淺談非入侵式腦刺激技術(shù)對人體運動表現(xiàn)影響的研究進(jìn)展

非入侵式腦刺激（non-invasive brain stimulation，NIBS）技術(shù)作為一類非藥物治療手段，逐漸受到關(guān)注，其可以通過調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)的興奮性來增強(qiáng)大腦與肌肉的連接，從而提升人體的運動能力。經(jīng)顱電刺激（transcranial electrical stimulation，TES）作為最常見的一種非侵入性腦刺激，當(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、體育和軍事中，其通過調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)、靜息膜電位，以及電刺激作用初級運動皮層、背外側(cè)前額葉皮質(zhì)提高運動表現(xiàn)，以神經(jīng)調(diào)控技術(shù)手段探索大腦皮層興奮性的改變與運動成績、突觸可塑性的改善與運動表現(xiàn)之間的關(guān)系。近年來，大量文獻(xiàn)表明經(jīng)顱電刺激對于運動成績的提升具有良好效果。尤其是重復(fù)經(jīng)顱磁刺激、經(jīng)顱直流電刺激在提升運動成績方面取得顯著效果。本文通過回顧經(jīng)顱電刺激對運動表現(xiàn)影響的相關(guān)文獻(xiàn)，闡述其作用機(jī)制及效果，為運動成績的提升提供科學(xué)依據(jù)，并對經(jīng)顱電刺激應(yīng)待解決的技術(shù)問題與未來研究方向進(jìn)行展望。

近年來，非侵入性腦刺激（non-invasive brain stimulation，NIBS）技術(shù)，作為一類非藥物治療手段，逐漸受到關(guān)注，經(jīng)顱電刺激（transcranial electrical stimulation，TES）是一項運用廣泛的非入侵式腦刺激技術(shù)，其可以通過調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)的興奮性來增強(qiáng)大腦與肌肉的連接，從而提升人體的運動能力。TES主要包括經(jīng)顱直流電刺激，（transcranial direct current stimulation，tDCS）、經(jīng)顱交流電刺激（transcranial AC stimulation，tACS）和經(jīng)顱隨機(jī)電刺激（transcranial random electrical stimulation，tRNS）。tDCS是當(dāng)前最常見的TES，其將兩個或更多個電極固定在頭皮上通過直流電作用于大腦。tACS則是在頭皮上施加平衡的正弦電流，tDCS利用微小的顱外恒定電流（1-2mA）改變大腦神經(jīng)元活性。在神經(jīng)元水平，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者去極化的改變。通常認(rèn)為，陽極刺激可以使皮層的興奮性提高，陰極刺激降則可以低皮層的興奮性。膜的極化是tDCS刺激后即刻作用的主要機(jī)制。而tRNS通過0.1-640Hz頻率范圍之間隨機(jī)波動的電流作用于大腦的某一區(qū)域。當(dāng)前隨著腦神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，神經(jīng)科學(xué)與人體運動表現(xiàn)聯(lián)系愈發(fā)緊密，TES已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于提升運動表現(xiàn)中，通過神經(jīng)調(diào)控技術(shù)手段探索大腦皮層興奮性的改變與運動成績，以及突觸可塑性的改善與運動表現(xiàn)之間的關(guān)系，了解運動技能形成與熟練的機(jī)理，并將TES技術(shù)廣泛應(yīng)用到生命科學(xué)當(dāng)中是當(dāng)前發(fā)展的趨勢。

1 經(jīng)顱電刺激概述

1.1 電流強(qiáng)度

Cuypers等人通過對比不同電流強(qiáng)度對運動表現(xiàn)的影響，發(fā)現(xiàn)1.5mA與虛假刺激相比可以顯著提高運動學(xué)習(xí)能力，而1mA則沒有發(fā)現(xiàn)明顯變化。Santos等人觀察了1mA、2mA、3mA等強(qiáng)度的tDCS對身體運動表現(xiàn)的影響，發(fā)現(xiàn)3mA相比低強(qiáng)度電流能提高測試人員運動表現(xiàn)能力。在另一項研究中，esmaeilpour等人觀察了1～2mA電流強(qiáng)度對運動能力的影響，指出單一調(diào)節(jié)tDCS的刺激強(qiáng)度對運動表現(xiàn)提高作用并不顯著?，F(xiàn)有研究表明，較高的電流強(qiáng)度可能更有效地提高運動表現(xiàn)，不同TDCS的電流強(qiáng)度對運動表現(xiàn)的影響不同。

