jīng)過大腦皮層后被2個光源探測器接收，采樣頻率為50 Hz。根據(jù)國際10-20系統(tǒng)腦電極標準導(dǎo)聯(lián)，將fNIRS探測器放置于左前額葉皮質(zhì)區(qū)（left prefrontal cortex，LPFC）和右前額葉皮質(zhì)區(qū)（right prefrontal cortex，LPFC），左右兩側(cè)各1個光源探頭和4個接收探頭（圖2）。

圖2 功能近紅外布局圖

功率自行車：日本COMBI功率自行車（型號：POWERMAX-V Ⅱ）。

數(shù)學(xué)計算題：采用Klaassen 等學(xué)者推薦的數(shù)學(xué)計算任務(wù)[29-30]。

RPE 問卷：采用疲勞等級分法，RPE 評分為5～7 分時處于中度疲勞狀態(tài)；RPE 評分為8～10分時處于重度疲勞狀態(tài)。RPE 對疲勞程度的評估信度已得到驗證，組間的相關(guān)系數(shù)為0.71～0.90[31-32]。

1.5.2 測試指標

HRV和fNIRS測試均采用坐立位測試。其中HRV的測試指標包括：（1）時域指標：正常竇性R-R 間期均值標準差（standard deviation of normal R-R intervals，SDNN）、相鄰R-R 間期差值的均方根（root mean square successive difference，RMSSD）；（2）頻域指標：高頻（high frequency，HF）、低頻（low frequency，LF）；fNIRS指標為HbO2濃度。

1.6 數(shù)據(jù)分析與處理

首先，使用nirsLABv2013.1 軟件將收集到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Matlab 格式數(shù)據(jù)，然后通過微分DIFF函數(shù)排除通道中超過25%的無效平線信號時的通道信號。隨后采用Butterworth 濾波來減少信號中高頻噪聲（0.3 Hz呼吸和1 Hz心率）和低頻噪音（小于0.01 Hz的代謝震顫）的干擾，提高信噪比。接著使用主成分分析法去除運動偽跡。最終納入3 分鐘的HbO2濃度監(jiān)測，將得到的HbO2濃度數(shù)據(jù)依照改進后比爾-伯朗定律計算前額葉HbO2濃度的變化[33]；通過Polar 軟件剔除異常波動、干擾和偽差后，選取5min 信號樣本進行HRV 時域和頻域分析。

應(yīng)用SPSS22.0軟件和Microsoft Excel 2019公式進行統(tǒng)計分析，所得參數(shù)均采用平均值±標準差（±s）表示。采用重復(fù)測量三因素方差（Three-Way ANOVA，SPSS 22.0）分析各自變量（疲勞程度×刺激方案×測量時間）對HRV 各指標和HbO2的影響，實驗的組內(nèi)變量為刺激方案（刺激方案A、刺激方案B、刺激方案C、刺激方案D、刺激方案E）、測量時間（干預(yù)前測、干預(yù)后測），組間變量為疲勞程度（中度混合疲勞、重度混合疲勞）。采用事后檢驗以分析各指標在干預(yù)前后的差異，效應(yīng)量用Cohen’s d表示，<0.19為弱效應(yīng)，0.20～0.49為低效應(yīng)，0.50～0.79為中效應(yīng)，>0.8為高效應(yīng)。顯著性水平α設(shè)為0.05。

2 結(jié)果

本研究20名被試均完成所有實驗流程，在干預(yù)前Ⅰ組和Ⅱ組受試者進行同質(zhì)性檢驗，結(jié)果顯示HRV和fNIRS數(shù)值在干預(yù)前均無顯著性差異。

