间歇性Theta节律刺激对运动员神经肌肉激活的效果

赵凡 刘勇 陈冲 崔书强

北京市体育科学研究所（北京 100075）

科研人员在长期跟队训练和比赛中发现，运动员上午大强度训练后，经过午休，下午进行训练前会出现注意力不集中、机体唤醒水平较低的情况。低唤醒水平不利于运动员决策能力及运动表现的发挥，而高唤醒水平（自主神经系统中交感神经活跃）则有利于运动员决策能力提高，快速进入训练或比赛状态[1]。为了让运动员训练和比赛前快速进入高唤醒水平、提高注意力，通常采用常规的身体准备活动、呼吸调节、专项动作练习等方式进行神经肌肉唤醒，提高机体兴奋性。随着科技的发展，非侵入性脑神经调节技术如经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）技术改善大脑皮层的兴奋性已得到了越来越多研究的证实[2]。国外有研究者也将此技术用于改善运动员训练和比赛前的大脑皮层兴奋性，以获得更好的训练效果和比赛成绩[3]。

TMS 利用法拉第电磁感应原理，在线圈拍中心位置产生1～4 特斯拉磁场，该磁场作用于中枢神经系统产生感应电流，改变神经细胞膜电位，从而影响中枢神经活动[4，5]。该技术能实现颅脑深部中枢神经的刺激，不适感很小，属于无创方法[6，7]。高频重复经颅磁刺激（repeated transcranial magnetic stimulation，rTMS）对大脑皮质的兴奋性起易化作用，提高大脑皮质兴奋性[8]；低频rTMS对大脑皮层的兴奋性起抑制作用，降低皮层兴奋性[9]。这种调节作用机制类似于复杂的长时程增强和长时程抑制[10，11]。近些年出现一种新的刺激模式——θ 爆发刺激（theta burst stimulation，TBS），TBS是丛状刺激，丛间频率为5 Hz，很好地模拟了人体神经元真实动作电位的重复爆发性放电模式[12]。TBS 作用于中枢神经效果好[13]，且刺激时间不长，可以引起较长时间的皮质兴奋性改变，从而在临床医学中被较为广泛地应用[14]。TBS 分为两种，分别是连续性Theta 节律刺激（continuous theta burst stimulation，cTBS）和间歇性Theta 节律刺激（intermittent theta burst stimula⁃tion，iTBS），其中间歇性iTBS 可诱导长时程增强[15]。相同干预效果，TBS 模式所需刺激时间和脉冲数量均大大低于重复经颅磁刺激，这对于实践应用有着极为重要的意义。一般iTBS由600个脉冲组成，600个脉冲iTBS干预能使皮质兴奋性维持60分钟，一般在30分钟后效果逐渐减弱[13]。传统rTMS 刺激方案多为1200 个脉冲[16]，为了获得较好的刺激效果，本研究选择1200个脉冲iTBS干预模式进行研究。

大脑皮层与运动相关的区域包括前额叶皮层、辅助运动区、前运动区、初级运动区、躯体感觉区及后顶叶皮层[17]。前额叶皮层接收信号，与其他运动相关皮层共同工作，并向初级运动皮层（primary motor cortex，M1）发出信息，M1负责运动行为输出和精细动作控制，是与运动行为直接相关的部位[18]，M1 产生兴奋通过皮质脊髓束传导到外周肌肉，从而产生运动。有研究表明，rTMS干预初级运动皮层对大脑神经活动有广泛影响[19]。大负荷运动引起皮层-脊髓兴奋性改变是运动疲劳产生的原因之一，经颅磁刺激可以通过运动诱发电位（motor evoked potential，MEP）值的变化来评价皮层–脊髓兴奋性的改变[20]。临床医学中使用iTBS干预M1主要用于脑卒中后或中枢损伤后运动康复治疗，研究发现，iTBS 干预M1，可以提高大脑皮质兴奋性以及运动表现，对侧手的运动控制能力有所改善，有利于运动能力的恢复[21，22]。有研究表明，iTBS 可调节M1 区的兴奋性，在竞技体育领域具有潜在应用价，但目前国内尚未见iTBS 干预M1 区影响运动能力的相关报道。本研究通过iTBS干预M1区，对机体神经肌肉激活相关指标的变化进行分析评价，观察iTBS 干预对运动员神经肌肉激活的实际效果，为提高运动员训练和比赛前唤醒水平提供理论依据和新途径。

