经颅直流电刺激在运动科学领域应用的研究进展

陈恺豪

摘要：经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一种非侵入性的新型科技手段，利用低强度的恒定电流（1～2 mA）来调节大脑皮层神经元活动的技术。由于其有效性、无创性、成本低且易于使用的特点，已经有学者逐渐将其应用于运动科学领域当中并取得了一定的研究成果。本文希望通过检索知网、维普、万方和Web of Science数据库中的国内外相关文献，了解该技术在运动科学领域的国内外研究现状，旨在为今后该领域研究提供一定的参考。结果显示：1）经颅直流电刺激技术因其特有的机制能够有效地提升受試者的运动能力。2）现有研究主要集中在对肌肉力量、运动疲劳、平衡能力、反应能力等外显性运动表现的影响。3）对内隐性运动认知方面的研究较少且没有合适的实验指标。4）“内源性手段”经颅直流电刺激和“外源性手段”运动训练的联合训练方案对比单一训练手段能够在更大程度上提升受试者的运动能力。

关键词：经颅直流电刺激；运动能力；运动表现；运动训练；

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.

一直以来，提升运动员运动能力的主要手段是进行身体练习，通过制定科学有效地身体训练计划来提升运动员的运动能力。然而，随着科学技术的不断发展，体育训练逐渐开始注重大脑训练，通过神经调控来增强运动员的运动能力。

1 背景

早在几十年前，经颅神经刺激技术就被科研人员所关注。随着科学技术的不断发展，人们对tDCS的认识也在不断加深，由此tDCS被大范围的应用到临床同时也取得了不少成果。随着在康复领域中取得的成果，该技术也在不断的完善和发展，有关tDCS的研究逐渐成为热点。近年来，由于经颅直流电刺激技术可通过调节神经功能提升运动能力而受到了运动科学领域的关注[1]。

2 经颅直流电刺激的作用机制

2.1改变大脑皮质兴奋性

经颅直流电刺激的方式有三种，既阳极刺激、阴极刺激和假刺激。Nitsche[2]等人指出，tDCS对皮质兴奋性调节的基本机制是依据刺激的极性不同引起静息膜电位超极化或去极化的改变，阳极刺激通常能够降低神经元产生动作电位的阈值，从而提高皮质的兴奋性；阴极刺激则是提高神经元动作电位的阈值，从而抑制了皮质的兴奋性。

2.2突触的可塑性

研究进一步证实，tDCS除了能够改变膜电位的极性外，还可以调节突触的微环境，如改变N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartic acid， NMDA）受体或γ-氨基丁酸（GABA）的活性，从而起到调节突触可塑性的作用[3]。突触效能增强后提高神经通路的信号传导效率，进而提高认知功能，降低则相反[4]。

2.3脑区的功能连接

大脑是一个复杂的网络体系，不同的脑区位置来负责运动、认识和记忆的产生，但各个脑区之间存在着紧密的联系。以前对tDCS的研究多关注电极下的局部区域，随着神经影像学技术的发展，目前越来越多的研究开始重视大脑皮质内及皮质间的联系[1]。国外学者通过脑电图和功能性磁共振成像的研究印证了tDCS可诱发脑功能的连接作用[5]。

3 经颅直流电刺激对运动能力的影响

3.1经颅直流电刺激对肌肉力量的影响

长期进行肌肉力量训练可以提高中枢神经的兴奋性、释放更多的激素，促使运动中枢诱发更高频率的同步化神经冲动，募集到更多的运动单位参与肌肉运动收缩，表现出更大肌肉力量[6]。近年来，国内许多学者对运动员下肢肌肉爆发力的研究较多，开始应用tDCS干预手段来提升运动员的纵跳能力。国内学者王玮[7]等人选取了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。研究结果表明，阳极tDCS可以提高纵跳运动表现，不仅增强了下肢力量及神经肌肉系统功能，还促进瞬时特征的变化。研究结果也证实了未来该技术在提升肌肉力量方面具有一定的潜力。

