經(jīng)顱直流電刺激在運動科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展

陳愷豪

摘要：經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一種非侵入性的新型科技手段，利用低強度的恒定電流（1～2 mA）來調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元活動的技術(shù)。由于其有效性、無創(chuàng)性、成本低且易于使用的特點，已經(jīng)有學(xué)者逐漸將其應(yīng)用于運動科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中并取得了一定的研究成果。本文希望通過檢索知網(wǎng)、維普、萬方和Web of Science數(shù)據(jù)庫中的國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，了解該技術(shù)在運動科學(xué)領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，旨在為今后該領(lǐng)域研究提供一定的參考。結(jié)果顯示：1）經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)因其特有的機制能夠有效地提升受試者的運動能力。2）現(xiàn)有研究主要集中在對肌肉力量、運動疲勞、平衡能力、反應(yīng)能力等外顯性運動表現(xiàn)的影響。3）對內(nèi)隱性運動認(rèn)知方面的研究較少且沒有合適的實驗指標(biāo)。4）“內(nèi)源性手段”經(jīng)顱直流電刺激和“外源性手段”運動訓(xùn)練的聯(lián)合訓(xùn)練方案對比單一訓(xùn)練手段能夠在更大程度上提升受試者的運動能力。

關(guān)鍵詞：經(jīng)顱直流電刺激；運動能力；運動表現(xiàn)；運動訓(xùn)練；

Research Progress in Application of Transcranial Direct Current Stimulation in Sports Science

Abstract：Transcranial Direct Current Stimulation （tDCS） is a novel noninvasive technique that regulates neuronal activity in the cerebral cortex by applying a low constant current （1～2 mA）. Due to its effectiveness， non-originality， low cost and ease of use， some scholars have gradually applied it to the field of sports science and achieved certain research results. This paper hopes to understand the current research status of this technology in the field of sports Science at home and abroad by searching relevant literature in CNKI， VIP， Wanfang Database and Web of Science database， in order to provide some reference for future research in this field.The results showed that： 1） Transcranial direct current stimulation technology could effectively improve the motor ability of subjects due to its unique mechanism. 2） The existing research mainly focuses on the influence of muscle strength， exercise fatigue， balance ability， reaction ability and other explicit sports performance. 3） There are few researches on implicit motor cognition and no appropriate experimental indicators. 4） The combined training program of "endogenous means" transcranial DC stimulation and "exogenous means" exercise training can improve the exercise ability of subjects to a greater extent compared with a single training means.

Key words： Transcranial Direct Current Stimulation; Athletic ability; Athletic performance; Sports training.

一直以來，提升運動員運動能力的主要手段是進(jìn)行身體練習(xí)，通過制定科學(xué)有效地身體訓(xùn)練計劃來提升運動員的運動能力。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，體育訓(xùn)練逐漸開始注重大腦訓(xùn)練，通過神經(jīng)調(diào)控來增強運動員的運動能力。

1 背景

早在幾十年前，經(jīng)顱神經(jīng)刺激技術(shù)就被科研人員所關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對tDCS的認(rèn)識也在不斷加深，由此tDCS被大范圍的應(yīng)用到臨床同時也取得了不少成果。隨著在康復(fù)領(lǐng)域中取得的成果，該技術(shù)也在不斷的完善和發(fā)展，有關(guān)tDCS的研究逐漸成為熱點。近年來，由于經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)可通過調(diào)節(jié)神經(jīng)功能提升運動能力而受到了運動科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注[1]。

2 經(jīng)顱直流電刺激的作用機制

2.1改變大腦皮質(zhì)興奮性

經(jīng)顱直流電刺激的方式有三種，既陽極刺激、陰極刺激和假刺激。Nitsche[2]等人指出，tDCS對皮質(zhì)興奮性調(diào)節(jié)的基本機制是依據(jù)刺激的極性不同引起靜息膜電位超極化或去極化的改變，陽極刺激通常能夠降低神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位的閾值，從而提高皮質(zhì)的興奮性；陰極刺激則是提高神經(jīng)元動作電位的閾值，從而抑制了皮質(zhì)的興奮性。

