經顱直流電刺激改善運動技能及緩解疲勞的研究進展

任佳封， 程金湘， 宿長軍

經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)是一種新興的無創腦調控技術，該技術使用的設備簡易且易于實施，將電極片用凝膠或生理鹽水附著在顱骨上，設置恒定的電流強度(1-2 mA)，電流通過引起特定皮質區域膜電位的改變來進行腦調控。目前在睡眠和認知領域的初步研究中發現tDCS可能會改變睡眠、促進覺醒、提高認知功能、緩解疲勞等[1，2]。tDCS對人群運動技能有影響，主要表現在對運動技能的獲取、提高和鞏固三個方面[3]，本文主要介紹tDCS改善運動技能及緩解疲勞的相關研究進展。

1 tDCS進行腦調控改變運動技能的原理

tDCS對進行腦調控的主要原理目前有三種說法：一是通過直流電閾下刺激調節神經元的膜電位，改變皮質的興奮性和活動性[4]。二是通過增加神經元自發放電和突觸效能，在長時程增強機制下加強神經元連接來增強學習效果[5]。三是經顱直流電刺激的興奮作用是由于γ-氨基丁酸(gamma aminobutyric acid，GABA)活性降低和N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)通過增加細胞內Ca2+水平而增強突觸強度所致，此外經顱直流電刺激還可以改變腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)水平，促進BDNF依賴的突觸可塑性，從而產生更好的學習效果[6]。對運動技能的改變也主要是依賴于這三種機制提高即時和延時的運動技能。

2 tDCS對運動技能的影響

運動技能對于我們的日常生活是必須的，比如運動、吃飯、寫字等都離不開對運動技能的學習。我們需要通過一定時間的學習和練習來獲取各種運動技能，評估運動技能改變主要包括三個方面：獲取、提高和鞏固[7，8]。tDCS作用于大腦皮質后，對運動技能的這三個方面有不同程度的影響。

2.1 tDCS對運動技能獲取的影響 運動技能獲取是指我們通過對某一項目數周或者幾個月的練習后對該項目的表現有一個較大的提升(如從未接觸過鋼琴的人群掌握鋼琴的基本按鍵)。與之區別的概念是運動技能的適應，在外界干擾情況下，經過較短時間對某項目的表現恢復到基線水平[如連續反應時任務(serial reaction time task，SRTT)]。兩者的激活區域也不相同，運動技能的獲取主要激活對側初級運動皮質(M1)，對于干擾條件下原有運動技能的適應則激活頂葉皮質和小腦[9]。在過去的研究中，研究者相繼發現tDCS可以通過1 mA電流刺激M1來提高對側手的精細活動[10]。Shinichi等學者在未受訓練的人群和鋼琴家分別進行tDCS之后(刺激部位按國際10-20系統放置于C3和C4，刺激電流2 mA) 測量兩組人群的按鍵時間，結果發現對于普通人群，tDCS后的表現較之前有明顯的提升，但是鋼琴家組則出現較之前差的結果。tDCS對于運動技能的獲取與個人專業知識呈倒U關系，所以普通人群tDCS后對運動技能的獲取有明顯的提高，反而鋼琴家可能會出現較之前較差結果[11，12]。這些研究結果都提示我們tDCS作用于初級運動皮質后對運動技能的獲取有改變，但這種改變存在專業依賴性。tDCS對運動技能獲取的影響可以幫助我們在臨床疾病的診治與恢復中獲取新的思路，臨床上可用于腦卒中運動康復[13，14]以及帕金森患者運動的改善[15]等方面的治療，Ashlee等學者研究發現，對受訓練的帕金森患者以2 mA的電流進行刺激M1后，陽性組患者姿勢擺動、步幅、步速與假刺激組相比均有改善，提示我們tDCS在未來可以應用于帕金森患者的恢復訓練中[16]。

2.2 tDCS對運動技能提高的影響 tDCS除了有助于更快地學習新的運動技能以外，對運動技能的提高也有作用。運動技能的提高是指經tDCS刺激之后的第n+1天的運動技能的表現會優于第n天結束之后的表現，即在不接受刺激的情況下也會出現離線提高。Janine等學者研究發現實驗組在tDCS以1 mA的電流作用于M1之后的順序視覺等距捏合任務(Sequential visual isometric pinch task，SVIPT)，訓練后一段時間可以出現該任務較大提升，而假刺激組出現下降，這一發現證明tDCS在技能學習方面有離線提高的作用[10]。Robertson等學者在告知一組受試者SRTT任務的出現順序后，與對照組相比，實驗組在頭皮處以1 mA的電流刺激后，結果有明顯的離線提高[17，18]。

Ariane等學者指出tDCS刺激下了解運動序列時，對運動技能提高的影響與刺激部位關系密切，當以左側M1作為陽極以0.25 mA的電流刺激可以促進右側手運動技能的學習和提高，但以右側M1為陽極進行刺激則會出現相反的效果[19]。這些結果顯示了tDCS對運動技能有離線提高的影響，不同刺激部位會產生不同影響結果。在臨床上可用于老年人的運動康復，Dumel等學者發現在給予37例老年受試者連續5 d在M1以2 mA的電流進行20 min的電刺激后，陽極刺激顯示了對運動技能的持久影響，改善了老年人群的運動技能，為老齡化人群運動康復提供了理論依據[20]。

