陳愷豪

摘要：經顱直流電刺激（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）來調節(jié)大腦皮層神經元活動的技術。由于其有效性、無創(chuàng)性、成本低且易于使用的特點，已經有學者逐漸將其應用于運動科學領域當中并取得了一定的研究成果。本文希望通過檢索知網、維普、萬方和Web of Science數(shù)據(jù)庫中的國內外相關文獻，了解該技術在運動科學領域的國內外研究現(xiàn)狀，旨在為今后該領域研究提供一定的參考。結果顯示：1）經顱直流電刺激技術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、反應能力等外顯性運動表現(xiàn)的影響。3）對內隱性運動認知方面的研究較少且沒有合適的實驗指標。4）“內源性手段”經顱直流電刺激和“外源性手段”運動訓練的聯(lián)合訓練方案對比單一訓練手段能夠在更大程度上提升受試者的運動能力。

關鍵詞：經顱直流電刺激；運動能力；運動表現(xiàn)；運動訓練；

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行身體練習，通過制定科學有效地身體訓練計劃來提升運動員的運動能力。然而，隨著科學技術的不斷發(fā)展，體育訓練逐漸開始注重大腦訓練，通過神經調控來增強運動員的運動能力。

1 背景

早在幾十年前，經顱神經刺激技術就被科研人員所關注。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對tDCS的認識也在不斷加深，由此tDCS被大范圍的應用到臨床同時也取得了不少成果。隨著在康復領域中取得的成果，該技術也在不斷的完善和發(fā)展，有關tDCS的研究逐漸成為熱點。近年來，由于經顱直流電刺激技術可通過調節(jié)神經功能提升運動能力而受到了運動科學領域的關注[1]。

2 經顱直流電刺激的作用機制

2.1改變大腦皮質興奮性

經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對皮質興奮性調節(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元產生動作電位的閾值，從而提高皮質的興奮性；陰極刺激則是提高神經元動作電位的閾值，從而抑制了皮質的興奮性。

2.2突觸的可塑性

研究進一步證實，tDCS除了能夠改變膜電位的極性外，還可以調節(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，從而起到調節(jié)突觸可塑性的作用[3]。突觸效能增強后提高神經通路的信號傳導效率，進而提高認知功能，降低則相反[4]。

2.3腦區(qū)的功能連接

大腦是一個復雜的網絡體系，不同的腦區(qū)位置來負責運動、認識和記憶的產生，但各個腦區(qū)之間存在著緊密的聯(lián)系。以前對tDCS的研究多關注電極下的局部區(qū)域，隨著神經影像學技術的發(fā)展，目前越來越多的研究開始重視大腦皮質內及皮質間的聯(lián)系[1]。國外學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 經顱直流電刺激對運動能力的影響

3.1經顱直流電刺激對肌肉力量的影響

長期進行肌肉力量訓練可以提高中樞神經的興奮性、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，國內許多學者對運動員下肢肌肉爆發(fā)力的研究較多，開始應用tDCS干預手段來提升運動員的縱跳能力。國內學者王瑋[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肌肉系統(tǒng)功能，還促進瞬時特征的變化。研究結果也證實了未來該技術在提升肌肉力量方面具有一定的潛力。

3.2經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，經過陽極tDCS后，肘關節(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變化，并沒有對其產生的機制進行研究。

3.3經顱直流電刺激對平衡能力的影響

平衡能力是身體素質的一種，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區(qū)域的腦改變之間存在著緊密的聯(lián)系。國內學者肖松林[10]研究選取了14名健康男性大學生，采用隨機雙盲真/假刺激方案。結果顯示，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經顱直流電刺激對反應能力的影響

反應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動作的基礎，研究人員通常將反應時用來作為研究運動員反應能力的指標。國內學者王慧慧[11]也對健康大學生的反應抑制進行了研究，受試者隨機接受真刺激和假刺激，在間隔7天時間進行前后兩次停止信號任務，實驗結果表明陽極tDCS能夠使受試者的停止信號反應時顯著縮短。