2.2突觸的可塑性

研究進(jìn)一步證實，tDCS除了能夠改變膜電位的極性外，還可以調(diào)節(jié)突觸的微環(huán)境，如改變N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartic acid， NMDA）受體或γ-氨基丁酸（GABA）的活性，從而起到調(diào)節(jié)突觸可塑性的作用[3]。突觸效能增強后提高神經(jīng)通路的信號傳導(dǎo)效率，進(jìn)而提高認(rèn)知功能，降低則相反[4]。

2.3腦區(qū)的功能連接

大腦是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)體系，不同的腦區(qū)位置來負(fù)責(zé)運動、認(rèn)識和記憶的產(chǎn)生，但各個腦區(qū)之間存在著緊密的聯(lián)系。以前對tDCS的研究多關(guān)注電極下的局部區(qū)域，隨著神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前越來越多的研究開始重視大腦皮質(zhì)內(nèi)及皮質(zhì)間的聯(lián)系[1]。國外學(xué)者通過腦電圖和功能性磁共振成像的研究印證了tDCS可誘發(fā)腦功能的連接作用[5]。

3 經(jīng)顱直流電刺激對運動能力的影響

3.1經(jīng)顱直流電刺激對肌肉力量的影響

長期進(jìn)行肌肉力量訓(xùn)練可以提高中樞神經(jīng)的興奮性、釋放更多的激素，促使運動中樞誘發(fā)更高頻率的同步化神經(jīng)沖動，募集到更多的運動單位參與肌肉運動收縮，表現(xiàn)出更大肌肉力量[6]。近年來，國內(nèi)許多學(xué)者對運動員下肢肌肉爆發(fā)力的研究較多，開始應(yīng)用tDCS干預(yù)手段來提升運動員的縱跳能力。國內(nèi)學(xué)者王瑋[7]等人選取了15位跳躍類國家二級運動員接受隨機交叉設(shè)計的陽極刺激和假刺激兩種實驗條件。分別在刺激前，刺激后即刻和刺激后30 min完成縱跳測試。研究結(jié)果表明，陽極tDCS可以提高縱跳運動表現(xiàn)，不僅增強了下肢力量及神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能，還促進(jìn)瞬時特征的變化。研究結(jié)果也證實了未來該技術(shù)在提升肌肉力量方面具有一定的潛力。

3.2經(jīng)顱直流電刺激對運動疲勞的影響

運動性疲勞是指由運動引起身體工作能力下降的現(xiàn)象[8]。由此可見，運動能力受到了運動疲勞的限制，如果能夠有效的延緩運動疲勞，對提升運動能力有極大地幫助。Cogiamanian[9]等人在2007年第一次運用tDCS對運動疲勞的影響研究中指出，經(jīng)過陽極tDCS后，肘關(guān)節(jié)等長收縮運動至疲勞的時間有顯著性改善。在后續(xù)的很多研究中證實了tDCS確有延緩運動疲勞的效果，能夠在一定程度上提升運動員的運動耐力表現(xiàn)，但目前研究主要是觀察受試者刺激后的外顯性指標(biāo)變化，并沒有對其產(chǎn)生的機制進(jìn)行研究。

3.3經(jīng)顱直流電刺激對平衡能力的影響

平衡能力是身體素質(zhì)的一種，是保持全身處于穩(wěn)定狀態(tài)的能力，如何提升運動員的平衡能力尤為重要，通常我們通過靜態(tài)的平衡活動和動態(tài)的平衡活動來發(fā)展平衡能力。有研究表明，動態(tài)的平衡活動與運動相關(guān)區(qū)域的腦改變之間存在著緊密的聯(lián)系。國內(nèi)學(xué)者肖松林[10]研究選取了14名健康男性大學(xué)生，采用隨機雙盲真/假刺激方案。結(jié)果顯示，tDCS刺激能夠改善單足閉眼站立平衡控制能力。

