经颅直流电刺激干预运动表现：效果及应用策略

唐文静，李丹阳*，胡惠莉，徐 飞，郜卫峰，汤立许，廖 婷，吕万刚

（1.武汉体育学院，湖北 武汉 430079；2.杭州师范大学 体育与健康学院，浙江 杭州 311121）

脑是人类行为的源泉，不同脑部区域的功能发挥易受到外来刺激的影响。神经调控技术通过植入性或非植入性技术、电或化学作用方式，对中枢神经系统、外周神经系统和自主神经系统邻近或远端部位神经元或神经信号转导发挥兴奋、抑制或调节作用，从而达到改善患者生活质量，提高神经功能的作用。神经调控技术分为侵入性和非侵入性2种方式，经颅磁刺激（transcranial magnet‐ic stimulation，TMS）和经颅电刺激（transcranial eletrical stimulation，TES）是近年来发展快速的两项非侵入性脑刺激 技 术（Hallett，2007；Nitsche et al.，2001；Wagner et al.，2007）。TES作为一种非侵入式脑刺激技术，通过放置在头皮上的2个或多个电极施加的弱电流诱导大脑特定区域的短暂及受控变化，以研究其在特定运动、认知或感知过程中的作用。根据不同形式的刺激电流，TES又分为经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）、经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation，tACS）和经颅直流随机噪音刺激（transcranial random noise stimulation，tRNS）等。其中，tDCS是目前应用最广泛的TES技术，长时程tDCS刺激对抑郁症患者的干预效果和疼痛缓解具有持续性疗效（Kuo et al.，2014；Talebi et al.，2015），其安全、无痛、廉价及参数和刺激靶点可操作性的优点，使其在多个领域都有广泛应用。

tDCS有3种刺激模式：阳极刺激（a-tDCS）、阴极刺激（c-tDCS）和假刺激（s-tDCS）。与TMS相比，它产生的低强度阈下电场不能直接引起静息态神经元放电，但能够诱导神经元极化，调节静息膜电位（Nitsche et al.，2001），即通过电场作用下调节神经元自发放电率的增加或减少影响皮质脊髓的兴奋性，因此tDCS是一种“神经调节”技术。同时，tDCS具有极性依赖特征，阳极（a-tDCS）诱导神经兴奋性，而阴极（c-tDCS）降低神经兴奋性，常用方法是通过单脉冲TMS传递给初级运动皮层（primary motor cortex，M1）引发的动作诱发电位（motor evoked poten‐tials，MEPs）测量皮质脊髓兴奋性的增加或减少（Nitsche et al.，2000，2001）。

tDCS最早作为一种外科手段被尝试用于治疗精神类疾病，20世纪70－80年代应用于帕金森和癫痫等疾病的治疗，被证实其在改善记忆和认知能力、情绪调控、降低疼痛及缓解疲劳等方面具有积极作用（Abdelmoula et al.，2016；Bachmann et al.，2010；Coffman et al.，2014），并且可以通过刺激脑部来提高大脑思维和促进运动技能的习得效果等（Foerster et al.，2013；Strobach et al.，2018）以提升运动表现。目前，国际上已将tDCS的实验室研究成果向竞技运动训练及赛场应用方面转化。Reardon（2016）于《自然》（Nature）发表的研究提到，美国滑雪协会（USSA）与Halo神经科学公司合作研发了一款大脑运动皮层电刺激设备，通过内置于耳机的2个电极向用户大脑发射轻微的电流，刺激大脑控制运动的区域，其产生的微弱电流可进入运动皮层，提升爆发力、灵活性等运动能力。该研究对7名顶级滑雪运动员进行了tDCS干预训练（4次/周，共2周），4名运动员接受a-tDCS、c-tDCS，3名运动员接受假刺激（s-tDCS），结果发现，与s-tDCS组相比，使用a-tDCS结合干预训练仅2周就使运动员的跳跃能力提高了70%，协调能力提高了80%。此外，英国运动生物医学会议的一项研究显示，tDCS刺激精英运动员下肢功能相关的运动皮层，能够延缓运动员骑行时的运动疲劳感知。随后，《自然》杂志2017年刊发名为“Smarter，Not Harder”的科技报道，大量提到以“黑科技”或科研为依托的新设备和方法在运动训练中的应用，tDCS技术则是这类科技的典型代表，指出借助脑科学干预技术可增强神经与肌肉连接、有效提高运动员神经肌肉兴奋性及肌肉内外部的协调等（Hornyak，2017）。

在国际竞技体育竞争愈发激烈的态势下，科技成为塑造运动表现、挖掘个人潜力和人类极限的关键。从仰卧起坐训练面罩（Jagim et al.，2018）、冰衣（Ross et al.，2013）和虚拟现实技术（Düking et al.，2018）到非侵入式脑刺激，尤其是被称为“神经兴奋剂”（neurodoping）和“大脑兴奋剂”（brain doping）的tDCS技术在精英运动员竞技运动训练中产生的显著效果，引发人们对脑科学技术干预运动表现的浓厚兴趣和探索热情。但基础研究缺乏对tDCS应用的长期效应和个体差异的研究，导致tDCS提升运动表现的效果也面临质疑。所以，在tDCS干预运动表现的领域，急需精准科学范式指导不同训练方向的实践应用。基于此，本研究通过归纳近20年来tDCS干预运动表现的相关研究，在梳理其干预运动员和健康人群运动表现的研究进展基础上，整理tDCS在实践应用中的主要影响，归纳tDCS对提升运动表现的应用价值，探索tDCS干预方案的构成要素，为tDCS应用于运动员运动表现提升提供理论和应用指导。