3.2经颅直流电刺激对运动疲劳的影响

运动性疲劳是指由运动引起身体工作能力下降的现象[8]。由此可见，运动能力受到了运动疲劳的限制，如果能够有效的延缓运动疲劳，对提升运动能力有极大地帮助。Cogiamanian[9]等人在2007年第一次运用tDCS对运动疲劳的影响研究中指出，经过阳极tDCS后，肘关节等长收缩运动至疲劳的时间有显著性改善。在后续的很多研究中证实了tDCS确有延缓运动疲劳的效果，能够在一定程度上提升运动员的运动耐力表现，但目前研究主要是观察受试者刺激后的外显性指标变化，并没有对其产生的机制进行研究。

3.3经颅直流电刺激对平衡能力的影响

平衡能力是身体素质的一种，是保持全身处于稳定状态的能力，如何提升运动员的平衡能力尤为重要，通常我们通过静态的平衡活动和动态的平衡活动来发展平衡能力。有研究表明，动态的平衡活动与运动相关区域的脑改变之间存在着紧密的联系。国内学者肖松林[10]研究选取了14名健康男性大学生，采用随机双盲真/假刺激方案。结果显示，tDCS刺激能够改善单足闭眼站立平衡控制能力。

研究发现，经颅直流电刺激能够在在一定程度上提升人体的动态平衡能力，增强健康成年男性的姿势控制表现。

3.4经颅直流电刺激对反应能力的影响

反应能力是运动员的重要能力之一，是运动员能够熟悉运用技术动作的基础，研究人员通常将反应时用来作为研究运动员反应能力的指标。国内学者王慧慧[11]也对健康大学生的反应抑制进行了研究，受试者随机接受真刺激和假刺激，在间隔7天时间进行前后两次停止信号任务，实验结果表明阳极tDCS能够使受试者的停止信号反应时显著缩短。

目前tDCS对反应能力影响的研究通常采用的是单一刺激模式，且国内学者对反应能力的研究较少。建议未来研究可以考虑运用tDCS和运动训练联合干预手段，将单一刺激、运动训练、刺激联合运动训练等进行分组对比研究。

3.5经颅直流电刺激对运动感知觉的影响

运动感知觉一直以来是认知心理学研究的重点，是运动员进行各种体育活动所需的重要能力之一。有研究证实tDCS可以引起神经心理学、生理心理学及刺激脑区相关的运动功能改变。Antal[12]等人研究选取了12名健康且视力正常的受试者进行视觉运动跟踪任务，通过应用7分钟阳极经颅直流电刺激增加了初级运动和初级视觉皮层的兴奋性，从而改善了受试者视觉运动知觉和运动表现。

目前，国外对运动感知觉的研究主要集中在视觉运动知觉，而国内对运动感知觉的研究鲜有报道。

4 经颅直流电刺激联合运动训练手段的研究现状

已有研究表明，经颅直流电刺激和运动训练都有提升运动能力的作用且两者的作用机制可能不同，基于这个思路，诸多学者开始将经颅直流电刺激和运动训练相结合，对比研究单一干预方式与聯合干预对运动能力的影响，旨在探究tDCS联合运动干预的应用价值。国内学者王宝峰[13]等人专门对tDCS联合运动干预的文章进行了归纳整理，研究启示tDCS作为辅助手段联合传统训练/干预，能够提高大脑皮层兴奋性，增加肌肉激活程度，从而改善运动表现，未来有望在竞技体育、运动康复等领域发挥比传统运动训练/干预更优的效果。

综上所述，tDCS联合运动干预相较于单一的干预模式对运动能力有更好的提升效果，这种联合干预手段是未来一大趋势。然而，目前对tDCS与运动训练联合干预的研究还不够深入，现有研究的实验方案不够清晰，tDCS的刺激方案和运动训练方案不够统一，对其产生的机制研究也不够深入。提示未来的研究可制定较为统一的刺激方案和运动训练方案，针对性结合专项运动或专项能力进行实验，深入探究“内源性刺激”t DCS和“外源性刺激”运动训练所产生的作用机制，为了tDCS联合运动干预手段能够更好的应用到运动科学领域当中。