研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)顱直流電刺激能夠在在一定程度上提升人體的動態(tài)平衡能力，增強健康成年男性的姿勢控制表現(xiàn)。

3.4經(jīng)顱直流電刺激對反應(yīng)能力的影響

反應(yīng)能力是運動員的重要能力之一，是運動員能夠熟悉運用技術(shù)動作的基礎(chǔ)，研究人員通常將反應(yīng)時用來作為研究運動員反應(yīng)能力的指標(biāo)。國內(nèi)學(xué)者王慧慧[11]也對健康大學(xué)生的反應(yīng)抑制進(jìn)行了研究，受試者隨機接受真刺激和假刺激，在間隔7天時間進(jìn)行前后兩次停止信號任務(wù)，實驗結(jié)果表明陽極tDCS能夠使受試者的停止信號反應(yīng)時顯著縮短。

目前tDCS對反應(yīng)能力影響的研究通常采用的是單一刺激模式，且國內(nèi)學(xué)者對反應(yīng)能力的研究較少。建議未來研究可以考慮運用tDCS和運動訓(xùn)練聯(lián)合干預(yù)手段，將單一刺激、運動訓(xùn)練、刺激聯(lián)合運動訓(xùn)練等進(jìn)行分組對比研究。

3.5經(jīng)顱直流電刺激對運動感知覺的影響

運動感知覺一直以來是認(rèn)知心理學(xué)研究的重點，是運動員進(jìn)行各種體育活動所需的重要能力之一。有研究證實tDCS可以引起神經(jīng)心理學(xué)、生理心理學(xué)及刺激腦區(qū)相關(guān)的運動功能改變。Antal[12]等人研究選取了12名健康且視力正常的受試者進(jìn)行視覺運動跟蹤任務(wù)，通過應(yīng)用7分鐘陽極經(jīng)顱直流電刺激增加了初級運動和初級視覺皮層的興奮性，從而改善了受試者視覺運動知覺和運動表現(xiàn)。

目前，國外對運動感知覺的研究主要集中在視覺運動知覺，而國內(nèi)對運動感知覺的研究鮮有報道。

4 經(jīng)顱直流電刺激聯(lián)合運動訓(xùn)練手段的研究現(xiàn)狀

已有研究表明，經(jīng)顱直流電刺激和運動訓(xùn)練都有提升運動能力的作用且兩者的作用機制可能不同，基于這個思路，諸多學(xué)者開始將經(jīng)顱直流電刺激和運動訓(xùn)練相結(jié)合，對比研究單一干預(yù)方式與聯(lián)合干預(yù)對運動能力的影響，旨在探究tDCS聯(lián)合運動干預(yù)的應(yīng)用價值。國內(nèi)學(xué)者王寶峰[13]等人專門對tDCS聯(lián)合運動干預(yù)的文章進(jìn)行了歸納整理，研究啟示tDCS作為輔助手段聯(lián)合傳統(tǒng)訓(xùn)練/干預(yù)，能夠提高大腦皮層興奮性，增加肌肉激活程度，從而改善運動表現(xiàn)，未來有望在競技體育、運動康復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮比傳統(tǒng)運動訓(xùn)練/干預(yù)更優(yōu)的效果。

綜上所述，tDCS聯(lián)合運動干預(yù)相較于單一的干預(yù)模式對運動能力有更好的提升效果，這種聯(lián)合干預(yù)手段是未來一大趨勢。然而，目前對tDCS與運動訓(xùn)練聯(lián)合干預(yù)的研究還不夠深入，現(xiàn)有研究的實驗方案不夠清晰，tDCS的刺激方案和運動訓(xùn)練方案不夠統(tǒng)一，對其產(chǎn)生的機制研究也不夠深入。提示未來的研究可制定較為統(tǒng)一的刺激方案和運動訓(xùn)練方案，針對性結(jié)合專項運動或?qū)ｍ椖芰M(jìn)行實驗，深入探究“內(nèi)源性刺激”t DCS和“外源性刺激”運動訓(xùn)練所產(chǎn)生的作用機制，為了tDCS聯(lián)合運動干預(yù)手段能夠更好的應(yīng)用到運動科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中。