1 tDCS提升运动表现的应用研究进展

近年来，tDCS结合功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、单光子发射断层成像（photon emission tomography，PET）、脑电信号分析等现代医学信号分析技术和成像技术，使tDCS干预运动表现研究进入到更深入的脑组织功能和神经生理学层面。tDCS作为一种以脑科学干预技术为依托的新科技，在改善运动员和健康人群的肌肉力量（Ciccone et al.，2018）、爆发力（Huang et al.，2019）、有氧耐力（Angius et al.，2018）、认知能力（Borducchi et al.，2016）、疲劳恢复及缓解镇痛（Wil‐liams et al.，2013）等方面有积极效果。

1.1 tDCS助力提升肌肉力量

肌肉力量是机体对抗外界阻力的能力，根据不同体育项目的需要，运动员可能需要控制自身体重来对抗重力（如短跑、体操等）、对手体重（英式橄榄球、摔跤等）或外界物体（如足球、举重等），而肌肉力量的大小则是运动员身体或外界物体能够高效移动的最主要决定因素。研究表明，肌肉力量与发力率（rate of force development，RFD）、跳跃、冲刺跑、变向、专项技能以及激活后增强效应（postactivation potentiation，PAP）呈 正 相 关（Suchomel et al.，2016）。鉴于肌肉力量在体能训练中的重要作用，探索tDCS提升肌肉力量的效果对不同专项运动员的训练具有重要的理论和实践价值。本研究梳理了tDCS对肌肉力量影响的相关研究（表1），发现a-tDCS可通过调节运动单位数量、皮质脊髓兴奋性及冲动频率等神经肌肉因素提升人体相关部位的肌肉力量。

发力率和输出功率是肌肉力量的重要体现（Baker，2001）。1）在不同运动项目中，发力率可定义为力量变化与时间变化的比值，即运动员在做功时间有限的前提下，越高的发力率意味着更快完成运动任务和取得竞争优势，因此肌肉力量的快速产生至关重要。研究表明，atDCS干预后可通过提升皮质脊髓兴奋性而诱导肌肉力量的短期提高（Angius et al.，2016；Lattari et al.，2018）：10 min a-tDCS刺激即可提升左脚趾肌肉力量（Tanaka et al.，2009），20 min的a-tDCS干预可提升腕伸肌、左肱二头肌、肩关节内外旋肌和膝伸肌最大自主收缩（MVC）（Ciccone et al.，2018；Frazer et al.，2017；Hazime et al.，2017）。肌肉力量的快速提升对运动员发挥专项动作（如投掷、跳跃等）以及快速完成比赛任务具有明显助益；2）传统抗阻训练手段需要考虑运动员的训练水平以及力量训练基础，对于低水平抗阻训练经验的青少年和非运动员群体适用性较低。研究发现，a-tDCS可通过提升青少年足球运动员的肌肉力量提高运动员专项运动技术的发挥（Vargas et al.，2018），且在非运动员群体中，a-tDCS对健康人群肌肉力量的提升、身体素质的增强同样具有显著效果，主要表现为相关肌肉力量、负荷重量及最大力量重复次数的增加（Lattari et al.，2016；Sales et al.，2016），表明 tDCS 可能不受使用人群基础水平的影响，更具有“民用化”的应用潜力。综上，a-tDCS应用于肌肉力量方面具有高效性和普适性特点，对力量基础要求较高的运动员人群和健康人群力量素质均可起到积极的提升效果；3）研究表明，肌力不平衡已证明对足球运动员的传球准确率和自行车运动员的爆发力输出有不利影响（Hart et al.，2016；Rodrigo et al.，2015），并且该现象在游泳、举重和跳远等项目的运动员中普遍存在，主要表现为肢体两侧相同肌群的肌力失衡或者同一肢体内部主动肌力量过强和拮抗肌力量不足引发的肌力失衡，导致动作模式异常引发的组织疲劳和破坏，进而产生运动损伤。Frazer等（2017）发现，a-tDCS可显著改善非优势侧手臂肱二头肌的力量，即a-tDCS对肌肉力量的提升存在交叉激活效应。相较于传统单侧训练方法，该研究为改善运动员肌力不平衡提供了新的干预方法。

表1 tDCS对肌肉力量的影响Table 1 Effects of tDCS on Muscle Strength

tDCS提升肌肉力量的主要机制是通过调节与肌肉力量相关的神经因素，当前研究主要通过肌电图信号评价神经肌肉功能。Frazer等（2017）通过肌电图发现，a-tDCS可明显提升肱二头肌肉的肌电振幅（electromusclegram amplitude，EMG），而EMG的变化与运动单位的募集数量、冲动频率和同步性密切关联。因此，可推测a-tDCS可能对运动单位募集数量、冲动频率和同步性存在调节作用。Hazime等（2017）对手球运动员的研究同样证明了上述推测，研究发现，a-tDCS可增加运动单位的募集数量来提升运动员肩关节内外旋肌MVC，帮助运动员更好地完成传球、冲刺跑等专项技术任务。此外，有研究表明，运动员肌肉力量提升与皮质脊髓兴奋性密切关联（Washabaugh et al.，2016）。综上可知，tDCS主要通过提升皮质脊髓兴奋性、运动单位的募集数量、冲动频率及同步性等神经肌肉因素来提升运动员的肌肉力量。

1.2 tDCS有助于提高肌肉爆发力

爆发力素质主要反映运动员在短时间内产生高机械功率的能力。爆发力是短时高强度项目运动员的必备素质，与垂直跳跃、冲刺跑、变向以及专项技能等运动指标密切相关，主要体现为格斗类运动项目中短时、频繁和突击性的高强度动作，投掷项目以及持续多次的网球击球等（Girard et al.，2011）。探索运动员爆发力训练的新方法对精英运动员获得竞争优势至关重要。

