淺談非入侵式腦刺激技術對人體運動表現影響的研究進展

非入侵式腦刺激（non-invasive brain stimulation，NIBS）技術作為一類非藥物治療手段，逐漸受到關注，其可以通過調節大腦皮層神經的興奮性來增強大腦與肌肉的連接，從而提升人體的運動能力。經顱電刺激（transcranial electrical stimulation，TES）作為最常見的一種非侵入性腦刺激，當前已經被廣泛應用于醫療、體育和軍事中，其通過調節神經遞質、靜息膜電位，以及電刺激作用初級運動皮層、背外側前額葉皮質提高運動表現，以神經調控技術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之間的關系。近年來，大量文獻表明經顱電刺激對于運動成績的提升具有良好效果。尤其是重復經顱磁刺激、經顱直流電刺激在提升運動成績方面取得顯著效果。本文通過回顧經顱電刺激對運動表現影響的相關文獻，闡述其作用機制及效果，為運動成績的提升提供科學依據，并對經顱電刺激應待解決的技術問題與未來研究方向進行展望。

近年來，非侵入性腦刺激（non-invasive brain stimulation，NIBS）技術，作為一類非藥物治療手段，逐漸受到關注，經顱電刺激（transcranial electrical stimulation，TES）是一項運用廣泛的非入侵式腦刺激技術，其可以通過調節大腦皮層神經的興奮性來增強大腦與肌肉的連接，從而提升人體的運動能力。TES主要包括經顱直流電刺激，（transcranial direct current stimulation，tDCS）、經顱交流電刺激（transcranial AC stimulation，tACS）和經顱隨機電刺激（transcranial random electrical stimulation，tRNS）。tDCS是當前最常見的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）改變大腦神經元活性。在神經元水平，tDCS對皮質興奮性調節的基本機制是依據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制。而tRNS通過0.1-640Hz頻率范圍之間隨機波動的電流作用于大腦的某一區域。當前隨著腦神經調控技術的進一步發展，神經科學與人體運動表現聯系愈發緊密，TES已經被廣泛應用于提升運動表現中，通過神經調控技術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之間的關系，了解運動技能形成與熟練的機理，并將TES技術廣泛應用到生命科學當中是當前發展的趨勢。

1 經顱電刺激概述

1.1 電流強度

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

1.2 作用時間

研究發現，tDCS刺激的作用時間是可以提升人體的運動表現。Cabral等人對12名習慣用右手的受試者，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，發現在訓練前進行一段時間的tDCS可以顯著增強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，在訓練之前、期間和之后，不同的時間節點對被試M1區施加陽極tDCS后發現：與tDCS作用前和安慰組相比，在運動表現測試前對受試者進行tDCS可以改變皮質脊髓的興奮狀態。該研究表明在測試前進行tDCS刺激可以增強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，以往研究調查了刺激區域（運動皮層、小腦和其他皮層區）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對運動表現的影響

2.1 經顱直流電刺激在競技體育中的運用

2013年，Davis創造了“神經興奮劑”一詞，它代表了使用先進技術來增強運動員的身心能力，運動表現的提升，證明了TES可以影響運動學習、肌肉力量、疲勞甚至處理速度等因素。Kamali等研究發現，同時在M1和脊髓上進行陽極管tDCS可以幫助職業拳擊手提高整體表現。Colzato等研究發現，tDCS在改善肌肉表現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，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，并延緩身體機能水平下降。tDCS可增加突觸可塑性，增強運動前區、運動區及感覺運動區的功能性連接，tDCS能夠促進運動技能學習，提高練習效益和提升運動表現水平。運動技能的學習和適應與腦網絡的功能和結構有關，尤其與M1、小腦、輔助運動皮層（SMA區）、DLPFC等腦區關系密切。除了對肌肉疲勞的有益影響外，最近的一項研究表明，tDCS通過對左背側額葉前皮層的刺激程序對隱性運動學習有增強作用。

執行動作的時間，并準確地執行在幾乎所有體育模式中都很重要。專注于運動學習時間方面的研究數量仍然很少，但有一些證據表明tDCS對運動定時有益的影響。Arias等發現刺激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現，tDCS可以提高鍛煉效果還可以減少神經肌肉的疲勞。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等則發現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顯著提高，而生理和感知變量沒有變化。

2.2 經顱直流電刺激對視覺搜索能力和認知的影響

在美國軍隊的一項研究中發現，tDCS可以提高飛行員的警惕性和目標檢測在每位參與者都接受了90分鐘的任務準備培訓和tDCS課程后，安慰組相比，陽極tDCS使視覺搜索任務的準確性提高了約25%，證實了tDCS可以提高運動表現中的視覺搜索能力。

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

2.3 經顱直流電刺激對人體運動表現的影響

以往提高人體運動控制能力的方法主要集中在通過干預訓練改造骨骼肌系統功能來達到增強運動控制能力的目的。但在tDCS中，神經系統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訓練來提高運動表現能力，近年來，教練員和研究員則更多地關注神經系統干預對人體運動表現的影響。運動皮層（M1）通常是刺激的目標，因為它在維持運動神經元中的神經驅動，從而通過補償中心疲勞來提高性能，tDCS的應用不僅限于運動皮層，刺激的替代目標是背外側前額葉皮層（DLPFC）。有研究表明，前額葉皮層可以在疲勞相關的反饋中發揮作用，前額葉皮質氧合的減少。導致疲憊時長，從而提高受試者的運動表現。

