经颅直流电刺激提升足核心系统功能及其在运动医学中的应用进展

肖松林 沈斌 章楚怡 张希妮 周俊鸿 傅维杰

1 上海体育大学“运动健身科技”省部共建教育部重点实验室（上海 200438）

2 宁波大学体育学院（宁波 315211）

3 哈佛医学院（美国马萨诸塞州 02115）

4 希伯来老年研究所（美国马萨诸塞州 02131）

足部功能和运动能力与竞技运动表现、生长发育进程、跌倒风险以及足病防治等息息相关，因而，如何进一步强化并提升足部功能、预防运动损伤，已成为体育、运动医学/康复等领域的研究热点。最新的生物力学范式将人体复杂的足部视为足核心系统（foot core system）[1，2]，包括主动、被动以及神经子系统；其中的足神经子系统（感觉受体）将采集到的信息（如力等）传递到大脑皮层，并与视/听等信息整合加工，形成动作指令反馈给足主动子系统（肌肉），最终完成一系列运动控制（图1）[3，4]。上述调控回路中，神经系统作为信息整合加工的核心，其调节功能最为关键，且在足部肌-骨系统损伤后的表现尤为突出，特别是针对大脑初级感觉运动皮层区域出现的适应性改变[5]。尽管现阶段常规足部力量训练能增强足部肌肉力量（主动子系统），但其显然不能有效调控上述脑皮层-神经肌肉系统间的控制关联以全面整体地强化足核心各个子系统的功能。鉴于常规力量训练影响神经子系统功能及上层中枢调控的效果不彰，最新的证据表明采用非侵入经颅直流电刺激技术（transcranial directcurrent stimulation，tDCS）直接调控大脑皮层的神经兴奋性，以显著提升足部功能并预防足部损伤是可行的[6]。但其提升足核心系统功能的增益效果以及应用于足踝运动医学领域的有效性有待系统总结。

图1 足踝运动控制示意图

综上，本综述主要围绕tDCS 提升足核心系统功能的研究进行回顾，总结近年来tDCS对足核心功能影响的新成果，归纳其在足踝运动医学领域中的应用研究，并进一步讨论分析其改善并促进足核心功能表现的潜在机制，以期为实现全面提升足核心系统功能表现、预防运动损伤提供新的理论和实践基础。

1 经颅直流电刺激技术概述

2000年以来，tDCS 研究的兴起与神经生理学工作有关。首先，Nitsche 团队于2000 年发表研究成果：施加经过头皮的弱直流电具有调节运动皮层兴奋性的可能性（提高40%），并在电流电刺激结束后持续数分钟，首次系统地阐释了tDCS 是非侵入调节大脑兴奋性的有希望的工具（图2A）[7]。然后，2008 年脑刺激领域顶级期刊BrainStimulation刊发综述，系统总结并提出了tDCS技术安全有效的执行指导方针，为后来tDCS广泛应用于临床治疗脑卒中、帕金森病等由大脑病变引发的各类疾病提供了理论指导[8]。自此，tDCS技术不断创新，如高精度tDCS（high-definition tDCS，HD-tDCS）（图2B），研究人员不断深入探索其提升人体运动能力的效果及内在机制。

图2 tDCS作用示意图

一般来说，tDCS 主要通过诱导放置在头皮上的两个或多个电极之间的低振幅电流流动来调节皮质兴奋性，主要原理是通过改变静息膜电位使之产生去极化或超极化来改变自发神经元的兴奋性和活动[7]。tDCS诱导膜极性改变的效果取决于电流密度，而电流密度决定了感应电场强度，目前通常采用的电流强度为1～2 mA[10]；其中阳极刺激兴奋神经元活动，阴极刺激抑制神经元活动，阳极被定义为带正电荷的电极，而阴极是带负电荷的电极，电流从阴极流向阳极，形成的电场影响覆盖的大脑区域。

Nature于2016、2017 年连续刊文报道：基于tDCS的大脑训练（brain training）可以增强脑皮层-神经肌肉之间的连接，使运动员产生更有效的肌肉协同，且运动表现更优，并将其称为“神经启动”技术（neuro-priming）[11，12]。目前，研究者持续关注tDCS 提高人体运动能力的效果，并初步发现tDCS 能够延缓身体疲劳、增加肌肉力量、促进动作技能学习等，且具有一定的长期改善效果[13，14]，也在一定程度上能提升足部功能。

