经颅直流电刺激对纵跳生物力学特征的影响

王玮,朱志强,殷可意,宋林杰,姜祎凡,刘 宇

经颅直流电刺激对纵跳生物力学特征的影响

王玮,朱志强,殷可意,宋林杰,姜祎凡,刘 宇*

（上海体育学院，上海 200438）

目的：通过观察经颅直流电刺激前后，纵跳生物力学曲线和瞬时特征的变化，探究其对纵跳运动表现的影响。方法：15位跳跃类国家二级运动员接受随机交叉设计的阳极刺激（电流2 mA，持续20 min）和假刺激两种实验条件。分别在刺激前，刺激后即刻和刺激后30 min完成纵跳测试。通过双因素重复测量方差分析（刺激条件×时间）比较两种实验条件前后纵跳生物力学指标的差异。结果：1）瞬时特征：纵跳高度在阳极刺激后即刻和刺激后30 min显著高于刺激前；质心最低点地面反作用力在阳极刺激后即刻和刺激后30 min显著高于刺激前；峰值蹬地功率、发力率和下肢刚度在阳极刺激后即刻显著高于刺激前，阳极刺激组峰值蹬地功率在刺激后即刻和刺激后30 min显著高于假刺激组（＜0.05）；2）曲线特征：垂直冲量在阳极刺激后即刻和刺激后30 min显著大于刺激前；释放能量和肌肉主动做功在阳极刺激后即刻显著高于刺激前（＜0.05）。结论：阳极经颅直流电刺激可以提高纵跳运动表现，不仅能够促进瞬时特征的变化，而且可以调节整个动作周期生物力学曲线特征，增强下肢力量及神经肌肉系统功能。

非侵入性脑刺激；力量-时间曲线；垂直冲量；肌肉主动做功；下肢刚度

纵跳(countermovement jump, CMJ)能力是影响运动能力的关键因素之一(Laffaye et al., 2014)。提高CMJ能力的传统方法主要通过抗阻训练和神经肌肉系统的拉长-缩短周期（stretch-shortening cycle, SSC）训练改变肌肉形态和功能提高肌肉的最大力量和爆发力，促进CMJ能力(卢志泉等, 2019；Parejablanco et al., 2017)。但传统的训练方法主要关注肌肉功能的改变对CMJ能力的影响，却忽视了神经系统对肌肉收缩的支配作用及其对CMJ能力的影响。因此，如何通过调节神经-肌肉功能提高运动能力成为亟待突破的问题。

近年，由于经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）技术可调节神经功能，促进运动能力而受到了体育领域的关注(卞秀玲等, 2018；王开元等, 2019；殷可意等, 2019)。《自然》（）近年多次刊发关注tDCS技术应用于提高人体运动能力的文章(Hornyak, 2017；Reardon, 2016)。该技术可经颅形成弱电场，并作用于特定脑区，通过调节大脑皮层兴奋性，加强突触可塑性和促进两半球间连接，增强人体运动能力(Alonzo et al., 2012；Frazer et al., 2016；Liu et al., 2019)。有研究证实，tDCS可有效提高人体肌肉力量(Krishnan et al., 2014)、延缓运动疲劳(Abdelmoula et al., 2016)和促进运动学习能力(Reis et al., 2009)。虽然tDCS技术不是传统的体能训练方法，是否符合体育精神还有待国际体育组织的认可，但研究tDCS技术对人体运动的影响有助于理解人体运动控制和生物力学机制以及该技术在竞技体育之外的应用。

当前，tDCS对CMJ影响的研究尚不多见，且未通过生物力学方法深入分析tDCS对CMJ动作曲线特征的影响(Lattari et al., 2017)。在研究CMJ的生物力学特征时，结合关键瞬时特征和动作曲线特征将有助于深入理解影响CMJ能力的生物力学机制(McMahon et al., 2017；Struzik et al., 2019)。

因此，本研究拟使用tDCS技术对运动员特定皮质进行刺激，分析tDCS刺激前后CMJ动作过程中生物力学曲线特征和瞬时特征的变化，探究tDCS对神经-肌肉系统功能影响的生物力学机制。研究假设：阳极tDCS刺激运动皮层可提高CMJ瞬时特征（CMJ高度、峰值蹬地功率和下肢刚度等）和调节曲线特征（垂直冲量、释放能量和肌肉主动做功等）。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究共招募15名在校男大学生作为研究对象，均为跳高、跳远、撑杆跳等跳跃项目国家二级运动员，年龄19.47±1.60岁，身高182.67±5.63 cm，体重69.20±8.22 kg，训练年限5.36±3.13年。受试者在参加本实验前的6个月内，无下肢损伤，无神经、精神类疾病或者服用精神类、镇静剂等药物，在参加实验前2天未摄入酒精、咖啡等刺激性物质。实验前所有受试者均知晓本研究的目的，了解实验流程和注意事项，均自愿参加本研究并签署知情同意书。