1 对象与方法

1.1 研究对象

以北京市男子自由式摔跤队运动员为研究对象，要求有一定运动年限，参加过全国比赛，通过利手量表[23]筛选出右利手运动员共8 人，年龄18.74 ± 0.50 岁，身高173.50 ± 1.29 cm，体重65.25 ± 5.91 kg。受试者在了解整个实验过程后签署知情同意书，自愿参与实验。所有测试均在休息日恢复后进行。

1.2 研究方法

1.2.1 刺激区域和强度的确定

采用经颅磁刺激，刺激左脑M1区引出MEP传导到右手拇短展肌，观察和记录刺激阈值。根据国际脑电图学会标定的10-20 电极导联定位标准，鼻枕线和颞顶线交叉点为Cz点。以该点为上点，以眉枕线与鬓角发际前缘相交处为下点，两点连线的中2/5为大脑皮层手运动区对应的刺激点，手持刺激线圈拍在该区域缓慢移动，给予单脉冲刺激，目测靶肌轻微抽动，该位置是对侧手部拇短展肌在大脑皮层M1 投射最佳刺激位点，观察10次刺激至少有5次产生约200 μV的最小刺激强度即为活动运动阈值（active motor threshold，AMT）。本实验使用强度为80%AMT。

1.2.2 刺激方案

受试者躺在扶手椅上，两手平放在扶手上，使用依瑞德CCY-1磁场刺激仪“8”字型线圈，真刺激时经颅磁刺激线圈拍面与头皮相切，线圈中心沿线圈长轴与矢状面成45°夹角；伪刺激时线圈拍面侧缘接触头皮表面（线圈旋转90°），线圈平面垂直于颅表。iTBS干预左脑M1区域，受试者头部相对固定保证刺激部位不变。

本研究采用间歇性复合刺激iTBS 模式（图1），丛内频率50 Hz，丛内数3；丛间频率5 Hz，丛间数10。刺激时间2 s，间隔8 s，重复次数40 次，1200 个脉冲数，总时间为6分40秒。

图1 TBS刺激模式

1.2.3 实验方案

受试者随机分为iTBS 真刺激组和伪刺激组，为消除经颅磁刺激造成的身体状态的改变，洗脱期间隔1周，受试者每周周一（周末休息调整后）进行测试，接受真刺激和伪刺激左测M1各一次。为了消除顺序误差，将8 名受试者随机分为两组，每组4 人，采用交叉实验设计（表1），使被试间内平衡。

表1 实验顺序安排

1.3 测试指标及方法

1.3.1 反应时

使用Omegawave™训练监控测试系统，在安静环境下，受试者静坐手持测试握柄，听提示音右手拇指（受试者为右利手）快速按动按钮，总测试时长为1 分钟。受试者不得预先判断测试声响起时间，若在测试声响起50 ms 以内或400 ms 以上按动，系统判为错误。错误反应时间不计入成绩，但计入错误反应次数。系统记录并计算平均反应时间、错误次数、反应稳定性指数、感觉运动神经系统功能水平指数和感觉运动机能发展潜力指数。

1.3.2 心率变异性（heart rate variability，HRV）

使用芬兰Firstbeat 心率变异性监测系统测试受试者iTBS 真/伪刺激前后安静平躺、呼吸平稳状态下5 分钟的快速恢复指数，得到平均心率、最大心率、最小心率参数和低频功率（low frequency，LF）、高频功率（high frequency，HF）、低频和高频比值LF/HF 心率变异性参数。

