王寶峰，肖松林，張希妮，沈 斌，鄧力勤，傅維杰

經顱直流電刺激（Transcranial Direct Current Stimulation，tDCS）是一種非侵入性、易操作、低成本的神經調控技術，可引起大腦皮層興奮性的區(qū)域性變化。研究表明，陽極tDCS（a-tDCS）可增加皮層興奮性，而陰極tDCS（c-tDCS）則會降低皮層興奮性，并且興奮性調控持續(xù)時間超過1 h。目前已有研究者將tDCS 應用于體育科學領域，以期通過神經調控手段來改善身體能力。如Tanaka 等采用2 mA電流強度的a-tDCS 刺激初級運動皮層（M1）區(qū)，發(fā)現在刺激后最大伸膝力量增加了13.2%；另有研究顯示a-tDCS 能夠增加健康人的足趾內收力量和第一足趾屈曲力量、降低反應時間等。

近年來，研究者利用tDCS 的便攜性及可移植性，將tDCS 與其他干預措施（如運動干預、理療、認知訓練等）相聯合，以進一步提高其對運動能力、認知和其他重要功能的康復效果。前人研究表明，力量訓練能夠導致動作誘發(fā)電位（Motor-Evoked Potential，MEP）振幅值的增加，調節(jié)M1 區(qū)興奮性。tDCS同樣能夠增強大腦皮層興奮性，調節(jié)突觸可塑性。運動訓練和tDCS 都具有提高運動皮層興奮性的作用，這2 種方法的聯合可能會帶來更大的增益。基于此思路，最新的研究將tDCS 與運動干預相聯合，探討其對運動能力的影響，并與單獨的運動干預或假刺激（s-tDCS）聯合運動干預進行對比，嘗試開發(fā)更為有效的改善運動能力的干預方案，如Jafarzadeh 等探究tDCS 與動態(tài)穩(wěn)定訓練之間的關系，并確定相對于單純的訓練，tDCS 與動態(tài)穩(wěn)定訓練聯合的干預模式具有更大的提升潛力。但目前的研究刺激參數、運動干預方案設計不一致，部分研究未能發(fā)現tDCS聯合運動干預的協同作用，其功能改善效果尚未有定論。

綜上所述，本文以“經顱直流電刺激”“transcranial direct current stimulation”“tDCS”并含“訓練”“干預”“training”“intervention” 為關鍵詞，檢索中國知網、Web of Science 等數據庫的相關文獻。納入標準根據PICOS 策略確定，即受試對象、干預方式、對照方式、結果和研究設計。受試對象為無神經系統(tǒng)疾病的成年人；干預方式為tDCS 聯合運動干預，對刺激類型、位置、參數等不做特殊要求；對照方式為s-tDCS聯合運動干預；結果包括皮層興奮性、運動能力等相關指標；研究設計為隨機、假刺激對照。剔除以下文獻類型：（1）綜述論文；（2）方案論文；（3）評論性論文；（4）會議論文；（5）案例研究。本文旨在回顧tDCS聯合運動干預對運動能力影響的研究，探究tDCS與運動干預聯合的模式對運動能力的影響及其作用機制，歸納分析tDCS 聯合運動干預的應用價值，總結前人發(fā)現及局限，為未來體育科學研究提供新的方向。

1 tDCS 聯合運動干預對運動能力的影響

運動能力受到身體、生理和心理等因素的影響，特別是在體育運動中，人們一直在尋找提高運動成績的手段。近年來，研究焦點已經轉移到大腦以及它如何提高運動能力上。Reardon曾提出未來神經調控技術可以發(fā)揮出“大腦興奮劑（brain doping）”的作用，來幫助運動員在訓練/ 比賽或康復中取得優(yōu)勢。目前tDCS 技術在運動訓練領域研究顯示，其延遲神經肌肉疲勞、提高認知和學習能力、增強肌肉力量的作用，在幫助運動員改善競技表現方面具有巨大潛力。國內外已有團隊針對頂尖運動員的訓練需求，設計、開發(fā)和研制了基于tDCS 技術的智能可穿戴訓練設備，用于提升運動能力，tDCS 技術正從實驗室走向競技場。

1.1 tDCS 聯合運動干預對肌肉力量的影響

肌肉力量由肌肉形態(tài)、神經控制等方面影響，例如運動單元募集、運動單元同步、神經肌肉抑制、肌肉橫截面積和肌腱剛度，其與運動員體能表現、運動技術、預防損傷等方面息息相關。近幾十年來，研究者們探索了不同的訓練方法，以優(yōu)化運動員和非運動員肌肉力量的增加。隨著各種各樣的生物能手段被應用，近年來神經調節(jié)技術也被用作增加肌力的輔助手段。