当前研究主要通过不同形式的冲刺和跳跃类项目评价tDCS对运动员爆发力素质的影响。1）在短距离冲刺项目的干预研究中，a-tDCS可提升30 s Wingate测试1～5 s的平均功率输出（Sasada et al.，2018）和重复冲刺训练中的最大功率（Huang et al.，2019），a-tDCS对功率输出指标的提升有利于运动员在田径100～400 m短跑、500 m速度滑冰及短时高强度运动（≤60 s）等竞技运动项目中取得更好的运动成绩；2）在爆发力关键评价指标方面，tDCS也有较好的研究应用。Lattari等（2018）发现，中心点（Cz）持续刺激20 min a-tDCS可显著提升CMJ高度、腾空时间、峰值功率指标。说明，在与垂直弹跳能力相关的运动项目中具有较大应用空间；3）传统训练通过举重相关衍生训练、快速伸缩复合训练以及轻重负荷结合抗阻训练等手段来提升专业运动员的爆发力素质（De Weese et al.，2015；Hackett et al.，2016），受到运动员的体能水平、教练员执教水平以及训练中可能的受伤风险等干扰因素的影响，tDCS在应用于爆发力训练过程中不易受到上述干扰因素的影响。综合目前研究发现，a-tDCS对于爆发力的提升效果突破了传统训练的局限，缩短运动员专项爆发力形成的进程，是一种极有应用前景的神经调节训练手段。但应注意的是，目前tDCS干预爆发力的研究仍然相对较少，亟待对不同水平和不同项目的运动员人群开展探索和干预研究，以进一步明确其干预效应。

爆发力素质受到神经肌肉以及能量供应系统的影响。运动单位为一个α运动神经元及其控制的所有肌纤维，是肌肉运动的基本单位。研究表明，a-tDCS可通过激活运动皮层兴奋性诱发神经元的放电频率，增加运动单位的神经冲动频率和II型肌纤维募集数量，提升与爆发力相关的跳跃（Lattari et al.，2018）、冲刺（Huang et al.，2019）以及高强度肌肉收缩能力（Williams et al.，2013）等运动表现指标。此外，有关爆发力素质的训练或比赛主要能量供应来源为ATP-CP系统，最高每秒15 mmol/kg的ATP转化率足以支撑1～2 s的最大爆发力输出，且在10 s和 30 s的冲刺中分别消耗15%～30%（Boobis et al.，1982）、45%（Jones et al.，1985）的ATP。因此，从能量代谢角度来说，每秒的爆发力输出功率是由ATP合成的时间和水解速率决定。tDCS对爆发力素质相关指标的提升效果表明，a-tDCS可能改善能量供应系统的整合效率。但该机制的推测缺乏明确的研究支撑，仍需要进一步实验证明。

1.3 tDCS有助于提高肌肉耐力

肌肉耐力是指人体在外部阻力的情况下，按照特定要求持续运动一定时间或重复一定动作次数的能力，反映肌肉的抗疲劳能力。长期规律的肌肉耐力训练可增加运动员毛细血管、红细胞和血红蛋白数量，加速氧气运输到线粒体的速度及增强机体对氧气的运输和利用率，使心肌氧化磷酸化生成ATP的能力加强，有助于改善运动员自身能量代谢和延缓运动疲劳的出现。因此，肌肉耐力素质是影响不同运动项目运动员比赛表现关键指标之一。本研究总结了tDCS对肌肉耐力影响的相关应用研究（表2）。

tDCS干预肌肉耐力表现最常用的评价方案为力竭测试（time to exhaustion，TTE），即在疲劳的基础上，使机体继续保持运动，直至完全不能运动，通过运动持续时间评估tDCS对于肌肉耐力的激活效应。研究发现，tDCS在改善肌肉耐力方面有如下特征：1）a-tDCS对不同肌肉强度的TTE测试时间具有明显的提升效果，主要体现在肘关节 20%（Angius et al.，2016；Oki et al.，2017；Williams et al.，2013）、35%（Abdelmoula et al.，2016；Cogiamanian et al.，2008）的MVC训练中，因此，在不同强度的肌肉耐力训练中，应用a-tDCS有助于提升训练效果；2）Oki等（2017）发现，a-tDCS同样可提升老年人群的肘屈肌持续运动时间，认为a-tDCS对肌肉耐力的干预效果可能受到测试人群基础水平的影响，即测试人员运动水平越低，提升效果越显著，表明在低水平或青少年运动员中应用a-tDCS很可能对肌肉耐力的提升有更明显的积极效果；3）在干预方案设计中，发现肩部刺激方案（阳极位于运动皮层，阴极位于对侧肩膀）比头部刺激方案（阳极位于运动皮层，阴极位于对侧运动皮层）有更高的阳性发生率，分别为42.9%、28.6%。因此，实际应用中采用肩部刺激方案更有助于提升运动员的肌肉耐力素质；4）高清经颅直流电刺激（HD-tDCS）采用4×1的环状配置，由于其相较于传统tDCS有更好的空间聚集性和刺激效果，在运动表现领域的相关研究逐渐增多。研究发现，HD-tDCS对人体肌肉耐力素质无提升效果，但对运动性肌肉疼痛具有积极的抑制效果（Flood et al.，2017；Radel et al.，2017），研究者认为，HD-tDCS可能通过刺激前额皮层（prefrontal cortex，PFC）来抑制运动疼痛感知而提升肌肉耐力运动表现。因此，HD-tDCS应用于PFC可能有助于提升肌肉耐力素质，但需要大样本量和精确靶向刺激进一步研究来验证。综上，atDCS对不同水平运动员和不同运动强度中的肌肉耐力训练都具有提升效果，肩部刺激和PFC靶向刺激更有助于提升人体肌肉耐力表现。

表2 tDCS对肌肉耐力的研究进展Table 2 Effects of tDCS on Muscle Endurance

a-tDCS提升肌肉耐力的可能机制为：1）提升运动皮质或皮质脊髓的兴奋性，增加肌肉之间的协调性和减少肌肉抑制效应（Cogiamanian et al.，2008；Williams et al.，2013）；2）a-tDCS可能影响感觉运动皮层的相关区域，在不改变脊髓神经元兴奋性的前提下，增加肌肉收缩过程中的运动感知觉整合，通过减少运动过程中的疼痛和疲劳感知，提升肌肉耐力运动表现（Abdelmoula et al.，2016；Angius et al.，2016）。