2.1 時域指標測試結(jié)果

方差分析顯示，RMSSD和SDNN在組別、刺激方案和測量時間中均不存在交互效應(yīng)，時間主效應(yīng)顯著，分別為RMSSD[F（1，18）=71.37，P=0.00]，SDNN [F（1，18）=95.44，P=0.00]。事后檢驗發(fā)現(xiàn)，在RMSSD 中，Ⅰ組方案B、C、D干預(yù)效應(yīng)顯著，Ⅱ組方案A、B、C、D干預(yù)效應(yīng)顯著（圖3a，表3）；在SDNN中，Ⅰ組和Ⅱ組方案A、B、C、D 干預(yù)效應(yīng)均顯著（圖3b，表3）。計算各指標變化率得知，在SMSSD 中，Ⅰ組方案D 干預(yù)后變化率最大，為23.59%，且Cohen’s d 值最大，為0.93；Ⅱ組方案C干預(yù)后變化率最大，為38.81%，且Cohen’s d值最大，為1.19（圖4a，表3）。在SDNN中，Ⅰ組方案D干預(yù)后變化率最大，為35.46%，且Cohen’s d 值最大，為1.44；Ⅱ組方案A 干預(yù)后變化率最大，為43.75%，Cohen’s d 值為1.49（圖4b，表3）。

圖3 tPCS干預(yù)體力-認知混合任務(wù)疲勞后HRV和HbO2的變化

圖4 tPCS干預(yù)體力-認知混合任務(wù)疲勞后HRV和HbO2差值比較

表3 tPCS干預(yù)不同程度體力-認知混合任務(wù)疲勞后生理指標變化

2.2 頻域指標測試結(jié)果

方差分析顯示，LF 和HF 在組別、刺激方案和測量時間中均不存在交互效應(yīng)，時間主效應(yīng)顯著，分別為LF[F（1，18）=137.12，P=0.00]，HF[F（1，18）=73.30，P=0.00]。事后檢驗發(fā)現(xiàn)，在LF中，Ⅰ組和Ⅱ組方案A、B、C、D 干預(yù)效應(yīng)均顯著（圖3c，表3）；在HF 中，Ⅰ組和Ⅱ組方案A、B、C、D 干預(yù)效應(yīng)顯著（圖3d，表3）。計算各指標變化率得知，在LF中，Ⅰ組方案B干預(yù)后變化率最大，為－19.31%，Cohen’s d值為0.94；Ⅱ組方案A干預(yù)后變化率最大，為－58.73%，且Cohen’s d 值最大，為1.39（圖4c，表3）。在HF中，Ⅰ組方案D干預(yù)后變化率最大，為26.09%，且Cohen’s d 值最大，為0.92；Ⅱ組方案C 干預(yù)后變化率最大，為36.60%，且Cohen’s d 值最大，為0.93（圖4d，表3）。

2.3 HbO2測試結(jié)果

方差分析顯示，HbO2在組別、刺激方案和測量時間之間不存在交互效應(yīng)，時間主效應(yīng)顯著[F（1，18）=88.14，P=0.00]。事后檢驗發(fā)現(xiàn)，Ⅰ組和Ⅱ組方案A、B、C、D 干預(yù)效應(yīng)均顯著，（圖3e，表3）。計算指標變化率得知，Ⅰ組方案D干預(yù)后變化率最大，為211.06%，且Cohen’s d 值最大，為1.58；Ⅱ組方案C 干預(yù)后變化率最大，為90.10%，且Cohen’s d 值最大，為1.64（圖4e，表3）。

