重复经颅磁刺激(rTMS)降低赛前焦虑的作用及其脑电特征

罗光霞

(上海思博职业技术学院 体育教研室，上海 201300)

重复经颅磁刺激(rTMS)是一种安全、无创伤、无疼痛的新型认知神经科学技术。该技术由Barker 等人［1］于1985 年首先创立的一种皮质刺激方法而发展起来，它利用时变磁场使大脑皮层产生感应电流，通过改变大脑皮层神经细胞的动作电位而影响脑内代谢和神经组织的电活动，进而对刺激区域及较远的相关区域产生影响，且所产生的生物学效应可持续到刺激停止后的一段时间。一般来说，高频(＞5 Hz)rTMS 对大脑皮层的兴奋性具有促进作用而低频(≤1 Hz)rTMS则对大脑皮层的兴奋性具有抑制作用，基于它能调节大脑皮层的兴奋性而被广泛地应用于精神病学和神经病学的临床诊断与治疗［2，3］。

运动训练过程中尤其是邻近比赛，焦虑问题时常困扰着广大运动员及教练员，实践中常常采用放松训练、认知调节、表象演练等方式进行调控［4］，然而有时效果并不理想。焦虑发生时，不仅自主神经功能发生改变，出现心跳加快、血压升高、出汗等现象;而且神经内分泌功能也会发生变化，表现为下丘脑—垂体—肾上腺(HPA)轴活动增强，血皮质醇水平升高［5］。动物和人类的大量研究显示，前额叶与情绪加工有关，是调节下丘脑一垂体一肾上腺(HPA)轴和自主神经功能的重要部位［6，7］;结构和功能神经影像学研究显示焦虑发生时右侧前额叶皮层兴奋性增加［7，8］。低频(≤1 Hz)rTMS 能够抑制大脑皮层的兴奋性［2，3］，推断rTMS存在抗焦虑作用的最初证据来自健康志愿者的研究，依据“效价假说”，Van Honk［9］等人对健康被试进行了一系列的实验，结果显示在右侧背外侧前额叶(DLPFC)施加阈下低频rTMS 可降低自评焦虑及减少焦虑相关行为。此外，d’Alfonso 等人在健康被试右侧DLPFC 施加低频rTMS 后，被试选择性注意愤怒的面孔，其解释为通过对右半球的抑制起到抗焦虑作用［10］。为此，可尝试将rTMS 作为干预手段，通过在运动员右侧背外侧前额叶(DLPFC)施加低频rTMS 来降低赛前焦虑，即从中枢神经系统对运动员的焦虑水平进行调节，将具有一定的理论意义和实践意义。

大脑皮质的神经元具有生物电活动，记录脑电活动是探讨脑生理及心理活动的一种基本研究手段。脑电图(EEG)是众所周知的、广泛使用的大脑活动可视化技术，EEG 中有节律的活动代表大脑皮层神经元突触后电位活动的同步化变化，可反映大脑皮层的机能状态。脑电功率谱分析是当前应用较为广泛、且较为成熟的脑电分析手段，可作为评价rTMS 刺激效果及其生理效应的一种工具［11］。当前研究证实了1 Hz，80%RMT，1 500 次rTMS(持续10 秒间隔2 秒)能够较好地降低运动皮层的兴奋性［12］，本研究拟采用该参数的rTMS 在运动员右侧背外侧前额叶(DLPFC)实施刺激，使用状态焦虑量表和脑电功率谱进行评价，用以考察其降低焦虑的作用及脑活动特征，以便较好的理解低频rTMS 的刺激效果及其神经生物学效应，为使用rTMS 降低运动员的赛前焦虑提供理论基础。

本研究的假设为:低频rTMS 刺激后被试的状态焦虑降低，δ 波和θ 波的活动增强，β 波的活动减弱。

1 方法

1.1 被试

体校学生20 名，右利手，其中男、女各10 名，年龄14 ～20 岁，运动年限5 ～8 年，均为二级以上水平。被试经过严格筛选，无既往病史、家族病史及精神类疾病，符合经颅磁刺激(TMS)实验标准及脑电测试标准。所有被试均自愿参加，且未参加过相关实验，也不知道实验目的。告知被试实验过程、可能的影响，并与其签订实验协议及付给相应报酬。

1.2 实验设计

采用2×2×2 混合设计。研究中包含3 个因素:1)性别(G)，分男和女两个水平;2)刺激方式，分磁刺激(S1)和假刺激(S2)两个水平;3)测试时间，分刺激前(T1)和刺激后(T2)两个水平。其中性别为组间因素，刺激方式和测试时间为组内因素。