1.2 作用時間

研究發(fā)現(xiàn)，tDCS刺激的作用時間是可以提升人體的運動表現(xiàn)。Cabral等人對12名習(xí)慣用右手的受試者，tDCS不同作用時間對運動改善大腦皮層可塑性的影響效果不同，發(fā)現(xiàn)在訓(xùn)練前進(jìn)行一段時間的tDCS可以顯著增強(qiáng)身體活動改善大腦皮層可塑性的影響效果。除了作用時長不同外，在訓(xùn)練之前、期間和之后，不同的時間節(jié)點對被試M1區(qū)施加陽極tDCS后發(fā)現(xiàn)：與tDCS作用前和安慰組相比，在運動表現(xiàn)測試前對受試者進(jìn)行tDCS可以改變皮質(zhì)脊髓的興奮狀態(tài)。該研究表明在測試前進(jìn)行tDCS刺激可以增強(qiáng)身體活動改善大腦皮層可塑性的效果。

1.3 刺激位點

tES的范式對運動控制能力具有重要影響。關(guān)于刺激位置和刺激時間點對刺激效果的影響研究較多。刺激位置方面，以往研究調(diào)查了刺激區(qū)域（運動皮層、小腦和其他皮層區(qū)）和刺激時間點對運動控制能力的影響。

2 非入侵式腦刺激技術(shù)對運動表現(xiàn)的影響

2.1 經(jīng)顱直流電刺激在競技體育中的運用

2013年，Davis創(chuàng)造了“神經(jīng)興奮劑”一詞，它代表了使用先進(jìn)技術(shù)來增強(qiáng)運動員的身心能力，運動表現(xiàn)的提升，證明了TES可以影響運動學(xué)習(xí)、肌肉力量、疲勞甚至處理速度等因素。Kamali等研究發(fā)現(xiàn)，同時在M1和脊髓上進(jìn)行陽極管tDCS可以幫助職業(yè)拳擊手提高整體表現(xiàn)。Colzato等研究發(fā)現(xiàn)，tDCS在改善肌肉表現(xiàn)和減少肌肉疲勞上效果顯著。多項研究證明，tDCS有助于提高運動表現(xiàn)，其在全身運動中對身體功能的改善可能有助于提高運成績，并延緩身體機(jī)能水平下降。tDCS可增加突觸可塑性，增強(qiáng)運動前區(qū)、運動區(qū)及感覺運動區(qū)的功能性連接，tDCS能夠促進(jìn)運動技能學(xué)習(xí)，提高練習(xí)效益和提升運動表現(xiàn)水平。運動技能的學(xué)習(xí)和適應(yīng)與腦網(wǎng)絡(luò)的功能和結(jié)構(gòu)有關(guān)，尤其與M1、小腦、輔助運動皮層（SMA區(qū)）、DLPFC等腦區(qū)關(guān)系密切。除了對肌肉疲勞的有益影響外，最近的一項研究表明，tDCS通過對左背側(cè)額葉前皮層的刺激程序?qū)﹄[性運動學(xué)習(xí)有增強(qiáng)作用。

執(zhí)行動作的時間，并準(zhǔn)確地執(zhí)行在幾乎所有體育模式中都很重要。專注于運動學(xué)習(xí)時間方面的研究數(shù)量仍然很少，但有一些證據(jù)表明tDCS對運動定時有益的影響。Arias等發(fā)現(xiàn)刺激M1可以提高快速手臂伸展的速度，與假刺激相比疲勞明顯改善。

最近的研究表明，tDCS不僅可以提升運動員的力量，還可以減少對疲勞的感知，從而提高耐力。Machado等人最近的薈萃分析評估了tDCS對不同鍛煉的影響發(fā)現(xiàn)，tDCS可以提高鍛煉效果還可以減少神經(jīng)肌肉的疲勞。Okano等注意到了對一群騎自行車的人對顳皮層的陽極刺激會有良性影響，對運動皮層的刺激不僅可以減少了對疲勞的感知，還能提高了人體的耐力。Vitor-Costa等則發(fā)現(xiàn)通過對初級運動皮層的陽極刺激，提升了運動員在運動耐受性方面的表現(xiàn)顯著提高，而生理和感知變量沒有變化。