Washabaugh 等對健康年輕人施加M1 區(qū)a-tDCS聯合伸膝訓練（5%最大自主收縮強度），觀察其對伸膝力矩的影響，發(fā)現與a-tDCS 聯合休息組相比，a-tDCS 聯合訓練組在干預后產生了更大的伸膝力矩，且在干預后25 min 仍存在增益效果。在肌肉激活方面，Bruce 等發(fā)現在4 周tDCS 聯合腓骨長肌離心訓練后，慢性踝關節(jié)不穩(wěn)患者在動態(tài)平衡任務中的腓骨長肌激活程度顯著增加。表面肌電信號振幅的增加，一般被解釋為神經驅動力的增加，增加的神經驅動力可能使得收縮時更多的運動單位被激活，因此有助于力量的增加。同樣地，Hendy 等探究了3 周的tDCS 聯合腕伸肌力量訓練后，腕關節(jié)最大力量增加了14.89%。但通過對腕伸肌的肌肉厚度進行測量，發(fā)現在3 周的干預后健康成年人的肌肉厚度未發(fā)生顯著性改變。短時間的力量訓練難以使肌肉發(fā)生適應性改變，聯合干預所造成的肌肉力量增加可能是神經-肌肉控制改善的結果。但值得注意的是，在3 周的a-tDCS 聯合腕關節(jié)力量訓練后，健康人的腕關節(jié)力量顯著增加且增加幅度略高于s-tDCS 聯合訓練組，但與s-tDCS 聯合訓練組相比未發(fā)現顯著性差異。與Washabaugh 等的研究產生不同效果的原因，可能是tDCS 的刺激方案以及受試者的個體差異。此外與股四頭肌和二頭肌等大肌肉力量的肌肉相比，腕伸肌的功能更加側重于產生精細和穩(wěn)定的運動，對偏向于精細運動控制的小肌肉群進行力量測試任務可能難以反映聯合干預的效果。

1.2 tDCS 聯合運動干預對姿勢控制的影響

姿勢控制是指人體保持身體平衡或對外界干擾的骨骼肌肉反應，是人體感覺和運動系統(tǒng)與外界環(huán)境之間復雜的相互作用過程，是對一定環(huán)境中機體方位改變的反應控制和保持身體重心在一定支持面之內的活動。在姿勢控制的過程中，視覺、前庭覺、本體感覺系統(tǒng)提供了精確的感覺信號，由外周傳輸至中樞神經系統(tǒng)，經過分析處理后形成動作模式，再下行至肌肉骨骼系統(tǒng)完成相應的活動。這些感覺信號通常包括個體的和環(huán)境的信息，繼而由中樞形成的動作模式協調肌群精準收縮，進而維持姿勢穩(wěn)定。tDCS 因其能夠直接作用于中樞神經系統(tǒng)，而被越來越多應用于增強姿勢控制能力。

有研究顯示，tDCS 聯合腓骨長肌離心訓練能夠顯著降低慢性踝關節(jié)不穩(wěn)患者的動態(tài)姿勢穩(wěn)定性指數，改善平衡功能，且改善幅度顯著大于s-tDCS 聯合踝關節(jié)力量訓練組。同樣地，在Jafarzadeh 等、Yosephi 等的研究發(fā)現2 周的tDCS 聯合平衡訓練能夠在降低慢性下背痛患者以及老年人的動態(tài)穩(wěn)定性指數方面發(fā)揮協同作用。動態(tài)姿勢穩(wěn)定指數是基于站立時的壓力中心移動情況所計算出的指數，用來定義姿勢穩(wěn)定性，反映姿勢控制過程中的神經肌肉控制能力。聯合干預后，動態(tài)姿勢穩(wěn)定指數的降低意味著姿勢控制能力的提升，可能有助于降低失衡的風險。但不得不指出的是，在Zandvliet 等、Steiner 等的研究發(fā)現單次的tDCS 聯合運動干預并不能顯著改善健康人的動態(tài)穩(wěn)定能力，研究者認為“天花板效應”（ceiling effects）是可能的原因之一。健康受試者在進行行為訓練后自身潛力可能達到最大，表現已經有明顯提高，應用a-tDCS 聯合訓練對運動能力所能產生的進一步改善的空間較小。Yosephi 等、Steiner 等的研究也從側面反映了這一問題，即健康老年人在a-tDCS 聯合姿勢訓練后動態(tài)姿勢穩(wěn)定表現有明顯改善，而健康年輕人在干預后a-tDCS 組與s-tDCS 組平衡時間之間無組別差異。此外，在單純tDCS 干預的研究中，患病人群或非優(yōu)勢肢體表現出更好的干預效果。以上研究均提示，a-tDCS 與運動干預聯合，對于改善健康成年人的運動能力可能會受到“天花板效應”的干擾。