1.3.3 肌力和肌电

力量测试：使用艾德堡HP-1k 拉力器和WCS-100握力器测试90°静态屈肘和握力最大自主收缩（maxi⁃mum voluntary contraction，MVC）。静态屈肘MVC 测试时拉力器固定于地面，受试者右臂90°做最大静力屈肘动作，上臂靠墙垂直地面，掌心朝上，握住拉力器手柄端静力拉，取得最大力量值；握力MVC 测试时受试者双脚自然站立，右手持握力计，掌心向内，显示屏朝外，左手自然放置，取得最大握力值。

表面肌电测试：使用表面肌电测试仪（Cometa，Wave Plus，意大利）测试静态最大屈肘力量和握力的肌电。用酒精棉反复擦拭皮肤，将3M 银-氯化银电极片放置于肱二头肌、桡侧腕屈肌、尺侧腕伸肌的肌腹及腕屈肌肌腱处。使用双电极片顺着肌纤维的走向贴放，两电极片中心点相距2 cm。屈肘和握力动作保持10 秒采集肌电。因肌电均方根振幅（root mean square，RMS）值个体差异性较大，因此，选取肌电平稳范围5 秒平均功率频率（mean power frequency，MPF）来反映肌纤维募集情况。

1.4 数据统计处理

实验采集数据由SPSS20.0 软件进行统计学处理，所有数值以平均数± 标准差（±s）表示。为了进一步了解真刺激和伪刺激相关指标的变化，对iTBS 真刺激和伪刺激前后（组内）测试指标采用配对样本t检验进行统计学分析，P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 真/伪刺激对心率变异性的影响

由表2可知，在真刺激后LF显著增加（P<0.01），而HF 略有降低，低频和高频比值LF/HF 显著增加（P<0.05）。伪刺激后LF 和HF 均出现显著增加（P<0.05），LF/HF在伪刺激后略有降低。

表2 真/伪刺激前后心率变异性相关参数变化（n=8）

由表3 可知，真刺激后安静心率相关参数有一致性上升趋势（P<0.01），平均心率上升4.89%；而伪刺激后心率相关参数出现下降趋势，且最小心率显著下降（P<0.05）。

表3 真/伪刺激前后心率相关参数变化（times/min）（n=8）

2.2 真/伪刺激对反应时的影响

由表4 可知，iTBS 真刺激后，平均反应时从0.171秒下降至0.163秒（P<0.01），伪刺激后反应时平均值略有增加。

表4 真/伪刺激前后反应时及其他参数变化（n=8）

2.3 真/伪刺激对肌力和肌电的影响

2.3.1 肌力

由表5可知，静态屈肘MVC 在真/伪刺激干预后均较干预前增加，真刺激前后变化率为6.6%，且真刺激前后变化具有统计学意义（P<0.05）；握力在真/伪刺激干预后较干预前分别增加2.61%和1.5%，真刺激前后变化率高于伪刺激，但无统计学意义。

表5 真/伪刺激前后肌力变化（kg）（n=8）

2.3.2 肌电

由表6 可知，肱二头肌、桡侧腕屈肌、屈腕肌肌腱MPF 在真刺激干预后较干预前均升高（P<0.05），尺侧腕伸肌变化无统计学意义；伪刺激前后各肌肉MPF 变化不大，不具有统计学意义。

表6 真/伪刺激前后屈肘MPF的变化（Hz）（n=8）

由表7可知，肱二头肌、屈腕肌肌腱MPF在真刺激干预后较干预前均有升高（P<0.01），桡侧腕屈肌、尺侧腕伸肌也有升高（P<0.05）；伪刺激前后各肌肉MPF 虽也有增加，但不具有统计学意义。

