無創傷腦部刺激技術緩解運動疲勞的機制與應用

劉嘉雯

中圖分類號：G804.5? ?文獻標識：A? ? ?文章編號：1009-9328（2022）06-256-02

摘? 要? 經顱直流電刺激（transcranial Direct Current Stimulation，tDCS）是一種無創傷腦部刺激技術，可以增強大腦神經興奮性進而引起大腦功能性改變。為了研究因該技術刺激引起的腦部功能性變化對緩解運動疲勞的積極影響，更好地在運動實踐中進行運用，本研究對收集了近20年國內外有關文獻進行系統全面的歸納總結，梳理經顱直流電刺激緩解運動疲勞的作用機制。結果表明：tDCS刺激對在恒定負荷有氧耐力訓練運動疲勞感是降低的;tDCS主要通過增加運動單位的募集數量和神經肌肉的抑制效應來緩解運動員的神經疲勞;a-tDCS對提高反應時間以及緩解受疲勞負面影響的情緒具有良好效果;tDCS是MS相關疲勞的潛在治療方法;緩解疲勞途徑中tDCS比咖啡因在促進清醒緩解疲勞方面作用更強。

關鍵詞? 經顱直流電刺激（tDCS）? 運動疲勞? 緩解機制

隨著競技體育發展，運動員的競技體育成績越來越受到大眾的關注。因此教練員和運動員都要盡可能優化訓練方法和提高競技能力，在日常訓練中遵從較高強度的訓練。而這些訓練通常會改變身體的機能，機能一旦改變也會導致身體疲勞的產生，從而會存在對運動成績起到反作用潛在危害。因此抗疲勞性是維持重復運動模式的限制因素之一，有效延緩疲勞產生的能量資源會促使運動表現得到進一步的提高。

就緩解疲勞這一途徑而言，前人有熱水浴和溫水浴和超低溫冷療恢復法、中醫法、營養補充法及心理療法等物理療法，但經研究發現這些方法的效果并不顯著。隨著侵入性腦刺激出現在人們的視野并被廣泛用于神經科學研究中，它是一種能夠誘導給定的某大腦區域網絡活動的變化來研究其在特定運動、認知或感知過程的技術。tDCS作為NIBS的一種，它既能作為在專業運動環境中以大腦為中心恢復機體疲勞策略之一，又能持續施加一部分電流進入顱骨并調節大腦興奮性且不產生動作電位，也能夠通過誘導神經元的極化從而調節大腦神經元靜息膜電位。因此，tDCS緩解運動疲勞有著明顯效果。迄今為止tDCS可能改善身體機能機制的研究數量是有限的，在很大程度上是未知的?？梢娞骄縯DCS緩解運動疲勞的機制與應用，結合科學的運動訓練用于增強健康個體的身體和培養優秀體育后備人才是非常有意義的。

一、經顱直流電刺激相關概念

tDCS是一種利用陰陽極片貼在腦部特定部位上，再以恒定的微直流電（1.0-2.0mA）去誘導大腦神經可塑性和調節皮質興奮性的非侵入性技術。使用tDCS時通常將一對海綿墊浸泡約6ml鹽水溶液，以1-2mA的直流電刺激目標部位約20分鐘，錐體神經元的胞體、軸突末端、突觸和樹突都是tDCS所刺激的細胞目標。tDCS作為大腦特定研究活動區域的興奮劑或抑制劑，將陽極電極放置在刺激目標靶點上是能夠增加大腦神經元的興奮性和可塑性，而陰極卻會誘導相反的效果。tDCS調節運動皮層興奮性的初步研究表明大腦皮質興奮性可以在tDCS刺激停止后依然持續存在，并且這種效應會通過增加強度和持續時間的變化進而發生調節。研究表明13分鐘連續刺激的后效可持續長達90分鐘[1]。電極的放置和配置不同會使結果存在差異甚至相反。前人提供了迄今為止最有力的臨床證據，表明刺激的相對位置會影響每個電極下的神經調節，此外增加電極距離可能會降低神經調節的幅度[2]。