雖然目前研究所涉及的受試為具有一定程度功能障礙的人群，對于身體機能較好的運動員會產生怎樣的影響還不清晰，但前人的研究也證實聯合干預對于慢性踝關節(jié)不穩(wěn)發(fā)生后的康復具有一定的促進作用。慢性踝關節(jié)不穩(wěn)患者表現出本體感覺減弱和神經肌肉控制能力下降，如何更快地恢復踝關節(jié)的本體感覺，增強神經肌肉控制能力尤其重要。tDCS聯合運動訓練的聯合干預方式可能有助于慢性踝關節(jié)不穩(wěn)患者的本體感覺和神經肌肉控制能力的提升，進而改善動態(tài)平衡功能。相比于單一干預方式，聯合干預手段的康復效果更佳，更有助于縮短運動員的康復過程，使運動員更快地恢復競技水平。

1.3 tDCS 聯合運動干預對運動學習的影響

運動技能的學習和保持以及之前所學技能對環(huán)境改變的適應是人類日常生活的基礎。機體的內在變化（身體形態(tài)、肌肉力量、損傷等）和外部環(huán)境的改變要求人體需要不斷地進行技能的更新，適應經常變化的內在和外在環(huán)境?，F如今，無創(chuàng)腦刺激技術已被用于識別運動學習中特定腦區(qū)的功能，并調節(jié)運動學習中腦網絡涉及的特定皮層區(qū)域的活動，以試圖改善運動學習能力。

在動作序列學習任務中，研究者發(fā)現a-tDCS 聯合動作學習能夠顯著降低健康人群的反應時、改善任務表現、增加擊鍵速率。其中Karok 等發(fā)現a-tDCS 聯合動作序列任務顯著降低反應時23%，并在干預完成15 min 后反應時間顯著降低30%。同樣地，在視覺-動作跟蹤任務中，a-tDCS 聯合動作任務能夠顯著降低反應時、降低錯誤率、改善任務表現。進一步研究表明，a-tDCS 不但可以促進運動技能的習得，并且可能在接下來的數天內鞏固獲得的運動技能。

運動學習過程中，隨著學習行為的重復，動作的變異性降低，執(zhí)行速度增加；隨著運動命令的重復，運動皮層中的神經元可塑性增加形成新的突觸和樹突。a-tDCS 作為輔助手段，能夠使得靜息膜電位發(fā)生去極化改變從而增加運動學習過程中神經元的自發(fā)和誘發(fā)放電頻率，改變氨基丁酸的受體活性，減少氨基丁酸，導致長時程增強。從而加強新形成的神經元間的聯系，促進新的運動技能模式的形成。此外，神經影像學研究表明，多個皮質和皮質下結構參與了運動學習過程。一項運動學習網絡的研究表明，在運動學習過程中背側運動前皮層、輔助運動皮層、初級運動皮層、初級感覺皮層、頂葉上小葉、丘腦、殼核和小腦均有聚集性激活。運動過程中在M1 區(qū)應用a-tDCS 會使得初級運動皮層以及與其相關的大腦區(qū)域（如顳上溝）的局部腦血流量增加。同時，Amadr 等證明了a-tDCS 可以使得靜息態(tài)腦網絡功能連接增強。因此，a-tDCS 聯合運動技能學習不僅可以改變刺激區(qū)域下皮層的興奮性，而且可以對運動學習腦網絡相關的區(qū)域產生影響，從而促進運動技能的獲得和鞏固。