1.4 tDCS提升有氧耐力的应用研究证据

最大摄氧量和乳酸阈值是评定人体有氧工作能力的重要指标，前者主要反映心肺功能，后者主要反映骨骼肌的代谢水平。优秀耐力型运动员和以短促变向、跳跃、侧向跑为特征的足球及橄榄球运动员需要在不同周期训练阶段中安排合理的有氧耐力训练（Arcos et al.，2015；Clement et al.，2014；Gabbett，2006）来提升专项素质。评价运动员有氧能力是教练员制定科学化训练的基础，有氧素质中的最大摄氧量、乳酸阈、次最大速度/强度的摄氧量需求及低浓度血乳酸的摄氧量水平等关键生理学指标为教练员和科研人员提供了准确信息，助力制定精准化训练方案，从而提升训练效果（Chamari et al.，2015）。研究表明，有氧素质的关键指标与比赛速度（Coyle，1995）、赛中最大速度（Basset et al.，2000）、比赛节奏（Jones，2007）密切相关，其中最大摄氧量等指标的提升对于提高运动员运动表现以及健康人群、患病者和残疾者有氧能力具有积极作用（Stagg et al.，2011）。因此，探索tDCS在有氧耐力训练中的应用价值对改善不同人群的体能训练效果有重要意义。

tDCS干预有氧耐力的干预方案主要具备两个方面的特征：1）tDCS干预有氧耐力素质的研究主要通过≥70%自行车TTE测试方案来评估干预效果，通过力竭时间评估运动员的疲劳状态和运动表现。Okano等（2015）首次研究了tDCS在递增负荷自行车TTE运动方案中的作用，研究发现，a-tDCS可明显改善运动员在递增负荷自行车实验中的峰值功率输出（peak power output，PPO），同时颞叶和岛叶皮质上的电刺激能够有效延缓运动员的运动疲劳感知。因此，该脑区的电刺激对有氧耐力运动表现的改善具有积极作用；2）为了验证电极设计方案对tDCS刺激效果的影响，后期研究分别以70%、75%、80%PPO强度进行自行车TTE测试，发现中心点结合肩部刺激方案（阳极置于右侧运动皮层，阴极置于双侧肩膀）可有效提升运动员的有氧耐力表现，而头部刺激方案（阳极置于右侧运动皮层，阴极置于右侧前额）则无法提升运动员的有氧耐力表现。因此，肩部、中心点以及岛叶皮层的电极方案诱导的刺激效果要优于仅做头部刺激方案。

在tDCS干预下肢有氧耐力的实验中，tDCS可能通过提升岛叶皮层或颞叶的神经元活性而降低主观疲劳感知（rating of perceived exertion，RPE），从而提高机体对有氧运动的耐受性；a-tDCS可提升运动皮层和中枢神经系统的兴奋性，延缓神经肌肉的抑制效应，延缓疲劳出现的时间，从而增加运动员有氧耐力运动的时间，提升运动表现。虽然也有研究表明，a-tDCS对不同强度有氧耐力训练的运动表现具有显著的提升效果，但目前研究的主要研究对象是健康人群（表3）。因此，a-tDCS对精英运动员有氧耐力是否有明确影响，短期和长期影响的效应如何，仍需要更多研究来探索。

1.5 tDCS对疲劳恢复与镇痛效果的影响

运动性疲劳是影响运动表现的重要限制性因素，即运动引起机体不能够维持原有肌肉收缩力量或输出功率水平，延缓疲劳无疑有利于运动表现的提升。经典研究认为，疲劳主要发生在中枢神经和外周两个不同部位，即疲劳的发生与大脑和肌纤维之间的稳态条件的改变有关（Noakes et al.，2004）。目前tDCS对于疲劳的抑制效果主要通过疲劳感知量表、颤搐叠加技术、肌电图以及功率输出变化等方法来评估，其中，衡量运动员疲劳状态的有效指标包括疲劳出现的时间、神经电活动特性和肌肉力学的变化。

表3 tDCS对有氧耐力的影响Table 3 Effects of tDCS on Aerobic Endurance

研究表明，大脑皮层运动区和前运动区在脑疲劳中扮演着重要角色（Gandevia，2001），而对于该区域的a-tDCS刺激可明显降低运动员在次最大强度肌肉耐力训练的后期（Abdelmoula et al.，2016）、恒定负荷有氧耐力训练（Vi‐tor-Costa et al.，2015）及最大速度冲刺训练（Sasada et al.，2017）的疲劳感知。研究发现，a-tDCS对运动员疲劳状态有如下影响：1）在不同强度的单关节等长收缩TTE运动测试中，研究发现a-tDCS可诱导疲劳感知的延后甚至降低（6%）。研究认为，a-tDCS可以通过增强皮质脊髓的兴奋性，增加运动单位的募集数量和神经肌肉的抑制效应，从而提升肌肉耐力、有氧运动表现（Cogiamanian et al.，2008；Williams et al.，2013；Vitor-Costa et al.，2015）；2）Oki等（2017）发现，a-tDCS可通过提升运动皮层的兴奋性，降低中枢神经的疲劳反应。但也有研究显示，a-tDCS对高强度无氧运动（Deckert et al.，2015）、肌肉耐力（Radel et al.，2017）以及最大力量（Montenegro et al.，2015）运动中的中枢疲劳并无抑制效果，研究推测可能的原因为刺激方案、刺激区域和运动类型等干扰因素。此外实验中热身活动、运动员测试时的身体、心理状态等因素也会影响到机体的疲劳状态。因此，基于目前的实验证据，a-tDCS抑制运动性疲劳的机制尚无明确结论，仍需要在扩大样本量和严格控制实验条件的基础上深入研究。