3 經顱電刺激對運動影響的作用機制

3.1 經顱直流電刺激作用初級運動皮層、背外側前額葉皮質提高運動表現

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

3.2 經顱直流電刺激通過調節神經遞質提高運動表現

tDCS在運動康復和運動學習中的機制，tDCS有兩個相關機制支持其在運動康復中的使用：神經元興奮性和可塑性的調節，Furuya等研究發現，在運動訓練休息期間進行刺激時，tDCS無法改善精細的運動控制。運動控制是指神經系統結構實現理想協調運動的過程，而運動皮層投影與脊髓內的運動電路密切相關，運動學習依賴于運動皮層來學習新的運動，預測或調整所需的動作，運動皮層學習相關可塑性涉及突觸強度和樹突脊柱生長。這些修飾的穩定涉及細胞內信號轉導級聯、神經元蛋白質合成和神經網絡，tDCS通過刺激視覺皮層可以改善視覺運動協調任務的性能，包括動態、高分辨率感知和移動目標預定的運動選擇，在動作初學階段作用于視覺皮層還能提高視覺運動協調能力，當采用2mA陽極電流刺激高水平運動員左背外側前額葉皮層，運動員的認知表現和情緒方面得到改善，可以幫助運動員獲得潛在的競爭優勢。tDCS可能是通過增加半球間同步性，來提高運動表現的基礎有助于提高職業賽艇運動員的運動表現。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束后15min和45min在跑步機上行走，同時采集下肢運動學和動力學數據，結果顯示：tDCS 提高了健康受試者慢速行走期間的正功輸出，而且雙側tDCS的效果（增加4.4%）比單側 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，根據電極極性調節神經元的興奮性。陽極刺激電流進入組織誘發興奮效應，陰極刺激電流退出組織誘導抑制效應。陽極刺激會增加神經元的發射率和細胞內Ca+2濃度，這可能與長期增強機制有關。雖然tDCS生物物理效應調節了神經元膜極化，但tDCS是否有利于運動學習，促進康復和運動表現還需要進一步研究。

3.3 經顱交流電刺激通過調節靜息膜電位提高運動表現

tACS的作用機制是神經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節大腦振蕩，通常以與tDCS相當的刺激強度和持續時間以及腦電頻譜內的振蕩頻率（通常在1至100赫茲之間）下應用。tES調節運動功能，通過tACS以特定頻率的方式調節大腦振蕩可能與研究運動過程的神經生理學基礎有關。研究表明，tACS主要通過引入正在進行的大腦振蕩或同步神經元網絡來起作用，從而改變大腦活動。目前的實驗研究中選擇的刺激腦區多為M1，認為通過提升M1興奮性，可增加皮質脊髓通路的輸出量，延緩脊髓上段的疲勞，進而提升人體延緩肌肉疲勞的能力。有研究發現，tACS作用于背外側前額葉皮質可以提高專業手槍射擊運動員的表現準確性。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知與學習能力等方面起著關鍵作用。多項研究表明，通過和神經反饋進行神經傳入可以加快運動技能的學習，并促進運動序列學習，以促進比賽期間的最佳表現。

4 結語與展望

近年來，tES對運動控制能力的影響受到廣泛關注，尤其是tDCS和tACS。目前，tDCS相關研究數量較多，而tACS的相關研究也呈現明顯上升趨勢。現有的大量研究表明，通過TES刺激大腦可以加快運動學習速度，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可促進人體運動控制能力，但也有個別的研究結果顯示TES未能提高人體運動控制能力。展望未來，可結合腦電生理技術和腦成像技術觀察TES對腦功能響，并結合運動控制能力的評價指標，分析運動控制變化與腦功能之間的關系，并進一步揭示TES影響運動控制能力的腦機制。然而，對于施加的給定電流，每個大腦區域經歷的電場 （V/m） 因此通常是未知的，但識別TES的劑量反應需要準確靶向和控制跨個體應用的有效劑量，身體、生理和心理作為影響運動表現的3個重要因素，只有更加準確的作用相應部位，才能起到更好的效果。當前有研究比較了TES植入電極的患者的顱內電流和同一患者的電流模型，已經實現個體化的劑量控制。當前研究還應注意以下問題：（1）當前研究是否具有可重復性，目前還缺乏相關研究來認證。（2）早期的一些研究已經證實TES在增強運動績效指標方面有效，包括縮短視覺、聽覺和觸摸刺激的反應時間，減少震顫和提高復雜運動技能的獲得能力，未來的研究還應考慮參與者致盲的完整性，增加實驗數據的說服力。（3）當前對TES影響更多的在醫療和康復領域，在改善運動表現方面的研究還處在探索階段，應用中還存在樣本量小，無法確定刺激的最佳參數等問題，在應用中如何更加精準確定刺激部位，以及不同刺激區域和刺激參數的調整，還需要借助多種影像學技術，并結合運動控制能力的評價指標進一步來確定最佳的影響方案。（4）鑒于當前不同的TES對運動表現改善的機制存在差異，是否可以將不同的方式進行整合，通過分析運動控制變化與腦功能之間的關系，克服單一技術的局限性，進一步研究TES影響運動控制能力的腦機制，為推動TES在生命科學領域的發展，以及競技體育成績的提高作出更大的貢獻。