二、運動疲勞相關概念

國內認為運動疲勞是一種表現出通過活動導致機體能消耗能源物質、機能調節紊亂和代謝異常、機體在運動過程中生理上不能繼續維持運動進行、不能維持在一定的足夠水平上，或不能持續穩定達到預先的運動強度。國外學者認為運動疲勞是指在長時間內進行竭盡運動或身體要求很高的任務時發生的現象、缺少在力量失敗之前增加的努力感和性能的嚴重損害。疲勞可能會損害運動員的認知處理，從而降低他們在需要快速決策時控制運動的能力且隨著運動員進入到疲憊階段，決策對髖關節和膝關節力學的影響變得更加明顯。

三、tDCS的作用機制

tDCS的作用機制是什么？這仍然是一個懸而未決的問題?，F有說法總結為四個方面：tDCS能改變大腦皮質的興奮性、增加突觸的可塑性、改變局部腦血流和調節局部皮層和大腦網絡連接等方式等調節功能。

（一）改變大腦皮質的興奮性

經顱直流電刺激通過改變刺激大腦區域神經元的靜息膜電位，調節大腦皮層興奮性。a-tDCS促使大腦神經元靜息膜電位走向去極化，而c-tDCS推動了大腦神經元靜息膜電位走向超極化，即經顱直流電刺激可以引起長期持久的后效應，而靜息膜電位的變化是短暫的。

（二）增加突觸的可塑性

一方面，急性效應是由膜極化引起的，對神經遞質釋放、尖峰時間和尖峰時間依賴性可塑性具有主要的影響;另一方面，突觸可塑性與刺激強度和頻率有極強的相關性。短期和長期的治療效果可能誘導神經發生和皮質重組，進而產生長時間抑制或增強作用。N-甲基-D-天冬氨酸受體依賴LTP可以通過陽極刺激進行調節，谷氨酸能活性的調節也有助于陰極刺激產生后效應，這就是tDCS可以產生后效應的原因。

（三）改變局部腦血流

在刺激期間增加刺激皮質興奮性的陽極會增加與L-DLPFC結構密切相關的大腦網絡區域內的血流灌注，而初級運動皮層區的rCBF在陰極刺激下顯著減少，這與陰極刺激下MEP振幅的降低相關。

（四）調節局部皮層和大腦網絡連接

大腦皮質內和皮質間的連接有初級運動皮層（M1）、前額葉皮層（PFC）、島葉皮層（IC）和輔助運動區（SMA），M1區是與運動表現最相關的區域。陽極刺激M1區通過增強機體內運動和協調相關區域功能的連接，從而減少枕葉額葉耦合并增加運動相關同步性所引起大腦左右半球間連接變化，進一步證明了tDCS是具有可誘發腦功能的連接作用。

四、tDCS在疲勞中的應用

神經肌肉疲勞是由于中樞和外周因素引起的。雖然與肌肉本身相關的外周疲勞是人們通常熟悉的一個因素，但中樞神經系統在運動期間不能最大限度地驅動肌肉，中樞疲勞也可能在運動訓練中發揮重要作用。tDCS能通過使刺激通過運動皮層傳遞緩解疲勞，并且陽極刺激能提高大腦皮質興奮性的同時也能達到減解疲勞，還使運動耐受時間延長了將近15%。不難看出在體育運動中發生疲勞時，可以在很大程度上緩解疲勞，預防運動訓練期間損傷的發生。

國內外學者在對何種方式對疲勞緩解更有效果這一問題上進行探究，他們將tDCS與咖啡因這兩種途徑相比較，得出tDCS對提高初級運動員反應時間以及緩解受疲勞負面影響的情緒等方面有明顯改善作用且在促進清醒方面比咖啡因作用更強。陽極刺激在大腦皮層運動區和前運動區對運動員在次最大強度肌肉耐力訓練的后期、恒定負荷有氧耐力訓練、最大速度沖刺訓練的疲勞感是明顯降低的，而對于降低其他運動方式，如肌肉耐力、高強度無氧耐力的疲勞感是沒有明顯效果的;作者也進一步研究tDCS在運動員恢復中的效果，通過與神經肌肉電刺激技術（NMES）比較得出，tDCS主要針對刺激深度從而達到神經肌肉鎮痛效果;tDCS應用于運動員疲勞恢復主要通過增加運動單位的募集數量和神經肌肉的抑制效應來舒緩運動員的神經疲勞[3]。