2 tDCS 聯合運動干預的生物學機制

中樞神經興奮性的提高有助于誘發(fā)更高頻率的神經電信號，募集更多的運動單位參與主動肌收縮。有研究表明，運動訓練能夠誘導大腦皮層產生結構和功能的適應性改變，如技能訓練能夠誘導突觸發(fā)生、突觸增強；力量訓練能夠調節(jié)大腦皮層興奮性。但這顯然是長期專項訓練的結果。研究者提出tDCS 與行為訓練方案聯合，通過將“內源性刺激”與“外源性刺激”相結合期望在短期內穩(wěn)定有效改善皮層興奮性。Kim 等、Karok 等、Goodwill 等、Williams等發(fā)現單次tDCS 聯合運動干預能夠顯著增加健康人MEP 振幅值，且增加幅度顯著大于s-tDCS 聯合運動干預組。其中，Kim 等發(fā) 現M1 區(qū)tDCS 聯合30 s 握力訓練（50%最大自主收縮強度）干預使健康年輕人的MEP 振幅值增加幅度達到214.2%，而在單純的刺激組或訓練組MEP 增加幅度僅有112.7%、92.7%。此外，Hendy 等探究了3 周tDCS聯合腕伸肌力量訓練對皮層興奮性的影響，發(fā)現在干預后健康年輕人的MEP 振幅值增加了22.6%，并且在s-tDCS 聯合腕伸肌力量訓練組以及空白對照組中均未發(fā)現MEP 振幅值增加的現象。Bruce 等探究了4 周tDCS 聯合腓骨長肌離心訓練對慢性踝關節(jié)不穩(wěn)患者皮層興奮性的影響，發(fā)現6 周后（即干預結束后2 周）a-tDCS 聯合訓練組的腓骨長肌靜息運動閾值顯著降低。慢性踝關節(jié)不穩(wěn)的患者M1 區(qū)、初級軀體感覺皮層興奮性降低，在簡單動作執(zhí)行中通過增加視覺和認知皮層區(qū)域的激活來代償初級軀體感覺皮層激活的減少，而a-tDCS 的神經興奮作用能夠解決發(fā)生慢性踝關節(jié)不穩(wěn)后神經系統(tǒng)所產生的不良適應。

從原理上推測，tDCS 雖不會直接引起神經元放電，但它會引起神經元去極化改變，從而降低放電閾值，而當這種去極化改變與閾上刺激相結合時，可以進一步增強大腦皮質網絡中神經元的突觸強度，進而促進長時程增強，改善功能表現。在一項有關tDCS 與細胞機制的研究中已證明：單獨應用tDCS并沒有引起突觸強度的改變，相反，tDCS 結合低頻突觸激活（low-frequency synaptic activation）誘導了突觸強度的長時程增強。因此，通過tDCS 等神經調控手段（外源性神經調節(jié)）來增強訓練任務背后的“內源性神經激活”，可能會產生協同效果。進一步研究證明，如果在給定的活動或干預方案中聯合tDCS，則相同的活動或干預方案會誘導更大的突觸強度增加幅度。功能磁共振（fMRI）的結果顯示，與s-tDCS 聯合抓握運動相比，a-tDCS 聯合抓握運動組的體素計數、峰值強度和皮質激活顯著增加。由此推斷a-tDCS 與運動訓練聯合能更大幅度地改善皮層興奮性，可考慮作為tDCS 增加皮層興奮性的優(yōu)化方案。在臨床應用領域，tDCS 聯合運動干預（如步態(tài)訓練、探戈舞）能夠發(fā)揮協同作用，顯著增加康復效果；在認知領域，tDCS 與有氧訓練相聯合能夠產生互補效應，改善認知功能。因此有理由推斷，tDCS 和運動干預的聯合可以發(fā)揮協同作用，提高運動能力，具備超過單獨運動干預的效果。由此可見，tDCS 聯合運動干預的多模式干預（即不止一種干預技術）可能會引發(fā)協同效應或附加作用，以此提高干預的有效性。

3 總結與展望

相比于單一的運動干預手段，tDCS 聯合運動干預的模式對運動能力具有較大的促進作用，具體表現為肌肉力量增加，動態(tài)姿勢控制能力提高，促進運動學習等。由此可見，tDCS 聯合運動干預是一種具有較大發(fā)展前景的干預模式，可用于運動能力的提升。其可能的機制是“內源性刺激”與“外源性刺激”相結合所產生的更大幅度的皮層興奮性提升、長時程增強等。在競技體育中，新科技的運用可能會進一步加速人類突破極限，經顱直流電刺激聯合運動干預的模式具有在短時間內提升運動員身體機能的潛力，可能會幫助運動員在競技比賽中取得優(yōu)勢。然而，目前缺乏研究直接探討tDCS 聯合運動干預對競技體育運動員運動能力的影響，同時由于tDCS方案以及訓練方案的不統(tǒng)一，無法對其進行分類來探討哪種劑量下的tDCS 或哪種訓練方案對于運動能力的提升效果最好，且tDCS 聯合運動干預效果的持續(xù)時間尚缺乏研究。此外，針對增益機制的探討，目前研究大多僅從大腦皮層興奮性改變的角度出發(fā)，而對于功能性腦網絡、腦-肌信號耦合等深層探索較少。未來的研究可針對不同刺激方案、運動強度以及具體的運動項目進行探討，深入理解tDCS聯合運動干預的作用機制和效果持續(xù)時間，進一步理解大腦區(qū)域活動改變與行為改變之間可能的因果關系，以更好地應用于體育領域。