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)，疲勞的產(chǎn)生會降低腦部的HbO2濃度，且HbO2降低與疲勞程度成正相關(guān)[34]。當(dāng)腦部HbO2濃度下降時會抑制神經(jīng)元沖動，削弱人體的運動功能和認知功能[35]。本研究中，由于體力認知任務(wù)的存在，人體對腦部血氧的需求增大，但血氧的供應(yīng)并沒有改善，因此會造成腦灌注的相對不足，最終導(dǎo)致大腦工作效率降低，引發(fā)疲勞[36]。事實上，大腦的血流量也受到心輸出量的限制，當(dāng)副交感神經(jīng)活力下降時，會降低心輸出量，這也是疲勞產(chǎn)生的另一原因。Dissanayaka 等[37]在研究中發(fā)現(xiàn)，tPCS在額葉的刺激能夠促進HbO2濃度的升高，原因在于tPCS 的刺激增強了皮質(zhì)脊髓的興奮性，增強了大腦對HbO2的轉(zhuǎn)運能力，因此測得的HbO2的數(shù)值會上升[38]。也有學(xué)者認為在前額葉的tPCS刺激可通過額葉對副交感神經(jīng)和交感神經(jīng)系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，tPCS 的脈沖刺激增大了副交感神經(jīng)的活力，而副交感神經(jīng)與心輸出量有著強相關(guān)關(guān)系，副交感神經(jīng)活力的增加能增加心輸出量，進而增大腦血流量和HbO2濃度，因此反映額葉氧合血紅蛋白濃度的HbO2也出現(xiàn)上升，這與本實驗的結(jié)果一致[38-40]。本研究中，受試者在經(jīng)過tPCS 干預(yù)后，反映副交感神經(jīng)活力的RMSSD、HF指標和大腦狀態(tài)的HbO2指標均有所上升。有研究發(fā)現(xiàn)，額葉是負責(zé)認知功能的主要腦區(qū)，也是“疲勞網(wǎng)絡(luò)”的中心區(qū)域，當(dāng)疲勞產(chǎn)生后，各腦區(qū)之間的聯(lián)系降低，而tPCS 刺激能夠以脈沖的形式促進神經(jīng)元放電，因此加強了腦區(qū)之間的聯(lián)系，提高了大腦的運作效率，促進了疲勞的消除[41]。在本研究中，各組的tPCS 刺激方案均能對疲勞的消除有積極作用，但消除的大小卻有所不同。

3.1 不同tPCS方案對中度混合疲勞消除的效果

在中度混合疲勞中，5種方案對疲勞的消除均有作用，其中方案E 為自然恢復(fù)，其干預(yù)效果不具有顯著性，而方案B、C、D 干預(yù)效果顯著，但效果大小各不相同，方案D（20 min，感覺強度）干預(yù)效果最大。有研究表明，當(dāng)疲勞產(chǎn)生后，個體的主觀舒適度、認知能力和感覺均有一定程度的下降，疲勞程度越大則下降程度越大[42]。當(dāng)受試者處于中度混合疲勞的狀態(tài)時，其主觀舒適度和感覺的變化相較于重度混合疲勞下降較低，而刺激強度為感覺強度+0.2 mA 的電流可能超過了個體的耐受度，引發(fā)了個體更多的不適感從而降低了tPCS 的干預(yù)效果[43]。當(dāng)過高的電流引發(fā)了不適感，刺激時間越長對受試者的疲勞消除并非越有利，因此在所有方案中，方案D（20 min，感覺強度）干預(yù)效果最好，而方案A（30 min，感覺強度+0.2 mA）干預(yù)效果則相對較差。這與Workman等的研究結(jié)果一致，Workman[44]的研究表明，當(dāng)tDCS的輸出電流過高時，會誘發(fā)受試者的“保護機制”，從而導(dǎo)致“高”強度的干預(yù)效果反而不如“低”強度的干預(yù)效果。Batsikadze等[45]則從干預(yù)時間的角度證實了此結(jié)論。Batsikadze發(fā)現(xiàn)，長時間的tDCS高強度刺激會使原本的促進作用轉(zhuǎn)變成抑制作用，原因可能在于長時間高強度刺激破壞了神經(jīng)突觸的穩(wěn)定狀態(tài)，因此在中度混合疲勞中，長時間的高電流刺激會導(dǎo)致干預(yù)作用下降，而低強度電流干預(yù)效果較好。同時，我們推測，在進行長周期干預(yù)時，方案A（30 min，感覺強度+0.2 mA）要優(yōu)于方案D（20 min，感覺強度），原因可能在于，人體對一定范圍內(nèi)的電流具有適應(yīng)性，當(dāng)人體適應(yīng)這種“高”強度的電流后，只有高強度電流才能盡快使神經(jīng)突觸處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，恢復(fù)人體機能，消除疲勞。