2.3 tDCS對運動技能的長期鞏固的影響 運動技能的長期鞏固是指我們在學習新的運動技能之后的3 m依然可以達到之前的水平。tDCS對獲取運動技能是否能長期維持也是研究的重點，我們在tDCS之后學習新的技能并長期記憶，這種設想如果能夠實現，會大幅度幫助我們完成日常作業以及臨床患者的康復訓練。Janine等學者通過對受試者進行SVIPT測試，記錄并分析結果發現tDCS以1 mA的電流作用于M1后與假刺激相比，在運動技能的獲取與離線提高方面確實有顯著差別，兩組在運動技能的鞏固方面無明顯差別，即兩組人群的遺忘速度是基本相同的[10]。Dumel將37例認知功能正常的老年受試者分為兩組，連續5 d在M1以2 mA的電流進行20 min的電刺激，結果發現僅在5 d的陽極干預有維持效果，但在3 m后無明顯變化[20]。但Claudia等學者在對37例健康老人分組進行電刺激后，發現在3 m的SRTT結果仍比之前有更好的表現，他們認為tDCS作用于M1后，對于新學習到的技能有明顯的鞏固效應[21]。根據目前研究結果，我們尚不能確定tDCS是否對技能的鞏固真正起效，需要我們進一步去研究。

3 tDCS與其他腦調控技術的比較

在過去的幾年中，應用不同的非侵入性腦調控技術來誘導神經可塑性和調節成人的認知和行為越來越受到人們的關注。tDCS與其他腦調控技術相比而言，在臨床應用及安全性方面有自己獨特的優勢。

3.1 與經顱交流電刺激比較 經顱交流電刺激(transcranial alternating current stimulation，tACS)與tDCS類似，不同在于刺激電流為交流電，通過特定的頻率刺激改變皮質節律，影響運動技能。不同刺激頻率會導致不同的離線效應。在不同任務的切換中，10 Hz和20 Hz的tACS對當前運動技能的獲取產生影響，但在任務切換中出現更多錯誤，目前的相關研究多局限于實驗室階段[22]。相比于tACS，tDCS對于運動技能的影響更為廣泛，現階段已應用于臨床及日常生活中。Ciechanski 等學者研究發現將tDCS加入到對腹腔鏡技術的訓練之中，可以提高技能的獲取，對于未來醫師訓練提供了新思路[5]。Winckel等學者甚至創新tDCS的應用方式，在家中來實現對卒中患者康復治療[23]。

3.2 與經顱磁刺激比較 經顱磁刺激(Transcranial magnetic stimulation，TMS)是一種基于電磁感應原理，產生感應電流，改變皮質神經細胞的動作電位，促進皮質代謝和腦功能改善的技術。重復經顱磁刺激(Repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS)可通過增加同側大腦半球的興奮性或降低對側大腦半球興奮性來減輕運動障礙的影響，促進運動技能的改善。但高頻的強刺激可能會誘發癲癇的風險[24]。相比于TMS，tDCS則有較小和較少的副作用，常見的如瘙癢和燃燒的感覺，通常出現在刺激開始時和刺激結束時。根據美國學者的報道，在2016年的33000份病例中沒有發現1例有嚴重的不良反應[25]。其他學者通過動物模型進一步說明目前所刺激的電流量比造成損害所需的電流量相差了許多數量級[7]。tDCS目前是一種相對比較安全的技術。

4 tDCS與咖啡緩解疲勞的比較

人類在正常疲勞后會有各種運動技能表現的下降，咖啡可通過阻斷腺苷受體來增強覺醒，幫助我們改善在疲勞狀態下運動技能的學習能力。但咖啡的問題在于其效果只是短期的，持續時間會隨著長期使用而下降。相比于咖啡，tDCS可以更好的幫助我們改善疲勞狀態，提升學習能力，研究者發現服用咖啡后的人群疲勞程度改善，但短時間內就會出現作業能力的下降。相比之下，前額葉皮質在tDCS之后的更長時間，受試者依然可以保持高的警覺性，同時通過眼球追蹤系統進一步證實，tDCS后眨眼頻率加快，證實受試者確實保持了清醒[26]。相比于咖啡，tDCS在緩解疲勞并提高操作技能方面確實有更大的作用，這一發現提示我們可以嘗試通過tDCS來緩解疲勞，保持清醒并提高運動技能學習的效率。

綜上所述，tDCS刺激初級運動皮質后提高學習新的運動技能的速度，提高兩次刺激之間所學習的運動技能，但對技能的鞏固尚未有定論。tDCS在促進清醒、緩解疲勞方面比咖啡作用更強。目前國內對于tDCS研究依舊十分有限，在今后的臨床及日常行為中，我們可以更深入探尋其對運動技能的有效性并加以應用，提高日常工作效率，促進疾病的康復。