2.2 經(jīng)顱直流電刺激對視覺搜索能力和認(rèn)知的影響

在美國軍隊的一項研究中發(fā)現(xiàn)，tDCS可以提高飛行員的警惕性和目標(biāo)檢測在每位參與者都接受了90分鐘的任務(wù)準(zhǔn)備培訓(xùn)和tDCS課程后，安慰組相比，陽極tDCS使視覺搜索任務(wù)的準(zhǔn)確性提高了約25%，證實了tDCS可以提高運動表現(xiàn)中的視覺搜索能力。

在一項研究中，15名健康受試者通過提交托倫斯測試進(jìn)行創(chuàng)造性思維，要求是在10分鐘內(nèi)，參與者必須盡可能多地畫不同的物體，通過1.5毫安的tDCS刺激雙側(cè)額回可以增強(qiáng)語言創(chuàng)造力。研究發(fā)現(xiàn)tDCS提高了靈活性和原創(chuàng)性，以衡量創(chuàng)造性技能。在另一項研究中，以前沒有高爾夫經(jīng)驗的健康受試者，在訓(xùn)練階段和測試期間接受1.5毫安的tDCS，刺激前額葉背外側(cè)皮層持續(xù)20分鐘后，可以提高運動學(xué)習(xí)效率和提高高爾夫遠(yuǎn)處擊球入洞中的能力，可以通過對左背外側(cè)前額葉皮層的陽極刺激來提高運動員的認(rèn)知表現(xiàn)。

2.3 經(jīng)顱直流電刺激對人體運動表現(xiàn)的影響

以往提高人體運動控制能力的方法主要集中在通過干預(yù)訓(xùn)練改造骨骼肌系統(tǒng)功能來達(dá)到增強(qiáng)運動控制能力的目的。但在tDCS中，神經(jīng)系統(tǒng)的改善起到了重要作用。以往運動員主要是通過力量和耐力等干預(yù)訓(xùn)練來提高運動表現(xiàn)能力，近年來，教練員和研究員則更多地關(guān)注神經(jīng)系統(tǒng)干預(yù)對人體運動表現(xiàn)的影響。運動皮層（M1）通常是刺激的目標(biāo)，因為它在維持運動神經(jīng)元中的神經(jīng)驅(qū)動，從而通過補(bǔ)償中心疲勞來提高性能，tDCS的應(yīng)用不僅限于運動皮層，刺激的替代目標(biāo)是背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）。有研究表明，前額葉皮層可以在疲勞相關(guān)的反饋中發(fā)揮作用，前額葉皮質(zhì)氧合的減少。導(dǎo)致疲憊時長，從而提高受試者的運動表現(xiàn)。

3 經(jīng)顱電刺激對運動影響的作用機(jī)制

3.1 經(jīng)顱直流電刺激作用初級運動皮層、背外側(cè)前額葉皮質(zhì)提高運動表現(xiàn)

經(jīng)顱直流電刺激可能是通過刺激大腦特定區(qū)域來發(fā)揮作用，當(dāng)前研究多在腦部M1和DLPFC改變大腦皮層興奮性。關(guān)于耐力素質(zhì)，神經(jīng)肌肉疲勞是多方面的，同時也受到中樞和周圍因素的影響。外周疲勞會導(dǎo)致神經(jīng)肌肉連接處或遠(yuǎn)端的變化，而中樞疲勞代表中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）無法維持肌肉的中樞興奮。將tDCS作用于M1可以調(diào)節(jié)皮質(zhì)脊髓輸出，它可以增加運動區(qū)域的興奮性，并延遲疲勞對活動肌肉神經(jīng)驅(qū)動的有害影響。關(guān)于這些考慮，前額葉皮層（PFC）也可以成為提高性能的目標(biāo)。事實上，PFC增加了神經(jīng)元的激活，以加強(qiáng)鍛煉期間的肌肉力量。它可能具有促進(jìn)的功能，tDCS作用于PFC上的可以提高動機(jī)，抑制或減少負(fù)面外部因素，例如減輕肌肉疼痛從而提高性能。更具體地說，由于左DLPFC在認(rèn)知控制、決策和方法動機(jī)中的關(guān)鍵作用以及tDCS對認(rèn)知功能的影響，后者可以作為主要研究和干預(yù)的領(lǐng)域。由于這兩個領(lǐng)域的興奮性理論上可以調(diào)制以增加最大功率輸出，但在現(xiàn)有的研究中對評估tDCS對提升運動表現(xiàn)及其相關(guān)機(jī)制的影響還較少。研究tDCS對運動表現(xiàn)的影響大多是關(guān)于耐力性的文獻(xiàn)得到了更多發(fā)展。

