經顱直流電刺激對反應能力的影響綜述

徐思佳

摘 要：完美的運動表現離不開機體良好的反應認知功能，經顱直流電刺激作為一種先進的干預手段可以通過調節大腦皮層興奮性、增加突觸可塑性影響認知能力。因此探究經顱直流電刺激對反應認知能力的影響尤為重要。通過搜集國內外相關文獻進行系統回顧、歸納，研究旨在總結經顱直流電刺激的科學原理、特點、并重點探討經顱直流電刺激反應認知能力的影響，用于探尋更多提高反應認知能力的方法，為探討運動經顱直流電刺激改善反應認知能力提供新方法和新視角。

關鍵詞：經顱直流電刺激;認知

良好的反應認知能力是取得優異運動成績的先決條件，在一定程度上決定運動員的競技能力，尤其是短跑、擊劍以及乒乓球、羽毛球、籃球、排球等球類項目，都需要較強的反應認知能力。因此，充分挖掘運動員反應能力的潛能是提升運動表現和競技能力的迫切需要。但是單純傳統抗阻訓練對于反應認知能力的提升有限，因此需要運用科技助力的手段充分挖掘。近幾年，腦科學在體育領域應用及研究較為廣泛，經顱直流電刺激作為國際上先進的腦科學新手段，它在運動認知領域的應用成為全球研究的熱點。經顱直流電刺激最早應用于神經與康復領域，此后作為一項新興技術在競技體育領域成為研究熱點，國外對此技術應用于體育領域的研究早于國內，且已經初步形成一定研究成果。本研究對經顱直流電刺激在運動能力和反應認知領域的應用進行綜述。

1經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）

tDCS是一種非侵入性的、利用恒定、低強度電流（0-2mA）調節大腦皮層神經元活動的技術，其基本機制有以下幾點：第一是在皮層附近放置陽極電極刺激（anodal tDCS，a-tDCS）導致神經元膜電位去極化，增加神經興奮性和可塑性，而放置陰極電極刺激（cathodal tDCS，c-tDCS）使神經元膜電位超極化從而產生相反的結果;第二是可以引起突觸可塑性，造成長時程抑制（LDP）或長時程增強（LTP）的效果;除了改變大腦皮層興奮性和增加突觸可塑性之外，國內卞秀玲等人[1]還總結了tDCS其他兩個作用機制，分別是改變局部腦血流和調節局部皮層和大腦網絡連接。tDCS技術由于其便攜、使用簡單、安全、耐受性好和經濟性的原因受到廣泛關注，多種參數影響tDCS的效果，如刺激區域、刺激電流大小、刺激時間和刺激極性等。

2 認知以及認知的測試方法

認知是認識過程的產物，是指人腦加工、存儲和提取信息的能力，是人們獲得或應用知識或對加工外界信息刺激的過程，簡單來說，即我們一般所講的智力，如觀察力、記憶力、想象力等。認知能力與認識過程包括對客觀事物的感知（感覺、知覺）、思維（想象、聯想、思考）密切相關，作為信息加工認知心理學的用語，指個體接受、編碼、貯存、提取和使用信息的過程）、記憶系統（信息編碼、貯存和提取）、控制系統（監督執行決定）、反應系統（控制信息輸出）等4種成分構成的模式。科學合理的認知功能的測試方法是探究認知能力的關鍵一步，常見的認知功能測試方法有心理測試、近紅外光譜腦成像技術以及腦電技術等。

3 經顱直流電刺激對反應認知能力的影響

tDCS作為一種非侵入性的調節大腦皮層神經元活動的技術為認知功能研究提供一種新的檢測手段。經顱直流電刺激作為先進的干預手段，是一種非侵入性技術，利用恒定、低強度電流（0-2mA）調節大腦皮層神經元活動，造成長時程抑制（LDP）或長時程增強（LTP）的效果，從而改變大腦皮層興奮性和增加突觸可塑性，tDCS其他兩個作用機制分別是改變局部腦血流和調節局部皮層與大腦網絡連接。經顱直流電刺激最早應用于神經與康復領域，而后由于其便攜、使用簡單、安全、耐受性好和經濟性等優點受到廣泛關注成為競技運動方面的研究熱點。近幾年，腦科學研究成為體育領域應用的熱點，已有研究結果顯示，tDCS可以對力量、疲勞感受閾值、神經肌肉疲勞等方面有增強和改善作用。以下專門針對經顱直流電刺激對反應認知能力的影響展開探討。

Laura Dubreuil-Valla[2]等人研究發現與針對右側DLPFC的假或陽極 tDCS 后的非顯著變化相比，針對左側DLPFC的陽極tDCS會導致不一致試驗中的反應時間顯著降低，盡管準確性在統計學上沒有顯著變化，但仍然值得肯定和注意的是，tDCS對反應時間和準確性的影響之間沒有權衡，即左側刺激后反應時間得到顯著降低，但不以犧牲準確性為代價。