1.2 实验仪器

1.2.1 经颅直流电刺激仪

刺激干预采用DC-STIMULATOR多通道经颅直流电刺激仪（德国，Neuroconn公司)，电极片5×7 cm，直流模式电流强度调节范围0～4.5 mA，最大电压20 V。

1.2.2 运动捕捉系统

Vicon红外运动捕捉系统（英国，Vicon公司）和10个摄像头（T40），本研究采样频率为100 Hz，所用红外反光标志点直径为14 mm。运动学和动力学数据通过Vicon Nexus 2.6.1（英国，Vicon公司）同步采集，通过此软件建立人体球棍刚体模型，进行标志点的命名、删补标志点的运动轨迹等前期处理。

1.2.3 测力台

Kistler三维测力台（瑞士，Kistler公司，型号9287C）2块（长×宽×高：900 mm×600 mm×100 mm），外置信号放大器，通过数模转换器与运动捕捉系统连接并同步。最大侧向力和垂直力分别为10 kN和20 kN，采样频率为1 000 Hz。

1.3 刺激方案

15位受试者随机接受2种刺激条件：阳极刺激（A-tDCS）和假刺激（S-tDCS），每位受试者参与2次实验，间隔48～72 h，并在2天的同一个时间段完成刺激和相关测试。刺激使用4个生理盐水浸泡过，且表面为海绵的电极，其连接于直流电刺激装置，电流2 mA，刺激持续时间20 min(Lattari et al., 2017)，在刺激过程中，要求受试者保持静坐，避免外界的干扰和无关刺激。对于阳极刺激，根据国际10-20脑电图系统，2个阳极水平放置以覆盖双侧初级运动皮层（primary motor cortex, M1)。2个阴极放置在两侧肩膀，用医用胶带固定电极。假刺激放置位置与阳极刺激相同，但刺激在30 s后关掉。所有tDCS操作均由同一实验人员完成。

图1　测试流程图

Figure 1.The Protocol of Experiments

1.4 实验流程

每名受试者测试前更换运动装备（背心、短裤和鞋），在跑台上以10 km/h的速度进行5 min热身，并进行动态拉伸，激活肌肉，增加关节活动度。热身后根据Visual 3D骨骼模型粘贴反光标志点，确定骨盆和下肢各环节。进行2次练习，完成静态拍摄后开始正式测试。

受试者按照动作要求，在测力台上尽最大努力，以最快速度完成CMJ动作。采集5次有效数据（将所有数据的平均值进行分析），排除在测力台区域外进行的跳跃，或在落地时和腾空阶段不符合运动姿态要求的跳跃。前测完成后接受tDCS刺激，刺激后即刻和30 min分别进行与前测相同的热身与测试。

1.5 数据处理

采用Visual 3D三维运动分析软件（美国，C-Motion公司）对预处理后的数据进行建模、计算和分析，对运动学和动力学信号进行低通滤波，标志点的截止频率为10 Hz，地面反作用力信号的截止频率为50 Hz。使用Origin 9.0（美国，Originlab公司）对地面反作用力和质心位移等数据进行插值，并绘制平均曲线。

1.5.1 动作阶段划分

以整个动作时间为周期，根据相对地面反作用力在整个周期内的变化，为CMJ动作分期（图2）。

图2　CMJ动作阶段划分示意图

Figure 2.The Temporal Phases of CMJ

注：ta：动作起始点，此时地面反作用力等于重力，加速度和速度为0；tb：离心阶段力峰值时刻，此时向下的加速度达到最大；tc：地面反作用力与重力相等的时刻，此时合外力为0，加速度为0，向下的速度达到最大值；td：向下运动的最低点时刻，此时正负冲量相等，重心运动速度为0，此刻为原地CMJ离心阶段与向心阶段的过度点；te：地面反作用力与重力再次相等的时刻，此时加速度为0，向上的速度达到最大值；tf：起跳时刻，此时地面反作用力为0，加速度为重力加速度，即离地瞬间。

1.5.2 关键指标

1)瞬时特征：

其中，()为地面反作用力，为人体质量，为人体重力。

其中，take off为起跳速度。

发力率（N/kg/s）-力量-时间曲线斜率：

其中，()为地面反作用力，()为时间。

其中，()为地面反作用力，()为质心速度。

下肢刚度（N/kg/m）(Liu et al., 2006)：

其中，GRF为质心最低点地面反作用力，为质心最低点垂直位移。

其中，为地面接触时间，()为合外力。

根据Liu等（2006）的研究，针对力量-位移曲线，由于功=力量×位移，因此可以计算出离心下蹲阶段的能量储存及向心蹬伸阶段的能量释放，对能量储存（energy stored）、能量释放（energy returned）和肌肉主动做功（active work done）的变化进行计算(图3)。

能量储存（J/kg）-力量-位移曲线阴影面积（图4）：