足球比賽會導致心理生理指標出現短暫的紊亂，賽間的休息時間不足可能是受傷的一個重要風險因素，賽后疲勞會導致球員自我疲勞感和痛苦感增加與此同時降低培訓警覺性和動機。因此，監測恢復和使用促進恢復的干預措施得到了足球研究人員和從業者的高度重視。運動員在快速重復運動下易感疲勞，借助假對照、雙盲、交叉研究將陽極刺激和假刺激應用于雙側M1腿部區域，同時對參與者的四肢上下部進行20秒敲擊，表明tDCS能夠在人們進行快速重復運動期間減少運動疲勞感;也可以將tDCS結合康復訓練課程改善運動員賽后的幸福感和自我疲勞感。在對初級運動皮層（M1）和800米游泳表現測試后應用tDCS后，只有刺激左DLPFC的肛門可減少50米游泳表現中精神疲勞的不良反應;左側DLPFC上用陽極刺激，在右側DLPF上用陰極刺激，可以增加活力并減少感知疲勞和肌肉張力。

對患有慢性疲勞的患者施加一周的以2mA的恒定電流持續20分鐘tDCS能夠緩解疼痛和疲勞;殷可意、劉宇得出tDCS可以改善人體運動動機，減少肌肉疼痛，調節肌肉協同做功;刺激后神經驅動增強、脊髓層級上疲勞感會隨之減少[4];男性精英弓箭運動員中賽前約45分鐘，采用2mA電流的tDCS持續刺激參賽員20分鐘并在賽前15分鐘收集心理生理反應，參照Brunel情緒量表和競爭狀態焦慮量表-2修訂版，得出DLPFC上的陽極是可以調節競爭性焦慮和壓力且可能有利于在競爭情況下提高運動成績;通過一組刺激背外側前額葉皮層，一組使用左陽極刺激并進行20分鐘的認知訓練配對，借助測量信息系統-疲勞簡表評估疲勞來評估結果得出tDCS是MS相關疲勞的潛在治療方法。這些都表明了tDCS可以改善與健康相關的主觀測量。

五、結語

迄今為止，根據現有證據表明經顱直流電刺激可以被視為一種相對安全和便攜式的大腦活動調節技術。對于在緩解運動疲勞中可以得出：tDCS對在恒定負荷有氧耐力訓練和進行快速重復運動期間運動疲勞感是降低的;tDCS主要通過增加運動單位的募集數量和神經肌肉的抑制效應來緩解運動員的神經疲勞;a-tDCS對提高反應時間以及緩解受疲勞負面影響的情緒具有良好效果;tDCS是MS相關疲勞的潛在治療方法;緩解疲勞途徑中，tDCS比咖啡因在促進清醒、緩解疲勞方面作用更強。與其他基于tDCS的研究相比，確切針對tDCS刺激干預運動疲勞領域的研究是仍處于起步階段，相關文獻相對較少。因此，現在還為時過早的結論是tDCS在緩解運動疲勞方面通常是有效的，我們應該對此技術進行客觀評估存在有限的條件以及是否會對人們帶來負面影響。

參考文獻：

[1]SalehiEN，FardSJ，JaberzadehS，etal.TranscranialDirectCurrentStimulationReducestheNegativeImpactofMentalFatigueonSwimmingPerformance[J].JMotBehav，2021（25）：1-10.

[2]BiksonM，DattaA，RahmanA，etal.ElectrodemontagesfortDCSandweaktranscranialelectricalstimulation：Roleof"return"electrode'spositionandsize[J].clinicalneurophysiology，2010，121（12）：1976-1978.

[3]唐文靜，李丹陽，胡惠莉，等.經顱直流電刺激干預運動表現：效果及應用策略[J].體育科學，2020，40（08）：74-87.

[4]殷可意，劉宇.無創深部定位腦刺激：提升運動表現[J].體育科學，2019，39（05）：96-97.