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

3.5經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知心理學研究的重點，是運動員進行各種體育活動所需的重要能力之一。有研究證實tDCS可以引起神經心理學、生理心理學及刺激腦區(qū)相關的運動功能改變。Antal[12]等人研究選取了12名健康且視力正常的受試者進行視覺運動跟蹤任務，通過應用7分鐘陽極經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，而國內對運動感知覺的研究鮮有報道。

4 經顱直流電刺激聯(lián)合運動訓練手段的研究現(xiàn)狀

已有研究表明，經顱直流電刺激和運動訓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，諸多學者開始將經顱直流電刺激和運動訓練相結合，對比研究單一干預方式與聯(lián)合干預對運動能力的影響，旨在探究tDCS聯(lián)合運動干預的應用價值。國內學者王寶峰[13]等人專門對tDCS聯(lián)合運動干預的文章進行了歸納整理，研究啟示tDCS作為輔助手段聯(lián)合傳統(tǒng)訓練/干預，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、運動康復等領域發(fā)揮比傳統(tǒng)運動訓練/干預更優(yōu)的效果。

綜上所述，tDCS聯(lián)合運動干預相較于單一的干預模式對運動能力有更好的提升效果，這種聯(lián)合干預手段是未來一大趨勢。然而，目前對tDCS與運動訓練聯(lián)合干預的研究還不夠深入，現(xiàn)有研究的實驗方案不夠清晰，tDCS的刺激方案和運動訓練方案不夠統(tǒng)一，對其產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練方案，針對性結合專項運動或專項能力進行實驗，深入探究“內源性刺激”t DCS和“外源性刺激”運動訓練所產生的作用機制，為了tDCS聯(lián)合運動干預手段能夠更好的應用到運動科學領域當中。

5 對運用經顱直流電刺激技術的思考

5.1運用經顱直流電刺激技術的安全性問題

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

5.2運用經顱直流電刺激技術的倫理性問題

經顱直流電刺激技術運用在競技體育領域中是否會被定義為“興奮劑”這一倫理問題并未有權威機構發(fā)布確切的消息。這一問題使得目前該技術在體育運動中的推廣和應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，大腦訓練將會成為未來運動訓練的主要手段之一，這也提示我們在不斷運用該技術的同時也要時刻關注該技術被應用的倫理性問題。

6 總結與展望

6.1總結

隨著對tDCS技術的深入認識以及臨床應用研究的不斷增多，該技術逐漸在運動科學領域取得了一定的進展，合理地運用經顱直流電刺激技術能夠有效提高運動員的運動能力。從目前國內外研究現(xiàn)狀上看，經顱直流電刺激技術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、提升反應能力和認知功能，但通過查閱國內外文獻發(fā)現(xiàn)，目前國內外學者在運用tDCS技術進行研究時仍存在一些需改進的問題。（1）目前tDCS運用到運動科學領域的研究所選取的樣本量較少且特征單一?？紤]到個體差異性以及群體多樣性，在有條件的情況下應加大樣本量，豐富被試群體，增設不同實驗組別進行對比研究（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謹。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計應制定的更加細致，對tDCS進行更深層次的探索和研究。（3）目前國內外學者對tDCS的研究更多的是探究該技術的即時效果且將tDCS作為單一干預手段進行研究。提示在未來可以深入探究該技術的長期干預效果以及聯(lián)合運動訓練共同干預的效果。（4）國內學者更多的是探究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行研究?，F(xiàn)如今已有研究證實tDCS可以引起神經心理學、生理心理學及刺激腦區(qū)相關的運動功能改變，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技術在康復醫(yī)學領域的成果，將該技術運用到運動科學領域用于抑制運動員在體育訓練及體育競賽中所產生的不良心理狀態(tài)。同時，可以借助fNIRS、fMRI、ERP等技術探究經顱直流電刺激對受試者內隱性運動認知方面的影響。

6.2展望

近年來tDCS技術在運動科學領域的迅速發(fā)展，證明了人們對腦神經技術已經有了更深層次的認識。過去我們將身體訓練作為提升人體運動能力的主要手段，未來我們可以將經顱直流電刺激和運動訓練相結合，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，這預示著未來經顱直流電刺激技術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在運動科學領域還有很大的應用空間，隨著研究的不斷深入，該技術也一定會在運動科學領域有新的進展和突破。

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