2 经颅直流电刺激对足核心功能的影响

2.1 足核心系统及其功能

最初，Jam等[15]认为脊柱核心系统理论可以迁移至身体的其它环节，包括足踝。在此基础上，Mckeon 等[1]进一步系统归纳总结，提出足核心系统新范式（foot core system paradigm），足核心系统是由足核心主动、被动及神经三个子系统组成，三者相辅相成，为足部提供稳定性和灵活性，以应对不断变化的足部功能需求（图3）。其中，附着在足部结构上的肌肉、肌腱构成主动子系统，包括足内在肌和足外在肌，提供足部运动的原动力；足部骨骼、韧带以及关节囊构成被动子系统，主要维持足部特有的拱形结构；足底筋膜、韧带、关节囊、肌肉以及肌腱中的感觉受体等构成神经子系统，提供关于足部运动过程中的相关感觉信息。总的来说，完整的足部动态运动控制是在主动和被动结构之间复杂的相互作用以及运动感觉信息的相应协调下完成的，即足核心各个子系统相互作用及配合完成目标动作[16]。

图3 足核心系统[1]

足核心系统作为人体末端与地面/鞋直接接触的复杂结构，在日常活动中发挥着重要作用。静态站立时，被动子系统支撑体重；在走、跑、跳等动态活动中，动作启动时由主动子系统提供动力推动身体前进，并配合被动子系统进行缓冲、降低负载；神经子系统则提供相应的感觉信息以适应不同地形、维持身体姿态平衡[1，17]。同时，各系统构成的足弓还具有弹簧的特性，每次运动中通过压缩伸展来储存和释放能量，而足弓的稳定性是正常足部运动所必需的，可以将足弓视作足核心系统的中心[1，18]。

2.2 经颅直流电刺激对足主动子系统功能的影响

足核心主动子系统主要在日常活动中提供力量输出，研究发现tDCS 能够提升足部肌肉力量（表1）。较早的一篇文献报道了2 mA单次tDCS刺激初级运动皮层（M1 区）10 min 能够显著增强足趾内收力量[19]。此外，采用上述相同刺激强度和时间的阴极tDCS能够改善背屈活动度[20]。本团队也初步探索了高精度tDCS（HD-tDCS）与足主动子系统功能的关联，以2 mA强度对M1 区进行20 min 的刺激干预，发现阳极刺激能显著提高足趾屈曲力量（+9.9%）、减少单足闭眼站立时重心摆动（-10%）[9]。同时，最新的研究进一步发现：4周HD-tDCS 干预具有与足核心训练（foot core exercise，FCE）一致的积极效果，均能够提升跖趾关节屈曲力量（图4A）[21]。上述结果提示，tDCS 在一定程度上能够提升足部肌肉力量，可以作为提升足核心主动子系统功能表现的有效干预方法。

表1 经颅直流电刺激对足核心功能的影响

图4 HD-tDCS和足核心力量训练对足部功能的影响[21]

2.3 经颅直流电刺激对足神经子系统功能的影响

相比于常规干预训练，tDCS 既能提升足主动子系统功能，同时更能增强足神经子系统功能（表1，图4）。Zhou 等[22]对初级感觉运动皮层进行刺激（强度2 mA；刺激时间20 min）干预后，发现阳极tDCS 能够显著降低老年人站立时的足底振动觉阈值。相似地，Yamamoto 等[23]采用阴极tDCS（强度1.5 mA；刺激时间10 min）对左侧M1 刺激后，发现受试者足拇指远端中心的触觉阈值显著降低，这些结果表明tDCS能够显著改善足底感觉功能，提升感知灵敏度。此外，tDCS也可以通过调控大脑神经兴奋性，影响神经肌肉反射从而改变背屈反应时[24]。Shah等[25]和Sriraman等[26]通过探讨tDCS对较为复杂的跖屈-背屈运动控制任务的影响，前者发现阳极小脑、阴极小脑以及阳极M1 区tDCS 刺激可提高跖屈-背屈运动视觉任务的准确率；而后者仅发现阳极tDCS 刺激M1 区可以提高跖屈-背屈运动视觉任务的表现。更重要的是，在促进足感觉功能表现的方面，相比于足核心力量训练，HD-tDCS在一定程度上增益效果更显著，体现在显著降低内翻、外翻运动觉阈值方面（图4B，C）[21]。

