無創(chuàng)傷腦部刺激技術(shù)緩解運(yùn)動疲勞的機(jī)制與應(yīng)用

劉嘉雯

中圖分類號：G804.5? ?文獻(xiàn)標(biāo)識：A? ? ?文章編號：1009-9328（2022）06-256-02

摘? 要? 經(jīng)顱直流電刺激（transcranial Direct Current Stimulation，tDCS）是一種無創(chuàng)傷腦部刺激技術(shù)，可以增強(qiáng)大腦神經(jīng)興奮性進(jìn)而引起大腦功能性改變。為了研究因該技術(shù)刺激引起的腦部功能性變化對緩解運(yùn)動疲勞的積極影響，更好地在運(yùn)動實(shí)踐中進(jìn)行運(yùn)用，本研究對收集了近20年國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)全面的歸納總結(jié)，梳理經(jīng)顱直流電刺激緩解運(yùn)動疲勞的作用機(jī)制。結(jié)果表明：tDCS刺激對在恒定負(fù)荷有氧耐力訓(xùn)練運(yùn)動疲勞感是降低的;tDCS主要通過增加運(yùn)動單位的募集數(shù)量和神經(jīng)肌肉的抑制效應(yīng)來緩解運(yùn)動員的神經(jīng)疲勞;a-tDCS對提高反應(yīng)時(shí)間以及緩解受疲勞負(fù)面影響的情緒具有良好效果;tDCS是MS相關(guān)疲勞的潛在治療方法;緩解疲勞途徑中tDCS比咖啡因在促進(jìn)清醒緩解疲勞方面作用更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞? 經(jīng)顱直流電刺激（tDCS）? 運(yùn)動疲勞? 緩解機(jī)制

隨著競技體育發(fā)展，運(yùn)動員的競技體育成績越來越受到大眾的關(guān)注。因此教練員和運(yùn)動員都要盡可能優(yōu)化訓(xùn)練方法和提高競技能力，在日常訓(xùn)練中遵從較高強(qiáng)度的訓(xùn)練。而這些訓(xùn)練通常會改變身體的機(jī)能，機(jī)能一旦改變也會導(dǎo)致身體疲勞的產(chǎn)生，從而會存在對運(yùn)動成績起到反作用潛在危害。因此抗疲勞性是維持重復(fù)運(yùn)動模式的限制因素之一，有效延緩疲勞產(chǎn)生的能量資源會促使運(yùn)動表現(xiàn)得到進(jìn)一步的提高。

就緩解疲勞這一途徑而言，前人有熱水浴和溫水浴和超低溫冷療恢復(fù)法、中醫(yī)法、營養(yǎng)補(bǔ)充法及心理療法等物理療法，但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這些方法的效果并不顯著。隨著侵入性腦刺激出現(xiàn)在人們的視野并被廣泛用于神經(jīng)科學(xué)研究中，它是一種能夠誘導(dǎo)給定的某大腦區(qū)域網(wǎng)絡(luò)活動的變化來研究其在特定運(yùn)動、認(rèn)知或感知過程的技術(shù)。tDCS作為NIBS的一種，它既能作為在專業(yè)運(yùn)動環(huán)境中以大腦為中心恢復(fù)機(jī)體疲勞策略之一，又能持續(xù)施加一部分電流進(jìn)入顱骨并調(diào)節(jié)大腦興奮性且不產(chǎn)生動作電位，也能夠通過誘導(dǎo)神經(jīng)元的極化從而調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)元靜息膜電位。因此，tDCS緩解運(yùn)動疲勞有著明顯效果。迄今為止tDCS可能改善身體機(jī)能機(jī)制的研究數(shù)量是有限的，在很大程度上是未知的?？梢娞骄縯DCS緩解運(yùn)動疲勞的機(jī)制與應(yīng)用，結(jié)合科學(xué)的運(yùn)動訓(xùn)練用于增強(qiáng)健康個體的身體和培養(yǎng)優(yōu)秀體育后備人才是非常有意義的。