3.2 經(jīng)顱直流電刺激通過調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)提高運動表現(xiàn)

tDCS在運動康復(fù)和運動學(xué)習(xí)中的機(jī)制，tDCS有兩個相關(guān)機(jī)制支持其在運動康復(fù)中的使用：神經(jīng)元興奮性和可塑性的調(diào)節(jié)，F(xiàn)uruya等研究發(fā)現(xiàn)，在運動訓(xùn)練休息期間進(jìn)行刺激時，tDCS無法改善精細(xì)的運動控制。運動控制是指神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)理想?yún)f(xié)調(diào)運動的過程，而運動皮層投影與脊髓內(nèi)的運動電路密切相關(guān)，運動學(xué)習(xí)依賴于運動皮層來學(xué)習(xí)新的運動，預(yù)測或調(diào)整所需的動作，運動皮層學(xué)習(xí)相關(guān)可塑性涉及突觸強(qiáng)度和樹突脊柱生長。這些修飾的穩(wěn)定涉及細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)、神經(jīng)元蛋白質(zhì)合成和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，tDCS通過刺激視覺皮層可以改善視覺運動協(xié)調(diào)任務(wù)的性能，包括動態(tài)、高分辨率感知和移動目標(biāo)預(yù)定的運動選擇，在動作初學(xué)階段作用于視覺皮層還能提高視覺運動協(xié)調(diào)能力，當(dāng)采用2mA陽極電流刺激高水平運動員左背外側(cè)前額葉皮層，運動員的認(rèn)知表現(xiàn)和情緒方面得到改善，可以幫助運動員獲得潛在的競爭優(yōu)勢。tDCS可能是通過增加半球間同步性，來提高運動表現(xiàn)的基礎(chǔ)有助于提高職業(yè)賽艇運動員的運動表現(xiàn)。Van Asseldonk等觀察了tDCS對10名健康受試者下肢運動功能的影響。受試者在刺激前和刺激結(jié)束后15min和45min在跑步機(jī)上行走，同時采集下肢運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：tDCS 提高了健康受試者慢速行走期間的正功輸出，而且雙側(cè)tDCS的效果（增加4.4%）比單側(cè) tDCS（增加2.8%）效果明顯。

tDCS通過頭皮上的非侵入性電極的低電流，根據(jù)電極極性調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性。陽極刺激電流進(jìn)入組織誘發(fā)興奮效應(yīng)，陰極刺激電流退出組織誘導(dǎo)抑制效應(yīng)。陽極刺激會增加神經(jīng)元的發(fā)射率和細(xì)胞內(nèi)Ca+2濃度，這可能與長期增強(qiáng)機(jī)制有關(guān)。雖然tDCS生物物理效應(yīng)調(diào)節(jié)了神經(jīng)元膜極化，但tDCS是否有利于運動學(xué)習(xí)，促進(jìn)康復(fù)和運動表現(xiàn)還需要進(jìn)一步研究。

3.3 經(jīng)顱交流電刺激通過調(diào)節(jié)靜息膜電位提高運動表現(xiàn)