所有被试均接受两种刺激方式的实验(即S1 和S2)，在接受每种刺激方式的实验时分别进行前、后测(即T1 和T2)。被试按照性别进行匹配后随机分成两组，一组按S1S2 的顺序进行实验，另一组按S2 S1的顺序进行实验，两次实验间隔一周，实验时间为14:30 ～17:30。要求被试在实验的当天中午将头洗干净，实验前一天和实验当天不要饮酒及服用兴奋性或抑制性药物，要保持正常的饮食和作息习惯。

1.3 实验过程

为了搞好省运会的备战工作，某体校在赛前2 周、赛前1 周时分别进行了两次模拟测试。模拟测试均安排在下午进行，测试的前一天教练对具体工作做了布置和安排，同时告诉队员测试时将有领导和其他队员前来观看，并会对测试的全过程进行摄像。

第一次模拟测试的前一天采用特质焦虑量表(T－AI)对被试进行筛选，筛选出特质焦虑得分较高且符合实验要求的被试(T－AI 量表得分大于50 分)。实验在测试的当天上午进行，实验前简单介绍实验程序及注意事项，并告知被试实验过程中如有不适随时可终止实验。实验时先进行状态焦虑测试和脑电测试(T1)，然后使用经颅磁刺激器实施刺激(S1 和S2)，刺激结束后再次进行状态焦虑测试和脑电测试(T2)。

1.4 实验设备

经颅磁刺激器:Magtism RAPID2 型(英国Magtism公司)，标准蝶型70 mm 双线圈，磁场强度为2.2 T。

定量数字脑电图仪:SOLAR 1848(北京太阳电子科技有限公司)。

1.5 实施方法

磁刺激(S1):使用经颅磁刺激器在被试右侧背外侧前额叶(DLPFC)施加刺激，刺激参数设置为1Hz，80%RMT，1500 次rTMS(持续10 秒间隔2 秒)。实施刺激时，被试舒服地坐在两侧有扶手的靠椅上，保持全身放松，线圈平面与颅骨表面相切，线圈两圆相交处的中心位置正对Brodmann 9/46 区(位于国际标准脑电10 ～20 记录系统Cz 点的前方5 cm，与正中失状线平行的位置)［13］。

假刺激(S2):方法与磁刺激(S1)相同，操作时将输出强度降低到20%，使之远远低于大脑皮层产生生理反应的强度［14］。将假刺激作为对照组以避免安慰剂效应。

静息阈值(RMT):采用自带的MEP 模块(时间基值50ms，滤波通带2 Hz－10K Hz)及其专用电极线记录运动诱发电位(MEP)，记录电极置于拇短展肌肌腹，参考电极置于远心端的肌腱，接地极置于手腕。线圈两圆相交处的中心位置正对能诱发右手拇指展肌运动诱发电位(MEP)的位置(即国际标准脑电10 ～20记录系统的Cz 点)，在右手拇指展肌完全放松的情况下，找到连续10 次经颅磁刺激中有5 次以上产生大于50μV 运动诱发电位(MEP)的最小磁刺激强度，作为静息阈值(RMT)［15］。

状态焦虑测试:采用状态焦虑量表(S－AI)进行测试，该量表由Spielberger 等人编制，由叶仁敏修订，其包含20 个题目，采用1 ～4 级评定法进行评定，得分越高表明焦虑程度越高，该量表具有较好的信、效度。

脑电测试:依据国际脑电图学会及中国脑电图学会的建议，按照国际标准脑电10－20 记录系统放置电极，参照8 道仪器的导联选择方法，选用FP1、FP2、F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2 进行单极引导，以双耳连线为参考电极，前额正中接地保护，记录被试安静闭眼状态下的脑电信号［16］。测试时被试坐在两侧有扶手的椅子上，要求其闭目、安静、不思考，信号采集时间为10 分钟，采样频率为256 Hz，时间常数为0.3 秒。