Sarah Garcia[3]等人研究發現LDLPFC的陽極和陰極刺激會減少自我報告的焦慮，陽極刺激尤其是可以增強焦慮等級較高的人的執行功能。

此外在軍事領域的應用發現陽極tDCS顯著提高了參與者的信息處理能力。比如J. Nelson等人為了探究tDCS對在高認知負荷環境中的認知能力，展開了針對經顱直流電刺激對多任務處理能力的影響研究，發現與假tDCS相比，陽極tDCS顯著提高了參與者的信息處理能力，從而提高了反應認知性能。例如，假tDCS組的多任務吞吐能力在較高的波特輸入（2.0位/ s）時接近1.0位/秒，而陽極tDCS組接近1.3位/秒。這個研究結果為證明tDCS具有增強操作員多任務處理能力提供了新的證據，為了進一步研究確定經顱直流電刺激對多任務處理性能的增強作用提供重要依據，此后在外科手術中，利用經顱直流電刺激增強腹腔鏡技術技能培訓，或者是增強了手術技能的學習等逐漸成為一種趨勢。并且tDCS和fNIRS的結合正在成為一種研究神經調節及其對皮層功能影響的日益流行和有希望的技術。Brian A[4]等人研究發現利用經顱直流電刺激可以增強健康成年人的注意力，學習能力和3種記憶力。

tDCS可能對運動抑制學習過程具有長期調節作用，分析顯示陽極tDCS對提高認知任務的反應時間和準確性有很小的顯著影響，通常，參與者在主動刺激后反應更快、更準確。

在Josefien Dedoncker[5]等人對188項試驗的評估表明，在健康參與者和神經精神病患者的樣本中，陽極與假tDCS顯著縮短了響應時間并提高了準確性，特別是對于執行功能任務，薈萃分析中包含的研究中使用的認知任務分為三類：記憶、注意力和執行功能。這種分類的目的是試圖減少數據的異質性并減少錯誤。陽極與假tDCS影響了所有三個類別的認知任務的反應時間和準確性。更具體的分析表明，陽極tDCS僅在執行功能任務中降低了反應時間并增加了正確反應的百分比。在其他兩個認知任務類別（注意力和記憶力）中，認知功能不受陽極tDCS的影響。

Marian E與Berryhill[6]等人單次陽極tDCS在健康和神經精神病學人群中最常應用于DLPFC的認知影響。在健康人群中，認知任務通常在刺激期間“在線”進行。在臨床人群中，情況不太一致。使用的各種研究方法使這些發現難以概括。 保守地說，單個陽極tDCS會話可以適度和暫時地有益于認知表現。新出現的結果表明，參與者之間存在不同的行為影響模式，因此部分參與者可能表現出認知益處，而其他參與者則沒有任何影響或損害。

根據Josefien Dedoncker[8]等人的薈萃分析研究發現健康參與者在針對DLPFC區域的單次a-tDCS 后對認知任務的反應明顯更快，但不是更準確。然而，其他薈萃分析顯示了提高準確性的趨勢，或者顯示 a-tDCS 對認知沒有影響。對于這一現象，一些方法學上的差異可以解釋這些不一致的發現。

Maike Splittgerber[7]指出應用于左背外側前額葉皮層的陽極經顱直流電刺激可以對工作記憶（WM）表現和相關的神經生理活動產生顯著影響。然而，先前研究的結果不一致，有時甚至相互矛盾。這種不一致可能都可以歸因于實驗過程中的方法和個體差異。

4總結與展望

運動與腦科學是21世紀運動科學研究的重點方向之一，本研究將經顱直流電刺激對反應認知能力的影響的期刊文獻進行綜述。雖然tDCS作為一項新興的科技應用到體育領域的時間不長，但是在運動認知領域中的價值可見一斑。比如針對DLPFC區域的陽極tDCS可以有效提升提高受試者的反應正確率或者是降低反應時間，并且有效提高對多任務處理的能力，以及改善情緒和緩解焦慮等。

但是目前國內外研究對單次tDCS是否可以提高受試者的反應認知能力有著不同的實驗結果，且雖然他們已經對相關刺激參數（如刺激區域、刺激強度、刺激時間）有了相對的統一，但還存在著研究對象范圍單一，較少考慮受試者的個體差異性（解剖變異、局部回路的組織、基礎功能水平、心理狀態、神經遞質水平和受體敏感性、基線神經生理狀態和遺傳學）等方面問題。因為研究結果不一，這仍然需要更多的研究來驗證。特別是需要采用更多不同tDCS參數（如刺激區域、刺激強度、刺激時間等）設置。此外，除了考慮陽極電極放置位置還要注意返回電極的位置，因為即使將陽極電極放置在相同的解剖位置上，返回電極位置的變化也可能引起電流路徑或電流密度集中的變化，從而影響tDCS的可能效果[8]。個體差異性也是不容忽視的因素。有研究總結了與tDCS反應個體間差異相關的幾個因素，包括解剖變異、局部回路的組織、基礎功能水平、心理狀態、神經遞質水平和受體敏感性、基線神經生理狀態和遺傳學等方面[9-11]。

因此未來的研究在注重tDCS對不同反應認知能力影響的同時還需要注意tDCS參數差異和個體差異，這都可能會導致不同的實驗結果。

參考文獻

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[5]Dedoncker J， Brunoni AR， Baeken C， Vanderhasselt MA. A Systematic Review and Meta-Analysis of the Effects of Transcranial Direct Current Stimulation （tDCS） Over the Dorsolateral Prefrontal Co反應時間ex in Healthy and Neuropsychiatric Samples： Influence of Stimulation Parameters. Brain Stimul. 2016 Jul-Aug;9（4）：501-17. doi： 10.1016/j.brs.2016.04.006. Epub 2016 Apr 12. PMID： 27160468.

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[8]BIKSON M， DATTA A， RAHMAN A. Electrode montages for tDCS and weak transcranial electrical stimulation： Role of “return” electrode’s position and size [J]. Clinical Neurophysiology， 2010， 121（12）：

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課題信息：本文系江蘇省研究生科研與實踐創新計劃資助，編號： SJCX21_0898