表7 真/伪刺激前后握力MPF的变化（Hz）（n=8）

3 讨论

神经-肌肉系统激活是指为训练或比赛提供一种高效、系统、有针对性的激活方法，以满足专项练习的特殊需要，它包括肌肉激活和神经系统激活两个方面[24]。目前激活肌肉的训练方法一般通过专项力量练习产生后激活增强效应（post-activation potentiation，PAP）[25]，通过适当休息，从而在训练和比赛期间使爆发性运动表现提高。神经系统激活目前主要是身体运动功能训练，可增加神经系统兴奋性，提高机体的快速伸缩复合能力。近些年已有文献报道，通过神经技术干预，增强神经-肌肉的连接，提高运动员在训练和比赛中肌肉协调的效率，美国橄榄球奥克兰突袭者队后卫使用具有中枢神经干预功能耳机Halo Sport 20 分钟后，原地弹跳高度提高了18 cm[3]。美国滑雪与雪板协会（USSA）自2016年开始已将刺激技术用于冬奥会选手的训练中，用来提高冬季项目运动员的专项技能[26]。本研究试图通过高频磁刺激技术干预中枢神经系统，提高神经系统兴奋性和神经-肌肉间传导速度，从而提高机体反应及肌纤维募集能力，结果显示，iTBS真刺激干预后，受试者自主神经协调能力有所提高，交感神经活动增强，迷走神经活动略有减弱，最大心率、平均心率有所增加；听觉触发反应的时间显著下降，反应错误数量明显降低，注意力有所提升；对侧手握力和屈肘力量有小幅度提升，快肌纤维募集程度增加。

3.1 iTBS干预对HR和HRV的影响

HRV 源自自主神经系统对心率的调节，交感与副交感神经系统间相互作用引起了心率的周期性变化。由于目前测试方法较多，大部分HRV参数尚无正常值或参考值范围[27，28]。HRV 作为评价自主神经系统功能的指标，反映了交感神经与副交感神经活性及协调性，常常用来评估疲劳导致的自主神经系统功能改变情况。LF和HF是HRV频域指标，其中LF与压力感受器的反射活动有关，由交感神经和迷走神经共同影响，HF 主要与迷走神经反射活动有关[29]；LF/HF 可用来综合判断交感和迷走神经的协调性[30，31]。

本研究受试者是在恢复后次日上午测试，机体没有疲劳累积，iTBS 真刺激后LF 显著增加，HF 略有降低，LF/HF 显著增加。iTBS 真刺激使交感神经活动增强，迷走神经活动略有减弱，自主神经协调能力有所提高，这与刘运洲[30]对受试者大脑背外侧前额叶皮层区域给予20 Hz高频刺激后其心率变异性指标变化结果一致。而在伪刺激后，LF和HF均出现了显著增加，LF/HF 在伪刺激后略有降低，说明没有磁刺激，在躺椅上自然休息的过程使得副交感神经活动增强，交感活性有所减弱，神经兴奋性下降。对比伪刺激组，真刺激组自主神经平衡性提高，交感神经活动增强，迷走神经活动减弱，压力感受器的反射活动增加。

心脏节律受机体代谢、激素和体温等因素影响，但这些影响因素最终的公共通路是自主神经系统。正常的窦性心律体现了交感神经和迷走神经的动态平衡[32]，iTBS 真刺激后心率参数发生改变是因为交感神经活动增强，压力感受器的反射活动增加，从而使最大心率、平均心率有所增加；伪刺激组处于安静放松的环境下，未受到磁刺激，迷走神经活动增强，心率反而出现下降趋势。在安静放松环境下，iTBS 真刺激会小幅度改变心率参数，提高交感神经兴奋性。神经兴奋性的提高对神经-肌肉的激活有着很好的正向作用。

3.2 iTBS干预对机体反应的影响

反应时是指引起动作反应开始之前所需要的时间，即从刺激到反应之间的时距，它包括了感觉器官感受到刺激所需要的时间、大脑加工消耗的时间、神经传导的时间以及肌肉产生反应的时间，反映了人体神经与肌肉系统的协调性。反应时在一定程度上能灵敏地反映人的工作能力、工作潜力、应变能力和注意特征。关于智力的研究发现，智力正常的儿童反应时间短于智力落后的儿童[33]。对于运动员来讲，其手-眼、足-眼反应时比普通人短[34]，反应时在一定程度上可以反映出大脑应激协调能力。Moscatelli等[35]在对空手道运动员和非运动员的皮质-脊髓系统兴奋性传导通路的研究中发现，运动员的反应时比普通人更快，MEP潜伏期更短，具有显著性差异。神经信号从M1 传递到肌肉，皮质兴奋性更高的运动员才能表现出更好的反应时。