疼痛作为一种基本感觉，离不开初级感觉皮层的参与，神经调控是控制急性疼痛和慢性疼痛的一种重要手段和有效的替代疗法。M1和背外侧前额叶皮层（dorsal lateral prefrontal cortex，DLPFC）是运动疼痛研究的常用靶点。研究显示，a-tDCS和c-tDCS都具有提高疼痛阈值，降低疼痛感知的作用（Bachmann et al.，2010；Nitsche et al.，2001）。但在不同的冷热环境下，a-tDCS的调节作用缺乏一致的结果。研究发现，M1的a-tDCS可调控热痛和冷痛，阴极刺激更倾向于调节机械痛（Barwood et al.，2016），而不同类型的疼痛研究结果显示，a-tDCS对冷热环境中的疼痛均无缓解作用（Angius et al.，2015）。但冰雪项目和湿热比赛环境中的运动员也可能受益于a-tDCS在不同环境中的镇痛效果。因此，tDCS对于肌肉疼痛的缓解效果尚不能下定论，还有待采用大样本、多中心、均一参数的实验进一步验证（王静等，2015）。上述研究表明，疼痛感觉是多个脑区共同参与的网络活动，tDCS刺激多个脑区都可调控疼痛的结果为验证脑区的参与功能和疼痛影像学结果提供了干预性证据。

1.6 tDCS对认知能力的影响

认知能力与大脑处理内外信息的加工能力有关（Bostromet al.，2009），以往增强认知能力的设备存在价格昂贵、不易操作和高风险等不足（吴成凯等，2019）。tDCS以便捷、低成本、安全高效的优点而用于治疗认知功能障碍的神经疾病患者，结合计算机神经模型和磁共振成像技术，为健康个体和运动员的认知功能提升提供了新的选择。

tDCS干预认知能力的研究主要发现：1）tDCS提升机体认知能力基于阳极的兴奋作用和阴极的抑制作用（Nitsche et al.，2000）；2）认知能力并不依赖某个脑区的单独作业，而是多个脑区协同工作的结果；3）tDCS不仅可以通过刺激到特定脑区，还可作用于与认知能力相关的脑网络（Pisoni et al.，2018），获得一定的干预效果；4）a-tDCS通过改变相关脑网络的功能连结和不同脑区之间的协同效率来增强认知能力（Meinzer et al.，2012）。

优秀运动员的高水平感知（Sevdalis et al.，2016）、认知、视觉表现（Heppe et al.，2016）以及决策行动（Coh et al.，2015）能力在处理运动信息方面显著超越一般运动员。tDCS主要通过刺激感知觉皮层、PFC和DLPFC区域来提升运动员的感知觉、注意、记忆（Coffman et al.，2014）、运动技能习得（Reis et al.，2009）和复杂任务处理能力。1）感知觉：a-tDCS可提升人体对视觉（Kraft et al.，2010）、听觉变化敏锐度（Ladeira et al.，2011）、识别表情的能力（Boggio et al.，2008）；2）注意：fMRI研究表明，PFC、前额眼动区、顶内沟和下顶叶皮层等脑区组成了注意的额-顶网络，是自上而下注意加工的重要脑区（Dixon et al.，2017），且a-tDCS刺激相关区域可明显提升人体的注意警觉（Coffman et al.，2014）、注意偏向和注意资源（Weiss et al.，2012）；3）记忆能力：有研究通过记忆范式评估tDCS对记忆能力的影响，发现a-tDCS不仅能增强工作记忆，而且在高难度和高负荷的记忆任务中，a-tDCS刺激DLPFC区域对男性和女性的记忆能力都有显著提升效果（Meiron et al.，2013）。但由于a-tDCS刺激效应的神经机制复杂性以及刺激参数差异性等因素影响，在部分研究中仍存在阴性结果（Nilsson et al.，2017），因此目前尚不能准确评价其对记忆能力的确切效果；4）运动技能习得和复杂任务处理：a-tDCS对学习能力提升的生理学机制主要来源对突触可塑性的长时程增强或抑制（Stagg et al.，2011），研究表明，a-tDCS可显著提升动作学习的绩效（Foerster et al.，2013）。在多任务环境中，a-tDCS不仅能加快任务处理，而且可以抑制任务处理绩效的衰减（Strobach et al.，2018）。提示，tDCS对认知能力的改善效果可能会转化为运动员在训练或比赛中的竞争优势，从而帮助运动员取得更好的训练效果和比赛成绩。

2 精准tDCS干预方案的制定

tDCS干预运动表现的研究呈现出不同干预效果以及个体间的高度变异性（López-Alonso et al.，2015），刺激脑区的区域差异、电极放置位置、实验设计以及运动员状态等因素是影响干预结果的重要因素。明确和细化tDCS干预方案的构成要素和影响原因有助于制定精准的电刺激干预方案，从而提升tDCS应用的安全性和使用效率。

2.1 电极极性

神经生理实验证明，当a-tDCS靠近神经元胞体和树突时，静息电位降低，神经元自发放电增加，产生去极化，从而激活细胞的活性。当电场方向转换时神经元放电减少，发生超极化的现象，从而降低细胞的活性。因此，tDCS通常将阳极置于目标刺激脑区，阴极置于对侧脑区或肩膀，通过极性特征提升或降低神经元和整个神经元群的兴奋性来调节人体的神经变化。Boros等（2008）发现，a-tDCS可诱导运动皮层兴奋性增加，进而提升运动表现。此外，Lattari等（2018）发现，80%的受试者出现ctDCS后所有测量指标的下降情况，但目前没有更多的实验验证c-tDCS对于运动表现的抑制效应，因此c-tDCS对运动员的影响需要进一步深入研究并明确其应用价值。