1.6 统计方法

使用统计软件SPSS15.0 对数据进行统计分析，实验结果以M±SD 表示，显著性水平定为α=0.05。

2 结果

2.1 状态焦虑的变化

对男、女被试刺激前、后状态焦虑的得分进行重复测量方差分析(见表1)，组内效应检验显示:刺激方式的主效应极端显著，F(1，18)=84.652，P ＜0.0005;刺激方式与性别的交互作用不显著，F(1，18)=9.237，P=0.169;测试时间的主效应极端显著，F(1，18)=102.975，P ＜0.0005;测试时间与性别的交互作用不显著，F ＜1;刺激方式与测试时间的交互作用极端显著，F(1，18)=63.254，P ＜0.0005;刺激方式、测试时间及性别三个因素之间的三重交互作用不显著，F(1，18)=6.776，P=0.113。组间效应检验显示:性别的主效应不显著，F ＜1。

表1 刺激前、后状态焦虑的得分

由于刺激方式与测试时间的交互作用极端显著，进一步简单效应检验显示:在S1(磁刺激)水平上，T(测试时间)的简单效应极端显著，F(1，19)=87.698，P ＜0.0005;在S2(假刺激)水平上，T(测试时间)的简单效应不显著，F ＜1。这些结果说明，测试时间效应受刺激方式影响，磁刺激导致状态焦虑得分降低，而假刺激未能导致状态焦虑得分发生明显改变。由此可见，磁刺激刺激后男、女被试的状态焦虑均降低。

2.2 脑电功率谱的变化

依据国际脑电图学会建议的标准划分脑区，划分为额部(F3，F4)、央部(C3，C4)、顶部(P3，P4)和枕部(O1，O2)(每个脑区均由左右两部分的电极组成)［17］。按照Schwab 的脑电波分类方法［16］，将频段参数设置为delta(δ)波:0.5 ～3Hz;theta(θ)波:4 ～7Hz;alpha(α)波:8 ～13Hz;beta(β)波:14 ～30Hz。对脑电信号进行滤波(带通0.5 ～30Hz)及伪差处理后，利用系统自带程序计算出各频段脑电波的功率值。对男、女被试额部、央部、顶部和枕部刺激前、后各频段脑电波的功率值分别进行重复测量方差分析(见表2 ～表5)。

额部δ 波、θ 波和β 波，央部θ 波，顶部θ 波，枕部δ 波和θ 波:组内效应检验显示，刺激方式的主效应极显著或极端显著(P≤0.01 或P≤0.001)，刺激方式与性别的交互作用不显著(P ＞0.05)，测试时间的主效应极端显著(P≤0.001)，测试时间与性别的交互作用不显著(P ＞0.05)，刺激方式与测试时间的交互作用极端显著(P≤0.001)，刺激方式、测试时间及性别三个因素之间的三重交互作用不显著(P ＞0.05);组间效应检验显示，性别的主效应不显著(P ＞0.05)。由于刺激方式与测试时间的交互作用极端显著(P ≤0.001)，分别进一步进行简单效应检验显示:在S1(磁刺激)水平上，T(测试时间)的简单效应极端显著(P≤0.001);在S2(假刺激)水平上，T(测试时间)的简单效应不显著(P ＞0.05)。由此可见，测试时间效应受刺激方式影响，磁刺激(S1)导致上述脑电波的功率值发生变化，假刺激(S2)未能导致其功率值发生明显改变。

额部α 波，央部δ 波、α 波和β 波，顶部δ 波、α 波和β 波，枕部α 波和β 波:组内效应检验显示，刺激方式的主效应不显著(P ＞0.05)，刺激方式与性别的交互作用不显著(P ＞0.05)，测试时间的主效应不显著(P ＞0.05)，测试时间与性别的交互作用不显著(P ＞0.05)，刺激方式与测试时间的交互作用不显著(P ＞0.05)，刺激方式、测试时间及性别三个因素之间的三重交互作用不显著(P ＞0.05);组间效应检验显示，性别的主效应不显著(P ＞0.05)。由此可见，磁刺激(S1)和假刺激(S2)均未能导致上述脑电波的功率值发生明显改变。

综上所述，从刺激前、后各频段脑电波的功率值的变化可以看出，磁刺激(S1)刺激后男、女被试额部δ波和θ 波、央部θ 波、顶部θ 波、枕部δ 波和θ 波的活动增强，额部β 波的活动减弱。

表2 额部刺激前、后各频段的功率值(μυ2)

表3 央部刺激前、后各频段的功率值(μυ2)

表4 顶部刺激前、后各频段的功率值(μυ2)

表5 枕部刺激前、后各频段的功率值(μυ2)