一、經(jīng)顱直流電刺激相關(guān)概念

tDCS是一種利用陰陽極片貼在腦部特定部位上，再以恒定的微直流電（1.0-2.0mA）去誘導(dǎo)大腦神經(jīng)可塑性和調(diào)節(jié)皮質(zhì)興奮性的非侵入性技術(shù)。使用tDCS時(shí)通常將一對海綿墊浸泡約6ml鹽水溶液，以1-2mA的直流電刺激目標(biāo)部位約20分鐘，錐體神經(jīng)元的胞體、軸突末端、突觸和樹突都是tDCS所刺激的細(xì)胞目標(biāo)。tDCS作為大腦特定研究活動區(qū)域的興奮劑或抑制劑，將陽極電極放置在刺激目標(biāo)靶點(diǎn)上是能夠增加大腦神經(jīng)元的興奮性和可塑性，而陰極卻會誘導(dǎo)相反的效果。tDCS調(diào)節(jié)運(yùn)動皮層興奮性的初步研究表明大腦皮質(zhì)興奮性可以在tDCS刺激停止后依然持續(xù)存在，并且這種效應(yīng)會通過增加強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的變化進(jìn)而發(fā)生調(diào)節(jié)。研究表明13分鐘連續(xù)刺激的后效可持續(xù)長達(dá)90分鐘[1]。電極的放置和配置不同會使結(jié)果存在差異甚至相反。前人提供了迄今為止最有力的臨床證據(jù)，表明刺激的相對位置會影響每個電極下的神經(jīng)調(diào)節(jié)，此外增加電極距離可能會降低神經(jīng)調(diào)節(jié)的幅度[2]。

二、運(yùn)動疲勞相關(guān)概念

國內(nèi)認(rèn)為運(yùn)動疲勞是一種表現(xiàn)出通過活動導(dǎo)致機(jī)體能消耗能源物質(zhì)、機(jī)能調(diào)節(jié)紊亂和代謝異常、機(jī)體在運(yùn)動過程中生理上不能繼續(xù)維持運(yùn)動進(jìn)行、不能維持在一定的足夠水平上，或不能持續(xù)穩(wěn)定達(dá)到預(yù)先的運(yùn)動強(qiáng)度。國外學(xué)者認(rèn)為運(yùn)動疲勞是指在長時(shí)間內(nèi)進(jìn)行竭盡運(yùn)動或身體要求很高的任務(wù)時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象、缺少在力量失敗之前增加的努力感和性能的嚴(yán)重?fù)p害。疲勞可能會損害運(yùn)動員的認(rèn)知處理，從而降低他們在需要快速決策時(shí)控制運(yùn)動的能力且隨著運(yùn)動員進(jìn)入到疲憊階段，決策對髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)力學(xué)的影響變得更加明顯。

三、tDCS的作用機(jī)制

tDCS的作用機(jī)制是什么？這仍然是一個懸而未決的問題?，F(xiàn)有說法總結(jié)為四個方面：tDCS能改變大腦皮質(zhì)的興奮性、增加突觸的可塑性、改變局部腦血流和調(diào)節(jié)局部皮層和大腦網(wǎng)絡(luò)連接等方式等調(diào)節(jié)功能。

（一）改變大腦皮質(zhì)的興奮性

經(jīng)顱直流電刺激通過改變刺激大腦區(qū)域神經(jīng)元的靜息膜電位，調(diào)節(jié)大腦皮層興奮性。a-tDCS促使大腦神經(jīng)元靜息膜電位走向去極化，而c-tDCS推動了大腦神經(jīng)元靜息膜電位走向超極化，即經(jīng)顱直流電刺激可以引起長期持久的后效應(yīng)，而靜息膜電位的變化是短暫的。

（二）增加突觸的可塑性

一方面，急性效應(yīng)是由膜極化引起的，對神經(jīng)遞質(zhì)釋放、尖峰時(shí)間和尖峰時(shí)間依賴性可塑性具有主要的影響;另一方面，突觸可塑性與刺激強(qiáng)度和頻率有極強(qiáng)的相關(guān)性。短期和長期的治療效果可能誘導(dǎo)神經(jīng)發(fā)生和皮質(zhì)重組，進(jìn)而產(chǎn)生長時(shí)間抑制或增強(qiáng)作用。N-甲基-D-天冬氨酸受體依賴LTP可以通過陽極刺激進(jìn)行調(diào)節(jié)，谷氨酸能活性的調(diào)節(jié)也有助于陰極刺激產(chǎn)生后效應(yīng)，這就是tDCS可以產(chǎn)生后效應(yīng)的原因。