tACS的作用機(jī)制是神經(jīng)元靜息膜電位亞閾值的改變，其方向與電流方向相同，tACS以特定頻率的方式調(diào)節(jié)大腦振蕩，通常以與tDCS相當(dāng)?shù)拇碳?qiáng)度和持續(xù)時間以及腦電頻譜內(nèi)的振蕩頻率（通常在1至100赫茲之間）下應(yīng)用。tES調(diào)節(jié)運動功能，通過tACS以特定頻率的方式調(diào)節(jié)大腦振蕩可能與研究運動過程的神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)有關(guān)。研究表明，tACS主要通過引入正在進(jìn)行的大腦振蕩或同步神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)來起作用，從而改變大腦活動。目前的實驗研究中選擇的刺激腦區(qū)多為M1，認(rèn)為通過提升M1興奮性，可增加皮質(zhì)脊髓通路的輸出量，延緩脊髓上段的疲勞，進(jìn)而提升人體延緩肌肉疲勞的能力。有研究發(fā)現(xiàn)，tACS作用于背外側(cè)前額葉皮質(zhì)可以提高專業(yè)手槍射擊運動員的表現(xiàn)準(zhǔn)確性。Buch等研究表明，大腦在提升人體肌肉力量、抑制身體疲勞和改善認(rèn)知與學(xué)習(xí)能力等方面起著關(guān)鍵作用。多項研究表明，通過和神經(jīng)反饋進(jìn)行神經(jīng)傳入可以加快運動技能的學(xué)習(xí)，并促進(jìn)運動序列學(xué)習(xí)，以促進(jìn)比賽期間的最佳表現(xiàn)。

4 結(jié)語與展望

近年來，tES對運動控制能力的影響受到廣泛關(guān)注，尤其是tDCS和tACS。目前，tDCS相關(guān)研究數(shù)量較多，而tACS的相關(guān)研究也呈現(xiàn)明顯上升趨勢?，F(xiàn)有的大量研究表明，通過TES刺激大腦可以加快運動學(xué)習(xí)速度，并提高體育活動中的運動技能。從TES對運動控制能力干預(yù)效果來看，不同的TES刺激對人體運動控制能力不同。雖然大量研究顯示TES可促進(jìn)人體運動控制能力，但也有個別的研究結(jié)果顯示TES未能提高人體運動控制能力。展望未來，可結(jié)合腦電生理技術(shù)和腦成像技術(shù)觀察TES對腦功能響，并結(jié)合運動控制能力的評價指標(biāo)，分析運動控制變化與腦功能之間的關(guān)系，并進(jìn)一步揭示TES影響運動控制能力的腦機(jī)制。然而，對于施加的給定電流，每個大腦區(qū)域經(jīng)歷的電場 （V/m） 因此通常是未知的，但識別TES的劑量反應(yīng)需要準(zhǔn)確靶向和控制跨個體應(yīng)用的有效劑量，身體、生理和心理作為影響運動表現(xiàn)的3個重要因素，只有更加準(zhǔn)確的作用相應(yīng)部位，才能起到更好的效果。當(dāng)前有研究比較了TES植入電極的患者的顱內(nèi)電流和同一患者的電流模型，已經(jīng)實現(xiàn)個體化的劑量控制。當(dāng)前研究還應(yīng)注意以下問題：（1）當(dāng)前研究是否具有可重復(fù)性，目前還缺乏相關(guān)研究來認(rèn)證。（2）早期的一些研究已經(jīng)證實TES在增強(qiáng)運動績效指標(biāo)方面有效，包括縮短視覺、聽覺和觸摸刺激的反應(yīng)時間，減少震顫和提高復(fù)雜運動技能的獲得能力，未來的研究還應(yīng)考慮參與者致盲的完整性，增加實驗數(shù)據(jù)的說服力。（3）當(dāng)前對TES影響更多的在醫(yī)療和康復(fù)領(lǐng)域，在改善運動表現(xiàn)方面的研究還處在探索階段，應(yīng)用中還存在樣本量小，無法確定刺激的最佳參數(shù)等問題，在應(yīng)用中如何更加精準(zhǔn)確定刺激部位，以及不同刺激區(qū)域和刺激參數(shù)的調(diào)整，還需要借助多種影像學(xué)技術(shù)，并結(jié)合運動控制能力的評價指標(biāo)進(jìn)一步來確定最佳的影響方案。（4）鑒于當(dāng)前不同的TES對運動表現(xiàn)改善的機(jī)制存在差異，是否可以將不同的方式進(jìn)行整合，通過分析運動控制變化與腦功能之間的關(guān)系，克服單一技術(shù)的局限性，進(jìn)一步研究TES影響運動控制能力的腦機(jī)制，為推動TES在生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，以及競技體育成績的提高作出更大的貢獻(xiàn)。