5 對運用經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)的思考

5.1運用經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)的安全性問題

近年來，在運用tDCS技術(shù)的過程中，發(fā)現(xiàn)該刺激技術(shù)也會給被試帶來一定的不良反應(yīng)，最常見的不良反應(yīng)就是輕微的癢感，但是存留的時間較短。提示在未來的研究過程中，應(yīng)要求所有參與者在進(jìn)行tDCS干預(yù)期間和之后完成一份問卷，為了評估副作用或不良反應(yīng)，以確定副作用的存在和嚴(yán)重程度，并在未來運用tDCS技術(shù)時對刺激參數(shù)的設(shè)定和刺激部位的選擇等方面更加嚴(yán)謹(jǐn)。

5.2運用經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)的倫理性問題

經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)運用在競技體育領(lǐng)域中是否會被定義為“興奮劑”這一倫理問題并未有權(quán)威機構(gòu)發(fā)布確切的消息。這一問題使得目前該技術(shù)在體育運動中的推廣和應(yīng)用受到了極大地限制。目前，一家美國公司Halo Neuroscience，其首款便攜式tDCS耳機Halo Sport被研發(fā)，該設(shè)備可以在運動場地中使用。這種便攜式耳機的出現(xiàn)說明了在未來運用這種外源性的手段來提升人體運動表現(xiàn)和運動員的競技能力是一大趨勢，大腦訓(xùn)練將會成為未來運動訓(xùn)練的主要手段之一，這也提示我們在不斷運用該技術(shù)的同時也要時刻關(guān)注該技術(shù)被應(yīng)用的倫理性問題。

6 總結(jié)與展望

6.1總結(jié)

隨著對tDCS技術(shù)的深入認(rèn)識以及臨床應(yīng)用研究的不斷增多，該技術(shù)逐漸在運動科學(xué)領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展，合理地運用經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)能夠有效提高運動員的運動能力。從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀上看，經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)已被證實能夠有效地增強運動員的肌肉力量、延緩運動疲勞、提升反應(yīng)能力和認(rèn)知功能，但通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外學(xué)者在運用tDCS技術(shù)進(jìn)行研究時仍存在一些需改進(jìn)的問題。（1）目前tDCS運用到運動科學(xué)領(lǐng)域的研究所選取的樣本量較少且特征單一。考慮到個體差異性以及群體多樣性，在有條件的情況下應(yīng)加大樣本量，豐富被試群體，增設(shè)不同實驗組別進(jìn)行對比研究（不同年齡、不同性別、不同專業(yè)水平）。（2）考慮到安全性問題，對實驗中刺激參數(shù)、刺激時間、刺激次數(shù)以及電極放置位置的把握需要更加嚴(yán)謹(jǐn)。同時，不同刺激參數(shù)下的對比性研究也很有必要，在今后的研究中實驗設(shè)計應(yīng)制定的更加細(xì)致，對tDCS進(jìn)行更深層次的探索和研究。（3）目前國內(nèi)外學(xué)者對tDCS的研究更多的是探究該技術(shù)的即時效果且將tDCS作為單一干預(yù)手段進(jìn)行研究。提示在未來可以深入探究該技術(shù)的長期干預(yù)效果以及聯(lián)合運動訓(xùn)練共同干預(yù)的效果。（4）國內(nèi)學(xué)者更多的是探究tDCS對運動員外顯性運動表現(xiàn)的影響，很少有人對運動員感知覺能力以及心理能力進(jìn)行研究。現(xiàn)如今已有研究證實tDCS可以引起神經(jīng)心理學(xué)、生理心理學(xué)及刺激腦區(qū)相關(guān)的運動功能改變，也已被作為治療抑郁癥的主要物理手段。未來我們可以借鑒tDCS技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的成果，將該技術(shù)運用到運動科學(xué)領(lǐng)域用于抑制運動員在體育訓(xùn)練及體育競賽中所產(chǎn)生的不良心理狀態(tài)。同時，可以借助fNIRS、fMRI、ERP等技術(shù)探究經(jīng)顱直流電刺激對受試者內(nèi)隱性運動認(rèn)知方面的影響。