混合疲勞由體力疲勞和認知疲勞組成，當(dāng)受試者處于中度混合疲勞的狀態(tài)時，受試者的體力與認知均處于疲勞狀態(tài)，且體力疲勞與認知疲勞能夠相互影響[46-47]。當(dāng)干預(yù)電流強度高于中度混合疲勞受試者的耐受度時，會通過額葉皮質(zhì)抑制受試者的認知狀態(tài)，進而影響體力疲勞的消除。Hoy 等[48]的研究結(jié)果也證實了以上推測。Hoy 等在研究中發(fā)現(xiàn)，使用tDCS 改善認知任務(wù)時，“低”（1 mA）的電流強度要好于“高”（2 mA）的電流強度。Hoy 認為大腦狀態(tài)在離正常狀態(tài)越接近時，增加tDCS 強度并不會引起更大或更持久的影響，因此處于中度混合疲勞的受試者在接受刺激強度為感受強度+0.2 mA 的電流時可能不利于認知疲勞的消除，進而影響到整個混合疲勞的消除。這一結(jié)果與Krupitsky 等[49]提出的人體穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)是一致的。Krupitsky 在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)身體狀態(tài)離正常狀態(tài)越遠時，則需要較大的刺激強度，當(dāng)身體狀態(tài)離正常狀態(tài)越近時，則需要較小的刺激強度。所以，在中度混合疲勞中使用感覺電流強度比感覺電流+0.2 mA的強度更加合適。

V?r?slakos等[14]的研究則與上述有所不同，V?r?slakos 認為2 mA 以下的電流無法超過頭皮/顱骨分流的消耗，并有足夠的殘余電流來可靠地影響皮質(zhì)興奮，因此可能需要更大強度的電流才能充分克服皮膚/顱骨電流分流。也有研究發(fā)現(xiàn)，只有較高強度（4 mA）的刺激才會在受試者中引起反應(yīng)。以上研究結(jié)果的不同可能在于受試者之間差異，與大腦解剖結(jié)構(gòu)、大腦活躍程度和個體顱骨厚度等因素有關(guān)[50]。

3.2 不同tPCS方案對重度混合疲勞消除的效果

在重度混合疲勞中，5種干預(yù)方案對疲勞的消除均有作用，其中方案E為自然恢復(fù)，在干預(yù)效果上不具有顯著性，而在真刺激方案中，方案A、B、C、D 干預(yù)效果顯著，其中方案C（20 min，感覺強度+0.2 mA）干預(yù)效果最大。而方案D（20 min，感覺強度）在所有真刺激方案中干預(yù)效果最弱，在干預(yù)前后差值也最小。這一結(jié)果與Moliadze 等[51]的研究一致。Moliadze 在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用低強度（0.4 mA）電流進行干預(yù)時，神經(jīng)活動可能受到抑制；使用中間強度（0.6～0.8 mA）的干預(yù)電流對受試者沒有影響；而當(dāng)使用1 mA 電流時，神經(jīng)活動即刻出現(xiàn)興奮。其原因可能在于低強度電流刺激一些錐體束神經(jīng)元產(chǎn)生了“短間隔皮質(zhì)內(nèi)抑制范式”，使神經(jīng)處于反射抑制狀態(tài)，限制了電流通路，影響干預(yù)效果的提升；當(dāng)干預(yù)的電流強度加大時，會使抑制作用減弱，甚至能增加神經(jīng)的興奮性，因此在重度混合疲勞中感覺強度+0.2 mA 的干預(yù)效果較大。Tergau 等[52]的研究也支持這一結(jié)果，其在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)疲勞程度越高時，被試的皮層興奮性則越低，此時，電流強度越大則引起的興奮性越大；在重度混合疲勞中，大腦資源被極度消耗，因此需要較高強度的電流才能引走足夠的興奮來抵消疲勞所導(dǎo)致的不利影響。事實上，對于適度加大電流強度來增加干預(yù)效果的研究一直在進行[14]：Boggio 等[53]在研究中發(fā)現(xiàn)，2 mA 的電流相較于1 mA的電流更能提高受試者工作記憶的水平；Workman[15]在研究中發(fā)現(xiàn)，由于脂肪層和顱骨等原因，即使4mA的電流強度也是安全的，因此沒有理由不增加電流強度以增強干預(yù)效果；也有學(xué)者認為增加TES 的刺激強度能加大干預(yù)效果的證據(jù)并不確鑿[54]；Batsikadze、Monte-Silva 等[55-56]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流強度大于2 mA 時，干預(yù)效應(yīng)由興奮變?yōu)橐种?。造成這種區(qū)別的原因可能在于，受試者疲勞程度不同，當(dāng)受試者的疲勞程度較輕時，高的電流強度起到抑制作用；而當(dāng)受試者疲勞程度較高時，高的電流強度起到促進作用。而電流強度的高低應(yīng)基于受試者當(dāng)時的大腦興奮狀態(tài)。