3 经颅直流电刺激在足踝运动医学领域中的应用

众多研究已经表明传统的康复功能训练能够有效恢复肌骨损伤患者的功能受限情况[27]。然而值得注意的是，近些年的神经生理学证据表明，肌骨损伤导致的感觉功能紊乱、双侧关节功能障碍、运动控制的长期改变等受限的背后，可能存在中枢神经功能改变[5]。许多研究开始关注踝、膝关节韧带损伤后的大脑适应性变化，如韧带损伤后的疼痛和肿胀会引起传入神经活动的短期增加，同时外周信息传入缺失会引起长期本体感觉受限[28]。这些受限的最终结果会导致大脑皮层功能区域重组，可能会降低中枢神经系统对意外事件的及时反应能力。而tDCS 有助于改变大脑中功能失调的兴奋模式，诱导神经元可塑性，恢复上述中枢控制能力，并有效减轻疼痛，改善功能表现[29]。

目前部分研究提供了tDCS 在运动医学领域内的一些有效性证据，包括下肢肌骨损伤康复。有研究发现连续5天进行20分钟的tDCS干预，可减少老年膝骨关节炎患者神经营养因子，并有效降低疼痛[30]。一项研究探究了tDCS 联合阻力训练对女性髌股关节疼痛患者肌肉力量和疼痛感知的影响，结果显示：进行12次干预训练后，相比于干预前，干预后患者的肌肉力量显著增加、疼痛感降低，提示这种联合干预方案可以用作髌股关节疼痛患者的康复训练方法[31]。

聚焦于足踝运动医学领域，目前的研究表明tDCS具有一定的镇痛效果。例如，一项案例报告发现：经过连续5 天tDCS 干预（强度2 mA；单次时长20 min），一名由于足底筋膜炎引起难治性右脚跟疼痛的糖尿病患者足跟疼痛强度和疼痛相关焦虑降低，其改善持续时间超过1 周，此外，患者停止用药[32]。进一步招募足够样本后，发现上述干预方案可以缓解慢性足底筋膜炎患者的足部疼痛程度，此外，经治疗后足部功能指数以及疼痛引起的焦虑症状改善能够持续至少4 周（表2）[33]。相关的动物实验也部分证实上述发现，研究者通过对小鼠踝关节注射药物构建慢性疼痛模型，经过连续两周的tDCS干预，发现tDCS干预有效恢复了机械性疼痛和热痛觉敏感度，这可能是由于tDCS增加了相关神经递质受体的表达，并改善受到伤害时的感受，从而缓解大鼠慢性疼痛[34]。

表2 经颅直流电刺激在足踝运动医学领域中的主要应用研究

此外，目前有两项研究将tDCS 应用于慢性踝关节不稳人群（chronic ankle instability，CAI）康复训练，均采用联合干预新模式[6，35]（表2）。其中一项研究发现4周阳极tDCS（强度1.5 mA；单次时长18 min）联合离心力量训练可以改善CAI 患者的动态平衡控制、踝关节运动表现及其感知障碍[6]；另一项研究选用电极较小、电流更为聚焦的HD-tDCS（阳极位置Cz；强度2 mA；单次时长20 min），通过联合短足训练法（short foot exercise，缩短足部使足弓拱起的一种足部训练方式）进行为期4周的干预训练，结果显示：与干预前相比，CAI患者的动态平衡表现、本体感觉功能显著增强（图5）[35]。上述两项实验提供了tDCS能够提升CAI人群足踝功能的部分证据，尚需更多的研究进一步证实tDCS的有效性，以及tDCS 改善CAI 足踝感觉运动功能表现的脑调控机制。

图5 HD-tDCS联合短足训练对动态平衡表现的影响[35]

4 经颅直流电刺激改善足核心系统功能的可能机制

目前，关于tDCS 改变人体功能表现的可能机制如下：（1）tDCS 刺激开始时，神经元暴露在外源电场中即刻，神经元细胞内离子发生位移，细胞内部电荷分布和细胞膜电位改变，根据极性不同引起膜电位的去极化或超极化[36，37]；（2）tDCS作用的初始阶段（3分钟之前），形成的电场对血管和神经网络的直接影响由血流动力学响应占主导地位[38]，之后电场引起血管舒张反应，并对神经血管耦合起到干预作用[39]；（3）tDCS作用的中间阶段（3分钟后及以后），神经元的后效应导致皮质脊髓兴奋性改变以及血流动力学响应[37]；（4）tDCS刺激结束后，电场作用的后效应可能会在刺激结束后几分钟甚至几小时内持续存在，通过改变放电率形成突触连接的长时程增强或长时程抑制[40]，并且重复的刺激可能会产生累积效应[41]。