5 对运用经颅直流电刺激技术的思考

5.1运用经颅直流电刺激技术的安全性问题

近年来，在运用tDCS技术的过程中，发现该刺激技术也会给被试带来一定的不良反应，最常见的不良反应就是轻微的痒感，但是存留的时间较短。提示在未来的研究过程中，应要求所有参与者在进行tDCS干预期间和之后完成一份问卷，为了评估副作用或不良反应，以确定副作用的存在和严重程度，并在未来运用tDCS技术时对刺激参数的设定和刺激部位的选择等方面更加严谨。

5.2运用经颅直流电刺激技术的伦理性问题

经颅直流电刺激技术运用在竞技体育领域中是否会被定义为“兴奋剂”这一伦理问题并未有权威机构发布确切的消息。这一问题使得目前该技术在体育运动中的推广和应用受到了极大地限制。目前，一家美国公司Halo Neuroscience，其首款便携式tDCS耳机Halo Sport被研发，该设备可以在运动场地中使用。这种便携式耳机的出现说明了在未来运用这种外源性的手段来提升人体运动表现和运动员的竞技能力是一大趋势，大脑训练将会成为未来运动训练的主要手段之一，这也提示我们在不断运用该技术的同时也要时刻关注该技术被应用的伦理性问题。

6 总结与展望

6.1总结

随着对tDCS技术的深入认识以及临床应用研究的不断增多，该技术逐渐在运动科学领域取得了一定的进展，合理地运用经颅直流电刺激技术能够有效提高运动员的运动能力。从目前国内外研究现状上看，经颅直流电刺激技术已被证实能够有效地增强运动员的肌肉力量、延缓运动疲劳、提升反应能力和认知功能，但通过查阅国内外文献发现，目前国内外学者在运用tDCS技术进行研究时仍存在一些需改进的问题。（1）目前tDCS运用到运动科学领域的研究所选取的样本量较少且特征单一。考虑到个体差异性以及群体多样性，在有条件的情况下应加大样本量，丰富被试群体，增设不同实验组别进行对比研究（不同年龄、不同性别、不同专业水平）。（2）考虑到安全性问题，对实验中刺激参数、刺激时间、刺激次数以及电极放置位置的把握需要更加严谨。同时，不同刺激参数下的对比性研究也很有必要，在今后的研究中实验设计应制定的更加细致，对tDCS进行更深层次的探索和研究。（3）目前国内外学者对tDCS的研究更多的是探究该技术的即时效果且将tDCS作为单一干预手段进行研究。提示在未来可以深入探究该技术的长期干预效果以及联合运动训练共同干预的效果。（4）国内学者更多的是探究tDCS对运动员外显性运动表现的影响，很少有人对运动员感知觉能力以及心理能力进行研究。现如今已有研究证实tDCS可以引起神经心理学、生理心理学及刺激脑区相关的运动功能改变，也已被作为治疗抑郁症的主要物理手段。未来我们可以借鉴tDCS技术在康复医学领域的成果，将该技术运用到运动科学领域用于抑制运动员在体育训练及体育竞赛中所产生的不良心理状态。同时，可以借助fNIRS、fMRI、ERP等技术探究经颅直流电刺激对受试者内隐性运动认知方面的影响。

6.2展望

近年来tDCS技术在运动科学领域的迅速发展，证明了人们对脑神经技术已经有了更深层次的认识。过去我们将身体训练作为提升人体运动能力的主要手段，未来我们可以将经颅直流电刺激和运动训练相结合，因其机制的特殊性可能会更大程度地提升人体的运动能力，这预示着未来经颅直流电刺激技术可以作为提升运动员竞技能力的新手段。我们可以看到未来该技术在运动科学领域还有很大的应用空间，随着研究的不断深入，该技术也一定会在运动科学领域有新的进展和突破。

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