6.2展望

近年來tDCS技術(shù)在運動科學(xué)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，證明了人們對腦神經(jīng)技術(shù)已經(jīng)有了更深層次的認(rèn)識。過去我們將身體訓(xùn)練作為提升人體運動能力的主要手段，未來我們可以將經(jīng)顱直流電刺激和運動訓(xùn)練相結(jié)合，因其機制的特殊性可能會更大程度地提升人體的運動能力，這預(yù)示著未來經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)可以作為提升運動員競技能力的新手段。我們可以看到未來該技術(shù)在運動科學(xué)領(lǐng)域還有很大的應(yīng)用空間，隨著研究的不斷深入，該技術(shù)也一定會在運動科學(xué)領(lǐng)域有新的進(jìn)展和突破。

參考文獻(xiàn)

卞秀玲，王雅娜，王開元，張燊，劉宇.經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)及其在提升運動表現(xiàn)中的應(yīng)用[J].體育科學(xué)，2018，38（05）：66-72.

Nitsche M A，Paulus W. Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation.[J]. The Journal of physiology，2000，527 Pt 3：633-639.

Stagg C J， Best J G， Stephenson M C， et al.Polarity-sensitive modulation of cortical neurotransmitters by trans-cranial stimulation[J].J Neurosci， 2009， 29（16）：5202-5206.

朱明預(yù)，余鳳瓊，張駿，汪凱.經(jīng)顱直流電刺激的研究進(jìn)展[J].中國神經(jīng)精神疾病雜志，2017，43（06）：382-385.

Polanía Rafael and Nitsche Michael A and Paulus Walter. Modulating functional connectivity patterns and topological functional organization of the human brain with trans-cranial direct current stimulation.[J]. Human brain mapping， 2011， 32（8） ： 1236-1249.

喬淇淇，王新，康靈，夏忠梁.經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)對運動表現(xiàn)影響的國外研究進(jìn)展[J].體育科學(xué)，2020，40（06）：83-95.

王瑋，朱志強，殷可意，宋林杰，姜祎凡，劉宇.經(jīng)顱直流電刺激對縱跳生物力學(xué)特征的影響[J].體育科學(xué)，2020，40（07）：57-64.

馮煒權(quán).運動性疲勞和恢復(fù)過程研究的新進(jìn)展[J].中國運動醫(yī)學(xué)雜志，1993（03）：161-164.

Cogiamanian F，Marceglia S，Ardolino G，Barbieri S，Priori A. Improved isometric force endurance after transcranial direct current stimulation over the human motor cortical areas.[J]. The European journal of neuroscience，2007，26（1）：242-249.

肖松林，周俊鴻，王寶峰，張希妮，殷可意，傅維杰，劉宇.高精度經(jīng)顱直流電刺激對足部肌肉力量、踝關(guān)節(jié)運動覺及靜態(tài)平衡的影響[J].體育科學(xué)，2020，40（05）：42-51.

王慧慧，羅玉丹，石冰，余鳳瓊，汪凱.經(jīng)顱直流電刺激對健康大學(xué)生反應(yīng)抑制的影響[J].心理學(xué)報，2018，50（06）：647-654.

Antal Andrea，Nitsche Michael A，Kruse Wolfgang，Kincses Tamás Z，Hoffmann Klaus-Peter，Paulus Walter. Direct current stimulation over V5 enhances visuomotor coordination by improving motion perception in humans.[J]. Journal of cognitive neuroscience，2004，16（4）：521-527.

王寶峰，肖松林，傅維杰.“神經(jīng)啟動”增能技術(shù)：經(jīng)顱直流電刺激聯(lián)合運動干預(yù)的協(xié)同效果[J].上海體育學(xué)院學(xué)報，2021，45（10）：53.