2.2 刺激剂量

tDCS刺激剂量一直是应用方面的重点问题，其经典参数值为：电极面积25～35 cm2，电流强度1～2 mA，最长持续刺激时间20 min，该经典模式在研究中被广泛应用，只有少量皮肤刺激损伤的副作用被报道，因此被认为是安全的刺激方案。随着研究深入，更精确的剂量参考有利于明确tDCS干预运动表现最佳刺激范式。综合前文研究，决定刺激剂量的因素可归纳为两类：电流参数和电极参数。tDCS为直流电输出，电流无频率和波形变化特征，其电流幅度的大小即可衡量输出电流强度。结合目前tDCS提升运动表现的相关研究可发现，目前临床研究多采用1.5～2 mA的电流强度（表4），该区域内的电流强度均可发现对相关运动能力的提升作用。另外，模拟数值仿真结果显示，电流强度的变化会显著影响大脑的电场分布，当电流强度不足时，提高输入电流的大小是一种可行性的调整方式，但该方式适用于对整个大脑区域进行刺激的研究。除了上述因素会影响到刺激剂量，持续刺激时间也是影响刺激效果的重要因素。普遍认为，应用时间越长，后效应越长。但有个案报道表明，增加tDCS的刺激时间会抑制神经皮质的兴奋性。因此刺激时间与刺激效果之间并非正相关，需进一步研究证实。综上，目前针对不同运动能力的刺激剂量应用形式多样，选择时遵循的基本原则是将目标电极置于目标脑区的头颅表面位置，电流大小、刺激时长以及电极规格、布局等方面的调控多为经验选择，缺乏明确指导，需进一步研究。

表4 不同运动能力提升的刺激方案Table 4 Stimulation Programs in Improving Different Sports Abilities

2.3 脑部刺激区域

tDCS干预方案中最常选取的脑部刺激区域为M1。研究表明，在持续MVC运动期间，由于M1和其他脊髓上区域无法增加神经驱动力来补偿脊髓兴奋性的降低，导致肌肉功率输出能力下降，进而引发疲劳，降低小肌肉群（如屈肘）以及大肌肉群（如自行车骑行）的运动表现。因此，a-tDCS应用于M1可以削弱传递到脊髓运动神经元池的Ib反馈，保持活跃的神经活动，从而减少神经肌肉抑制，提升运动员的力量-爆发力素质（Agaard et al.，2002）。此外，a-tDCS对M1靶点的刺激可提高运动员的疼痛阈值，降低疼痛感知，从而提升运动员的耐受能力，最终表现为肌肉耐力和有氧耐力素质的提升（Mauger，2013）。因此，tDCS刺激M1区域可通过减少神经肌肉抑制和疼痛感知来提升运动表现。

PFC在认知行为控制以及处理内外部信息方面发挥重要作用（Robertson et al.，2016）。PFC对机体自上而下产生影响，诱导运动员有节奏完成训练或比赛任务，通过延缓不同强度和持续时间的运动任务中的疲劳感知，从神经生物学方面优化运动员决策和调控动机，达到提升运动表现的目的（Pageaux et al.，2014）。Van Cutsem等（2017）研究发现，增加PFC在运动期间对身体信号（如神经疲劳）的控制能力会提高运动员的耐力表现。因此，tDCS通过对PFC区域进行干预，提升身体感知信号的抑制能力，使机体的意志驱动力保持在运动皮层，从而延长高水平运动的持续时间。

2.4 电极放置位置

tDCS的电极多采用单对或双对，其中一个或一对置于刺激脑区对应的头皮表层，另侧电极则置于头部其他位置或颅外区域。其中电极的位置、距离、面积和形状等参数问题共同决定了电极布局方案。根据前期研究方案归纳出4种经典电极布局方案：单边、双边、中线和双通道（图1）。在tDCS干预耐力素质的相关研究中，发现A方案和L方案无法提升运动员的耐力表现（Angius et al.，2015；Muthalib et al.，2013），研究推测可能是单边的头部刺激方案对控制下肢肌肉的脑区激活程度不够所致。因此，为了验证这一问题，Angius等（2018）再次测试L刺激方案下tDCS对自行车运动TTE测试的影响，即将刺激电极置于右M1，阴极置于双侧肩膀。同时为探讨tDCS可能的神经生理机制，实验对tDCS前后的神经肌肉和皮质脊髓反应进行了监测。结果发现，在相同的测试方案下，a-tDCS后运动员膝伸肌有氧耐力的持续运动时间延长，并观察到膝伸肌运动时脊髓兴奋性增加，同时伴随有RPE降低的趋势，由此推测L刺激方案的效果可能优于单侧。而在肌肉力量与爆发力素质方面，A方案和B方案应用最多、效果最好，其他刺激方案在不同运动能力的实验研究中均有积极效果。因此，在不同训练目的和比赛项目基础上，选择合适的电极位置刺激有利于实现运动员竞技表现的最大化。

2.5 影响干预效应的其他因素

在制定tDCS干预方案的基础上，不同人群及运动水平、热身方式、心理状态及运动强度等也会对实验结果产生重要影响。研究发现：1）tDCS对青少年、女性以及老年人运动能力的提升效果要明显优于健康男性或运动员，表明a-tDCS在运动水平越低的运动员中其干预效果可能越明显，外界刺激干预对肌肉功能有更高的提升，不易达到“天花板”效应（Oki et al.，2017；Vargas et al.，2018）；2）tDCS干预最大肌肉力量以及爆发力的实验中，实验前的热身激活方式对实验结果有重要影响。如弹振式训练可降低运动单位募集的阈值并在极短的时间内激活全部的运动神经（Duchateau et al.，2008），帮助运动员产生更好的力、速度、功率以及肌肉激活，因此在不同的运动项目中要合理安排热身激活方法，充分激活肌肉功能，以达到tDCS干预的最佳效果；3）运动员身体以及心理的疲劳状态可能会对实验结果造成影响（Sasada et al.，2017），研究者可通过疲劳感知量表积极监测运动员身体状态，合理安排实验时间，排除人体节律性变化的影响；4）Kan等（2013）发现，在30%MVC的肘关节TTE测试任务中，a-tDCS对肌肉耐力相关运动任务的持续时间和疲劳抑制并没有改善效果，可能由于运动强度太小，运动员肌肉耐力的疲劳发展状态未达到需tDCS刺激的水平，因此适宜强度的选择也会有助于tDCS干预效果的实现。