3 讨论

3.1 状态焦虑的变化

rTMS 刺激过程中被试均未感到疼痛，未引起不适反应，刺激后没有产生不利影响。研究结果表明，rTMS刺激后男、女被试的状态焦虑均降低，该结果与研究假设一致。前额叶参与许多复杂的认知和行为功能，通过广泛的皮层间及皮层下通路与边缘系统联系，是调节下丘脑一垂体一肾上腺(HPA)轴和自主神经功能的重要部位［6，7］。低频(≤1 Hz)rTMS 能够抑制大脑皮层的兴奋性［2，3］，此时在右侧前额叶皮层施加适宜的低频rTMS，则可降低其兴奋性及减弱边缘系统间的联系。边缘系统间联系的减弱可降低下丘脑—垂体—肾上腺(HPA)轴和内脏植物神经系统的活动［18］，从而起到抑制作用。此外低频rTMS 还可促进抑制性神经递质γ－氨基丁酸(简称GABA)的释放［19］，GABA 的增加可引起交感节前神经元发生抑制(氨基酸类递质是与交感节前神经元形成突触的轴突末梢释放的重要递质)，从而降低神经元的活性及减慢神经传导速度的作用，起到抗焦虑的作用，于是使得被试的状态焦虑降低。

3.2 脑电功率谱的变化

脑电功率谱分析是当前应用较为广泛、且较为成熟的脑电分析手段［11］，本研究对被试额部、央部、顶部和枕部刺激前、后各频段脑电波的功率值进行分析。结果显示，rTMS 刺激后男、女被试额部δ 波和θ 波、央部θ 波、顶部θ 波、枕部δ 波和θ 波的活动增强，额部β波的活动减弱，该结果与研究假设基本一致。

δ 波是频率介于0.5 至4 Hz 之间的慢波，正常成人一般在困倦或者睡眠状态时才会出现;θ 波的频率介于4 至7 Hz，多见于有睡意或睡眠状态，同入睡表象、困倦及睡眠时的低警戒水平等心理状态相连，被认为是中枢神经系统抑制状态的一种表现［20］;α 波的频率介于8 至13 Hz，在清醒，安静和闭目时出现，睁眼、思考问题或受其它刺激时，出现alpha 波阻断现象;β 波的频率介于14 至30 Hz，它是一种快波，同警觉性增加、唤醒和激动相连［21］，当精神紧张、情绪激动或兴奋时会出现，被认为是大脑兴奋、唤醒状态的一种表现［20］。本研究在被试右侧背外侧前额叶(DLPFC)施加低频rTMS 后，被试额部δ 波和θ 波、央部θ 波、顶部θ 波、枕部δ 波和θ 波的活动增强，表明其倦意增加、警戒水平降低，中枢神经系统抑制作用增强;额部β 波的活动减弱，表明其兴奋性降低、唤醒水平降低。在正电子发射断层扫描(PET)研究中，Speer(2000)［22］等人给被试施加10 天20 Hz 的rTMS 后，发现不仅刺激区域即左侧前额叶的区域皮层血流量(rCBF)显著增加，而且功能和解剖结构相关的区域的rCBF 也出现显著增强。Knoch(2006)［23］等人在被试左侧DLPFC 施加一次10Hz 的rTMS 也得出类似的结果。由于rTMS 刺激后刺激区域及其相关区域均发生了相应的变化，从而使得被试额部、央部、顶部和枕部脑电波的功率值产生了相应的改变［14］。

总之，本研究在被试右侧DLPFC 施加1Hz，80%RMT，1 500 次rTMS(持续10 秒间隔2 秒)后，男、女被试的状态焦虑均降低，其脑电活动的变化在一定程度上可以解释低频rTMS 的神经生物学效应，为使用rTMS 降低运动员的赛前焦虑提供了理论基础。将rTMS 作为干预手段，从中枢神经系统对运动员的赛前状态进行调控，将具有一定的理论意义和实践价值。在今后的研究中，一方面可结合功能成像技术如fMRI、PET 等对rTMS 的刺激效果进行进一步的验证;另一方面应加强rTMS 的应用研究，以便在实践中能够较好地应用。

4 结论

在运动员右侧背外侧前额叶(DLPFC)施加1 Hz，80%RMT，1 500 次rTMS(持续10 秒间隔2 秒):1)可起到降低赛前焦虑的作用;2)rTMS 刺激后额部δ 波和θ 波、央部θ 波、顶部θ 波、枕部δ 波和θ 波的活动增强，额部β 波的活动减弱;rTMS 刺激后脑电(EEG)的变化在一定程度上可以对其神经生理效果进行解释。

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