谢静[36]采用单次间歇性θ脉冲真刺激对比伪刺激发现，听觉诱发识别靶刺激按下反应器按键速度加快，具有显著性差异。Evers等[37]的研究发现，一次性rTMS真刺激后听觉诱发潜伏期明显缩短，反应加快。本研究真刺激后受试者反应时都有不同程度的缩短，反应稳定指数略有增加，且反应状态有所提升，平均反应错误次数有所减少，这与国内外文献中研究结果一致。伪刺激后，受试者反应时平均值略有增加，反应稳定指数略有下降。用iTBS模式干预后会在较短的时间里使神经-肌肉系统反应有显著提高，这提示该刺激方法将对训练或比赛前中枢神经系统的兴奋性提高具有一定作用。

3.3 iTBS干预对肌纤维募集能力的影响

肌力是指肌肉或肌群收缩产生的最大力量，一般通过力量练习产生肌肉后激活增强效应，并经过适当时间休息后提高运动表现。初级运动皮层是由输入和输出神经元突触相互连接而成的复杂网络，其产生的神经冲动通过皮质脊髓束传导到外周肌肉，从而产生运动，它还控制运动的执行[38]。初级运动皮层参与了骨骼肌的自主收缩。近些年科技助力体育，部分运动员依靠新科技——电磁刺激大脑皮层，增加神经兴奋性，提高运动能力。有研究显示，经颅直流电刺激后可提高运动员最大肌力和爆发力[39]。本研究中iTBS真刺激后，受试者屈肘拉力显著性增加，平均提升6.6%，握力也有小幅度提高。肌力的增加和运动神经中枢iTBS刺激有关，这与Hendy[40]的研究显示经颅直流电刺激后未经训练侧腕部力量提升5.7%的结果一致。而伪刺激后测试结果虽略有提升，但变化幅度较小，提升的原因可能与肌肉后激活增强效应有一定关系。

采集表面肌电作为无创生理学方法，可以很好地记录骨骼肌兴奋时的生物电图形，通过对肌电图（elec⁃tromyogram，EMG）时域和频域信号特征的分析来获取活动过程中肌肉募集或神经肌肉连接情况[41]。肌电图常用的时域指标为RMS，尽管RMS 是肌肉放电量大小的反映，但个体差异性较大[42]。EMG 常用的频域指标为MPF，MPF 主要受骨骼肌纤维类型的影响[43]，研究发现快肌纤维放电频率高，高频成分多；慢肌纤维放电频率低，低频成分多，频域变化与募集运动单位动作传导速度以及同步化程度相关[44]。本研究为短时间静态MVC，以募集Ⅱ型肌纤维为主，不同肌肉测得的MPF因骨骼肌本身的肌纤维动员程度及纤维类型比例不同而产生差异。通过上肢两个力学动作的力量和肌电测试可以看出，iTBS 真刺激干预手部位M1 区后，快肌纤维动员比例增大，神经传导速度增加，肌肉募集程度有所提高，运动单位动作传导速度有所提高。运动中枢神经刺激一定程度上提升了肌纤维募集能力及肌肉力量，这对于骨骼肌兴奋性的激活有一定意义。

4 总结

经颅磁iTBS真刺激刺激M1区，可使机体交感神经活动增强，迷走神经活动减弱，自主神经平衡性提高，心率有所增加；受试者注意力改善，反应错误降低，反应时缩短；运动单位传导速度加快，快肌纤维募集增多，肌肉力量有所提升。一次性iTBS 刺激对神经–肌肉激活有一定的意义，经颅磁刺激在训练和赛前可作为一种神经肌肉激活方式加以应用。

本研究为经颅磁iTBS对初级运动皮层干预的初步研究，仍有局限性。首先本研究受试者为有训练背景的男性运动员，未来可以考虑女性运动员或者普通人作为受试者，完善实验研究；其次，本研究选取经颅磁iTBS 干预初级运动皮层，未来可以考虑刺激与运动能力相关的其他大脑皮层区域，以更全面、准确地了解经颅磁刺激对神经肌肉的调节作用。