图1 电极布局示意图Figure 1.Schematic Diagram of Electrode Layout

除了上述因素外，传统tDCS以及HD-tDCS可能会诱发相邻脑区无关神经元的变化（Flood et al.，2017；Montene‐gro et al.，2015），后续研究可在fMRI等脑功能成像的呈现基础上明确实际刺激区域，实现更精准的人脑靶向性刺激。

3 tDCS的应用策略

3.1 力量训练中的应用

根据力量训练的生理机制和tDCS干预力量训练的主要机制，概述tDCS在力量训练中可能的应用主要表现在以下方面：1）提高短期抗阻训练的效果，一般时长为2～4周；2）根据tDCS在低水平训练经验运动员的提升效果，对青春期前的青少年人群抗阻训练效果的提升有一定的应用潜力；3）在较长时期力量训练计划中，每次力量训练之前采用tDCS进行针对性的激活，可提高力量训练的效果；4）在力量训练过程中采用tDCS可降低运动员的神经肌肉疲劳，提高力量训练的效果，同时为精英运动员积累一定的训练量提供科技支撑；5）力量训练结束后，采用tDCS进行神经放松，与拉伸、按摩、冷热水浴等放松方式配合，提高运动员训练后的恢复效果；6）提高采用杠铃进行爆发力训练的效果、大力量向爆发力转化的效果、快速伸缩复合训练的效果以及塑造特定专项需求的力-速曲线和特定专项动作需求的力-速特征；7）在同期训练（大力量训练和有氧耐力训练）计划、复合训练（大力量和爆发力）、PAP效应训练计划等训练计划中采用tDCS干预，提高训练的综合效果；8）在灵敏性训练、多向速度训练以及爆发力和专项技术的整合训练中采用tDCS干预，提高爆发力和其他体能要素及技术的整合效果。总之，在不同形式的抗阻训练计划中，借助tDCS以提高训练的效果亟待需要更多的原创研究来佐证，从国际研究进展来看，tDCS在不同类型的体能训练计划中的研究很少，亟待针对精英运动员群体进行多维度的研究，为制定精细化的干预方案提供更多理论支持。

3.2 耐力训练中的应用

tDCS通过提高中枢神经兴奋性和延迟神经抑制效应来提升运动表现。tDCS在耐力训练中的应用主要体现为4个方面：1）tDCS应用于有氧耐力训练，通过提高人体对疲劳的感受阈值，不断挖掘运动员自身潜力；2）tDCS应用于无氧训练间歇，降低人体对疲劳的感受；3）tDCS应用于肌肉耐力训练，提高肌肉耐力的训练效果；4）在有氧耐力训练、无氧耐力训练之后借助tDCS进行神经肌肉放松，降低过度训练发生概率，为精英运动员持续训练提供科技支撑。

3.3 运动技能训练中的应用

研究表明，tDCS长时程作用于大脑皮层，可通过提升肢体运动的精细活动和动作反应时间来提升运动技能的获取能力（Shinichi et al.，2014；Steele et al.，2010），且运动技能的提升在tDCS刺激后数天的效果优于刺激后的即刻表现（Janine et al.，2009），在运动技能的长期巩固方面，电刺激对新技能的学习有明显的巩固作用（Ammann et al.，2016）。因此，长期规律使用tDCS可以加速运动技能学习，提升技术动作重复的准确率，该应用可能对体操、花样滑冰等需要长期反复技术动作训练的运动员专项能力的提升有重要意义。此外，在周期性的训练计划中，随着比赛的临近，专项技战术训练的比例得以加强，在该阶段可借助tDCS技术，整合爆发力和专项技术动作，强化专项动力链和专项技术链的高度整合，强化专项动作的准确性、高效性和经济性。

3.4 正式比赛前的应用

高水平竞技体育比赛经常在不同时间段进行，运动员的运动表现也会随着比赛日时间的变化经历不同改变（Chtourou et al.，2012），虽然有研究分析了不同的准备策略对不同项目运动员表现的影响，但比赛日当天所采用的干预手段也可能会提升其运动表现（Russell et al.，2016）。在实际应用中，正式比赛前的时间阶段又细分为比赛前3 h，赛前3 h内和正式比赛间歇策略3类。因此，tDCS在正式比赛前的应用主要分为：1）将运动员从休息状态转变到训练状态，同时减少疲劳，这是比赛前3 h运动员的赛前激活练习的主要目的。热身活动的强度是保证赛前策略有效性的关键因素。运动常规热身以全身抗阻训练、冲刺跑等激活项目为主，通过降低生物节律性对身体运动能力的影响，缓解睾酮、皮质醇等激素的周期性下降（Cook et al.，2012）。tDCS作为一种神经训练手段，经过15～20 min的短时刺激可能提升运动员肌肉运动单位的募集数量和冲动频率，调动神经肌肉因素的改变，为运动员带来更好的比赛状态，同时降低因为传统热身带来的肌肉损伤等风险因素。而良好的热身训练产生的结果可以在一定程度上转化为比赛专项运动表现的提升。2）比赛前3 h以内的弹振式训练（如跳深、单腿跨跳、弹射式卧推等）可优先募集II型运动单位，有效激发PAP效应，从实践角度来看，考虑到PAP效应的短暂性和热身结束与比赛开始的间隔时间，PAP效应可能仅对运动员比赛初期的运动表现有帮助，tDCS可通过与各种热身激活方式相结合，提升PAP效应，改善运动员比赛早期的运动表现。3）大多数集体比赛项目中，都有10～20 min的中场休息时间，包括运动员返回更衣室、参与战术讨论、接受药物治疗和补充营养补剂等（Russell et al.，2016，Towlson et al.，2013）。由于运动员身体部分能源物质的下降和疲劳的产生，20%的足球运动员在下半场比赛开始阶段至少有15 min最低强度的状态表现（Mohr et al.，2005），已证实中场休息期间的间歇性灵敏训练、全身振动训练、小场地训练和下肢抗阻训练都会对运动员比赛状态产生有益效果（Lovell et al.，2013，Zois et al.，2013）。tDCS可通过干预中场休息的训练来帮助运动员在技术表现和身体能力方面受益，同时还可有效缓解运动员的心理和身体疲劳。因此，tDCS结合不同热身阶段的激活方式可能对运动员比赛状态和比赛结果带来积极效果，拓展了tDCS在运动表现领域的应用范围。