上述针对tDCS 机制的探索主要基于神经影像学和神经电生理技术，包括功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、功能近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）、脑电图（Electroencephalogram，EEG）以及配合经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）进行脑区靶点定位等，如：使用fMRI观察发现，由tDCS提升的神经元兴奋性可以调节右侧背外侧前额叶与左侧眶额叶这两个种子点的共激活发生率并影响共激活状态的转化[42]；基于fNIRS 对大脑血流动力学的监测发现，tDCS 可以提高双侧感觉运动皮层中神经元传递的效率[43]。研究普遍发现tDCS 可以增加M1 区的兴奋性，从而可能会增强tDCS激活的神经元结构之间活跃的突触连接，并增强运动单位的同步放电程度，这些神经生理效应可能改善运动表现（图6）[44，45]。运动能力的提升及运动学习过程通常伴随着与运动任务相关的突触和神经回路的活动依赖性改变，由tDCS引起的膜电位变化可影响突触可塑性，这为改善足核心系统功能以及如何理解其背后的生理学机制提供了可能[26，46]。

图6 tDCS提升人体功能的可能机制

由于控制足核心系统的脑区位于较深的大脑纵裂，tDCS 应用于调控足的运动皮层具有挑战性[47]。尽管如此，研究依然表明tDCS能够调控下肢区域的皮质兴奋性，表现为足外在肌（如胫骨前肌）运动诱发电位的增加[48]。与上述发现一致，也有研究表明tDCS 可以调节运动皮层下肢区域的皮质脊髓的兴奋性，并进一步改善足核心系统表现[19，25]。对于足神经子系统功能表现的改善，现有的研究发现其主要归因于tDCS干预增强大脑感觉皮层的兴奋程度，由于初级感觉皮层（S1）紧邻运动皮层，应用于M1 上的tDCS 也能部分改善感觉功能[22]。先前的研究通过采集任务态fMRI初步证实tDCS 可以增强左后中央小叶旁小叶（包括S1）的激活，调节并增强健康成年人应对足部压力刺激的皮质反应[49]。

总的来说，在足核心系统神经肌肉运动特征调控通路中，tDCS 能够通过介导并整合大脑高级中枢皮层及多个次级神经中枢的功能而发挥作用，而这些神经调控中枢在多个级别上相互连接。因此，tDCS 可能调控并兴奋参与某一特定任务的执行神经元，也可能调节系统中多个神经元（与任务相关的大脑网络和次级神经中枢）而影响足核心系统的功能表现[50]。然而，目前仅部分研究初步报道tDCS 具有提升足核心功能表现的潜力，且未曾联合诸如fMRI、fNIRS 等神经影像技术阐明中枢神经活动的改变，未来研究需要更多地结合多模态神经影像技术深入探索tDCS 改善人体能力的可能机制，尤其是针对足踝损伤人群增强足核心功能及其内在机制。

5 总结与展望

足核心系统为理解足部复杂结构及生物力学特征提供了新范式，其各个子系统相辅相成，满足足部运动时不同的功能需求。提升足核心功能既需要强化主动子系统（肌肉），更需要增强神经子系统。现阶段，经颅直流电刺激（tDCS）确实对改善足核心系统的功能具有积极作用，具体包括降低足底振动觉和触觉阈值、增强足趾夹紧力和足内在肌力量、降低踝关节选择反应时、增加踝关节运动范围等。此外，tDCS 也能有效应用于足踝运动医学领域，包括缓解足部疼痛，联合功能训练长期干预能有效提升CAI人群足踝功能表现。上述研究结果提示该技术能够全面有效地提升足核心系统功能表现，并能作为足踝损伤人群的有效康复手段。

值得注意的是，目前tDCS 应用于足踝运动医学领域的疗效仍需更大样本的研究证实，尤其是针对CAI、足底筋膜炎等在内的常见足踝损伤。另一方面，tDCS改善足核心功能的内在机制仍不清晰，未来研究需要联合多模态神经影像技术深入探索tDCS 改善足核心功能表现的效果及其内在增益机制。总之，未来理想的足踝损伤运动康复方案应当关注强化中枢神经对足部功能的调控，探索用于提升足踝功能的大脑-神经-运动功能康复新体系，揭示与足核心运动控制相关的中枢神经调控机制以及tDCS 技术对大脑运动皮层下肢控制区的影响及与足核心功能康复效果的内在本质联系。