在體力-認知混合任務(wù)疲勞中，體力疲勞和認知疲勞能相互影響。Holtzer 等[57]在研究中發(fā)現(xiàn)，認知任務(wù)所產(chǎn)生的疲勞負荷等因素能影響體力疲勞；而Lorist等[58]發(fā)現(xiàn)，體力疲勞發(fā)生后前額葉中的氧合血紅蛋白含量降低，體力疲勞會削弱前額腦區(qū)相關(guān)的生理和認知加工。Zhou[59]的研究則表明，同時進行體力任務(wù)和認知任務(wù)時，大腦的不同區(qū)域會發(fā)生競爭，因此大腦必須協(xié)調(diào)相關(guān)腦區(qū)，對有限的大腦資源進行合理分配，提高大腦效率。在本研究中，tPCS直接刺激額葉區(qū)域，使認知疲勞的消除進程先于體力疲勞，當(dāng)認知疲勞開始消除后，大腦的閑置資源則相對增多，進而促進了體力疲勞的消除，最終縮短了重度混合疲勞消除的時間，因此我們推測這可能是tPCS 干預(yù)重度混合疲勞時，相同刺激強度下20分鐘的干預(yù)效果較大的原因。同時，亦有研究證實刺激時間并非越長越好，Teo[60]在研究中發(fā)現(xiàn)，20 分鐘的電刺激能有效改善認知功能中的工作記憶，但是進行40分鐘的刺激時，并沒有發(fā)現(xiàn)工作記憶的進一步改善，甚至有所降低。其原因可能在于個體接受的刺激劑量存在一個“容量極限”，當(dāng)刺激劑量接近容量極限時，進一步刺激并不能提高工作記憶水平。相反，過長時間的刺激會增加刺激劑量，使受試者局部大腦釋放內(nèi)源性神經(jīng)保護遞質(zhì)，降低神經(jīng)元的興奮性，致使長時間的刺激效果小于短時間的刺激效果[13]。然而，干預(yù)時長對干預(yù)效果的影響并不是簡單的線性關(guān)系，Teo[60]在研究中發(fā)現(xiàn)，使用tDCS進行干預(yù)時，只有干預(yù)的時間足夠長，受試者的工作記憶才有顯著改善，且干預(yù)的時間越長則干預(yù)效果的維持越好。造成這種區(qū)別的原因可能在于受試者任務(wù)的不同，Teo在進行認知任務(wù)訓(xùn)練時所消耗的認知資源較多，因此需要較長的刺激時間產(chǎn)生足夠的刺激劑量消除疲勞。