3.5 运动员恢复中的应用

tDCS在运动员训练及赛后恢复中的应用主要包括肌肉疲劳恢复、神经疲劳恢复和肌肉疼痛缓解。1）tDCS与目前常用以缓解远动员肌肉疲劳的神经肌肉电刺激技术（neuromuscular electrical stimulation，NMES）相较而言，NMES更偏向物理治疗手段，其对肌肉运动表现和功能方面，与主动恢复效果相当（Malone et al.，2014），而tDCS刺激深度更高，并且侧重于神经肌肉镇痛效果，对运动员恢复可能助益更多；2）NMES通过对表面肌肉的电极刺激引发肌肉收缩，提升局部肌肉血流量（Malone et al.，2014；Taylor et al.，2015），进而增加氧气、激素和恢复营养供给，促进骨骼肌修复，减少炎症发生（Wilcock et al.，2006；Barnett，2006），而 tDCS应用于运动员疲劳恢复主要通过增加运动单位的募集数量和神经肌肉的抑制效应来舒缓运动员的神经疲劳；3）不同类型疼痛研究的结果显示，阳极刺激M1主要调控热痛和冷痛（Csifcsak et al.，2009），阴极刺激更倾向于调节机械痛（Barwood et al.，2016）。因此，在运动员恢复过程中给予适当的电刺激有助于缓解肌肉疼痛。虽然也有报道称tDCS对疼痛（如热痛、慢性神经病理性疼痛及慢性炎症疼痛）没有显著的缓解效果（Jesen et al.，2013；Dubois et al.，2013）。因此，未来除了进一步观察a-tDCS对运动员肌肉疲劳恢复的即时性效果以外，应集中研究tDCS对肌肉疲劳恢复的长时程效果。

3.6 其他方面的应用

鉴于tDCS对注意力、记忆及信息加工处理等认知功能方面的积极效果。在需要高度注意力的射击类项目中，增强a-tDCS对PFC和眶额皮层的刺激可提升运动员的注意加工能力及抑制注意衰减。此外，在定向越野、体操、跳水等运动项目中，对人体空间记忆能力提出高要求的同时，要求大脑处理高难度的多重任务，借助a-tDCS刺激DLPFC可显著增强运动员的记忆能力，提高运动员的精确技术感知，提升运动员的运动表现。目前针对高水平运动员的研究相对较少，且样本量较小，未来研究可针对不同项目高水平运动员的特定需求，探索不同的刺激方案来优化干预效果。

3.7 应用风险

尽管普遍认为tDCS是无创脑部干预的重要手段，但是在使用过程中也可能会出现一定的风险。tDCS应用中容易出现轻度刺痛感、轻微发痒感和中度疲劳感等不良反应，刺激后容易出现头疼、恶心和失眠等症状。较为严重的应用风险为轻微电灼伤和诱发癫痫，电流强度过大可能是不良反应的原因之一，但上述症状在休息调整后即可恢复正常。对tDCS的安全性进行更详细的研究是用增强和扩散加权磁共振测量方法评估神经元损伤，发现脑电图未见病理波形，并且刺激后神经心理指标无明显恶化（Iyer et al.，2005）。在刺激强度2 mA，刺激时长20 min的方案中，7T磁共振扫描仪也没有发现病理性损伤（Stagg et al.，2011）。此外，在电流敏感人群中，刺激中的皮肤感觉易受到电极形状的影响，电极边缘的锐利角度容易造成偏高的电流密度，易引发皮肤副作用。因此实验中可选用圆形电极减少不良反应发生率。综上，不良反应的出现与刺激电流、电极方案密切相关，在干预运动表现的基础研究和实际应用中，要注意避免上述因素带来的不良反应。

4 总结

tDCS可增强运动员和健康人群的肌肉力量、爆发力、有氧能力，提升疲劳感受阈值、延长运动员持续运动时间、改善认知能力，是塑造运动表现的重要手段。

tDCS干预方案的构成要素包括：电极极性、刺激频率、刺激时间、电流强度以及电极布局，实践应用中需充分考虑实验设计、运动员状态等影响因素，探索更加科学有效的干预模式。

抗阻训练结合tDCS干预可能改善不同形式的抗阻训练（短期抗阻训练、长期抗阻训练、同期训练、复合训练和激活后增强训练等）的效果，tDCS在青少年抗阻训练中的应用值得关注；在耐力训练中应用tDCS可提高疲劳感受阈值和运动持续性；tDCS可能对提升运动技能的习得与完善发挥积极作用；通过在正式比赛日借助tDCS进行赛前和赛中激活，可能对调控运动员比赛状态产生积极影响；比赛和训练后借助tDCS可以舒缓神经和肌肉疲劳，抑制肌肉疼痛，提高运动员疲劳恢复的效果。

尽管tDCS在理论上具备很大的应用价值，但目前的实验研究结果并不一致，亟待开展针对不同性别、年龄、项目的高水平运动员进行原创研究来探索应用效果、量效关系及精准刺激方案。

tDCS在运动员和健康人群的推广应用中须注意以下限制性因素：个体间的差异性、运动员可能存在的“天花板”效应及电流能否高效到达运动皮层的代表区等。

tDCS对挖掘运动员的个人极限潜力具有重要的应用价值，考虑将tDCS纳入体能训练的方法体系，科学及针对性的应用于高水平运动员运动表现训练。