（三）改變局部腦血流

在刺激期間增加刺激皮質(zhì)興奮性的陽極會增加與L-DLPFC結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的大腦網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的血流灌注，而初級運(yùn)動皮層區(qū)的rCBF在陰極刺激下顯著減少，這與陰極刺激下MEP振幅的降低相關(guān)。

（四）調(diào)節(jié)局部皮層和大腦網(wǎng)絡(luò)連接

大腦皮質(zhì)內(nèi)和皮質(zhì)間的連接有初級運(yùn)動皮層（M1）、前額葉皮層（PFC）、島葉皮層（IC）和輔助運(yùn)動區(qū)（SMA），M1區(qū)是與運(yùn)動表現(xiàn)最相關(guān)的區(qū)域。陽極刺激M1區(qū)通過增強(qiáng)機(jī)體內(nèi)運(yùn)動和協(xié)調(diào)相關(guān)區(qū)域功能的連接，從而減少枕葉額葉耦合并增加運(yùn)動相關(guān)同步性所引起大腦左右半球間連接變化，進(jìn)一步證明了tDCS是具有可誘發(fā)腦功能的連接作用。

四、tDCS在疲勞中的應(yīng)用

神經(jīng)肌肉疲勞是由于中樞和外周因素引起的。雖然與肌肉本身相關(guān)的外周疲勞是人們通常熟悉的一個因素，但中樞神經(jīng)系統(tǒng)在運(yùn)動期間不能最大限度地驅(qū)動肌肉，中樞疲勞也可能在運(yùn)動訓(xùn)練中發(fā)揮重要作用。tDCS能通過使刺激通過運(yùn)動皮層傳遞緩解疲勞，并且陽極刺激能提高大腦皮質(zhì)興奮性的同時(shí)也能達(dá)到減解疲勞，還使運(yùn)動耐受時(shí)間延長了將近15%。不難看出在體育運(yùn)動中發(fā)生疲勞時(shí)，可以在很大程度上緩解疲勞，預(yù)防運(yùn)動訓(xùn)練期間損傷的發(fā)生。

國內(nèi)外學(xué)者在對何種方式對疲勞緩解更有效果這一問題上進(jìn)行探究，他們將tDCS與咖啡因這兩種途徑相比較，得出tDCS對提高初級運(yùn)動員反應(yīng)時(shí)間以及緩解受疲勞負(fù)面影響的情緒等方面有明顯改善作用且在促進(jìn)清醒方面比咖啡因作用更強(qiáng)。陽極刺激在大腦皮層運(yùn)動區(qū)和前運(yùn)動區(qū)對運(yùn)動員在次最大強(qiáng)度肌肉耐力訓(xùn)練的后期、恒定負(fù)荷有氧耐力訓(xùn)練、最大速度沖刺訓(xùn)練的疲勞感是明顯降低的，而對于降低其他運(yùn)動方式，如肌肉耐力、高強(qiáng)度無氧耐力的疲勞感是沒有明顯效果的;作者也進(jìn)一步研究tDCS在運(yùn)動員恢復(fù)中的效果，通過與神經(jīng)肌肉電刺激技術(shù)（NMES）比較得出，tDCS主要針對刺激深度從而達(dá)到神經(jīng)肌肉鎮(zhèn)痛效果;tDCS應(yīng)用于運(yùn)動員疲勞恢復(fù)主要通過增加運(yùn)動單位的募集數(shù)量和神經(jīng)肌肉的抑制效應(yīng)來舒緩運(yùn)動員的神經(jīng)疲勞[3]。