刺激方案的效果是由受試者疲勞類型、疲勞程度、刺激強度和刺激時間等要素共同決定的，在確定刺激方案時應(yīng)綜合分析各個要素。在本實驗中，相比于中度混合疲勞，重度混合疲勞時的體力資源與認知資源消耗更大，經(jīng)過tPCS干預(yù)后，重度混合疲勞在干預(yù)前后的恢復(fù)幅度也越大。這一結(jié)果與Lebedev 等[61]的研究結(jié)果一致，Lebedev等在研究中發(fā)現(xiàn)，疲勞程度越高，則TES 的干預(yù)效果越好，同時也發(fā)現(xiàn)，TES 的干預(yù)效果與被試干預(yù)前的疲勞狀態(tài)有關(guān)。因此，我們推測tPCS 干預(yù)時間的長短取決于受試者疲勞后所需的刺激劑量。目前，越來越多的證據(jù)表明，分析TES對混合任務(wù)疲勞的消除時需要將疲勞類型分開理解。體力疲勞對認知疲勞有影響，認知疲勞對體力疲勞同樣有影響[62]，且在大腦資源有限的前提下，先消除一種疲勞能一定程度上促進另一種疲勞的消除[63]。因此，將刺激時間和刺激強度簡單看作兩種相互獨立的干預(yù)要素不利于干預(yù)效果的提升。在決定刺激時間前應(yīng)首先確定刺激強度，同時，對受試者的疲勞類型和程度進行分類，避免受試者接受不符合自身疲勞狀態(tài)的刺激強度。在本研究中，刺激強度的選擇符合我們的預(yù)期，這意味著刺激強度貼近受試者的感覺閾值上限是合理的，且疲勞程度越大，受試者所能接受的刺激強度越大。因此，在重度混合疲勞中，增加0.2 mA 的刺激強度，既能充分激活神經(jīng)元的興奮性，也能避免“抑制效應(yīng)”。由于額葉處于“疲勞網(wǎng)格”的中心區(qū)域，在混合疲勞中，tPCS對額葉的刺激能使體力疲勞和認知疲勞相互影響，提高疲勞的消除效率，加速疲勞的消除。因此，在本研究中，體力認知任務(wù)疲勞的消除時間，不是開始假設(shè)的30分鐘，而是時間相對較短的20分鐘；相反，過長的干預(yù)時間（30 分鐘）超過了個體的“容量極限”，使干預(yù)效果下降。最終，本研究的假設(shè)與結(jié)論在刺激時間上相異，在刺激強度上相同。

4 研究局限性

第一，本研究缺少對疲勞消除效果的持續(xù)監(jiān)測，無法觀察到效果大小在時間線上的變化，也無法知道tPCS 干預(yù)效果的時長，這不利于在干預(yù)周期內(nèi)對tPCS刺激強度和時間進行動態(tài)調(diào)節(jié)，以保證對使用者的干預(yù)效應(yīng)始終保持在高水平狀態(tài)。第二，本研究尚未對受試者中的性別進行分類研究，因此限制了tPCS 的應(yīng)用性，降低了實驗結(jié)果的概括性。例如，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，女性經(jīng)過TES干預(yù)后，決策能力得到提升，但男性沒有[64]。這提示我們，性別可能是未來制定tPCS 刺激方案的重要考慮因素，在制定更加細致的tPCS 刺激方案時應(yīng)將性別因素納入其中，以提高tPCS的應(yīng)用場景。

5 小結(jié)

本研究得出以下兩點結(jié)論：第一，運動員在產(chǎn)生體力-認知混合任務(wù)疲勞后，不同的tPCS 刺激方案對體力-認知混合任務(wù)疲勞的消除效果強弱存在差異，但對于每種程度的體力-認知混合任務(wù)疲勞可能存在一個最適“刺激劑量”。第二，5種干預(yù)方案對運動員體力疲勞消除的效果表現(xiàn)為：對運動員中度體力-認知混合任務(wù)疲勞的消除，tPCS方案D（20 min，感覺強度）效果最好；對運動員重度體力-認知混合任務(wù)疲勞的消除，tPCS方案C（20 min，感覺強度+0.2 mA）效果最好。