足球比賽會導(dǎo)致心理生理指標(biāo)出現(xiàn)短暫的紊亂，賽間的休息時(shí)間不足可能是受傷的一個重要風(fēng)險(xiǎn)因素，賽后疲勞會導(dǎo)致球員自我疲勞感和痛苦感增加與此同時(shí)降低培訓(xùn)警覺性和動機(jī)。因此，監(jiān)測恢復(fù)和使用促進(jìn)恢復(fù)的干預(yù)措施得到了足球研究人員和從業(yè)者的高度重視。運(yùn)動員在快速重復(fù)運(yùn)動下易感疲勞，借助假對照、雙盲、交叉研究將陽極刺激和假刺激應(yīng)用于雙側(cè)M1腿部區(qū)域，同時(shí)對參與者的四肢上下部進(jìn)行20秒敲擊，表明tDCS能夠在人們進(jìn)行快速重復(fù)運(yùn)動期間減少運(yùn)動疲勞感;也可以將tDCS結(jié)合康復(fù)訓(xùn)練課程改善運(yùn)動員賽后的幸福感和自我疲勞感。在對初級運(yùn)動皮層（M1）和800米游泳表現(xiàn)測試后應(yīng)用tDCS后，只有刺激左DLPFC的肛門可減少50米游泳表現(xiàn)中精神疲勞的不良反應(yīng);左側(cè)DLPFC上用陽極刺激，在右側(cè)DLPF上用陰極刺激，可以增加活力并減少感知疲勞和肌肉張力。

對患有慢性疲勞的患者施加一周的以2mA的恒定電流持續(xù)20分鐘tDCS能夠緩解疼痛和疲勞;殷可意、劉宇得出tDCS可以改善人體運(yùn)動動機(jī)，減少肌肉疼痛，調(diào)節(jié)肌肉協(xié)同做功;刺激后神經(jīng)驅(qū)動增強(qiáng)、脊髓層級上疲勞感會隨之減少[4];男性精英弓箭運(yùn)動員中賽前約45分鐘，采用2mA電流的tDCS持續(xù)刺激參賽員20分鐘并在賽前15分鐘收集心理生理反應(yīng)，參照Brunel情緒量表和競爭狀態(tài)焦慮量表-2修訂版，得出DLPFC上的陽極是可以調(diào)節(jié)競爭性焦慮和壓力且可能有利于在競爭情況下提高運(yùn)動成績;通過一組刺激背外側(cè)前額葉皮層，一組使用左陽極刺激并進(jìn)行20分鐘的認(rèn)知訓(xùn)練配對，借助測量信息系統(tǒng)-疲勞簡表評估疲勞來評估結(jié)果得出tDCS是MS相關(guān)疲勞的潛在治療方法。這些都表明了tDCS可以改善與健康相關(guān)的主觀測量。

五、結(jié)語

迄今為止，根據(jù)現(xiàn)有證據(jù)表明經(jīng)顱直流電刺激可以被視為一種相對安全和便攜式的大腦活動調(diào)節(jié)技術(shù)。對于在緩解運(yùn)動疲勞中可以得出：tDCS對在恒定負(fù)荷有氧耐力訓(xùn)練和進(jìn)行快速重復(fù)運(yùn)動期間運(yùn)動疲勞感是降低的;tDCS主要通過增加運(yùn)動單位的募集數(shù)量和神經(jīng)肌肉的抑制效應(yīng)來緩解運(yùn)動員的神經(jīng)疲勞;a-tDCS對提高反應(yīng)時(shí)間以及緩解受疲勞負(fù)面影響的情緒具有良好效果;tDCS是MS相關(guān)疲勞的潛在治療方法;緩解疲勞途徑中，tDCS比咖啡因在促進(jìn)清醒、緩解疲勞方面作用更強(qiáng)。與其他基于tDCS的研究相比，確切針對tDCS刺激干預(yù)運(yùn)動疲勞領(lǐng)域的研究是仍處于起步階段，相關(guān)文獻(xiàn)相對較少。因此，現(xiàn)在還為時(shí)過早的結(jié)論是tDCS在緩解運(yùn)動疲勞方面通常是有效的，我們應(yīng)該對此技術(shù)進(jìn)行客觀評估存在有限的條件以及是否會對人們帶來負(fù)面影響。

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