高频重复经颅磁刺激（rTMS）提高运动员的兴奋性及其脑电特征研究

罗光霞，刘运洲

●研究报道

高频重复经颅磁刺激（rTMS）提高运动员的兴奋性及其脑电特征研究

罗光霞1，刘运洲2

目的：探讨高频重复经颅磁刺激（rTMS）的兴奋作用及其脑电活动，为使用rTMS提高运动员的唤醒水平提供理论基础。方法：采用2×2×2混合设计，在运动员左侧背外侧前额叶（DLPFC）施加20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持续5 s，间隔55 s），分别测试刺激前、后的自评兴奋度和脑电（EEG）。结果：rTMS刺激后男、女被试的自评兴奋性提高，额部α波、β波和央部β波的活动增强，顶部θ波和枕部δ波、θ波的活动减弱。结论：高频rTMS能够提高兴奋性，rTMS刺激后脑电活动的变化在一定程度上可以解释其神经生物学效应。

重复经颅磁刺激；兴奋；脑电

重复经颅磁刺激（rTMS）是一种新型的认知神经科学技术，它通过时变磁场使大脑皮层产生感应电流，进而对刺激区域及相关脑区产生影响，且所产生的生物学效应可持续到刺激停止后的一段时间。一般来说，高频（＞5 Hz）rTMS可促进大脑皮层的兴奋性，而低频（≤1 Hz）rTMS则对大脑皮层的兴奋性产生抑制，基于它能调节大脑皮层的兴奋性而被广泛地用于精神病学及神经病学的临床诊断与治疗[1－2]。淡漠状态是一种常见的赛前心理状态，此状态下运动员的唤醒水平较低，常表现为兴奋性低、情绪低落、反应迟钝、甚至不太愿意参加比赛，以致使得在竞赛中难以正常发挥。实践中常采用呼吸调节、自我谈话及身体活动等方式进行调控[3]，然而有时效果并不太理想。

前额叶参与许多复杂的认知功能和行为功能，是调节下丘脑一垂体一肾上腺（HPA）轴功能及自主神经功能的重要部位[4－5]。动物和人类的大量研究表明左侧前额叶与积极性情绪有关[5]，有研究显示，在被试左侧背外侧前额叶（DLPFC）施加适宜的高频重复经颅磁刺激（rTMS）可提高正性情绪及减少逃避行为[6]。此外，高频（＞5 Hz）rTMS可促进大脑皮层的兴奋性[1－2]，于是可尝试将rTMS作为一种干预手段，通过在运动员左侧背外侧前额叶（DLPFC）施加适宜的高频rTMS，用以提高其兴奋性及改善情绪状态，即从中枢神经系统对运动员的唤醒水平进行调控，将具有重要的理论意义和实践意义。

大脑皮质的神经元具有生物电活动，记录脑电活动是探讨脑生理和心理活动的一种基本研究手段。脑电图（EEG）是一种众所周知的、广泛使用的大脑活动可视化技术，脑电图（EEG）中有节律的活动代表着大脑皮层神经元突触后电位活动的同步化变化，可用于反映大脑皮层的机能状态。脑电功率谱是当前应用较为广泛、且较为成熟的脑电分析手段，可作为评价大脑机能状态的一种工具[7]。当前研究证实了20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持续5 s间隔55 s）能够较好的提高运动皮层兴奋性[8]，本研究拟采用该参数的rTMS在运动员左侧背外侧前额叶（DLPFC）实施刺激，使用自评兴奋度和脑电功率谱进行评价，用以考察其兴奋作用及脑电活动，以便较好的理解高频rTMS的刺激效果及其神经生物学效应，为使用rTMS提高运动员的唤醒水平提供理论基础。本研究的假设为：rTMS刺激后男、女被试的自评兴奋性提高，额部α波、β波及央部β波的活动增强，枕部δ波、θ波的活动减弱。

1 研究对象与方法

1.1 被 试

体校学生20名，右利手，其中男、女各10名，年龄16.32± 2.16岁，运动年限6～9年。所有被试均无既往病史、家族病史及精神疾病，符合TMS试验标准和脑电测试标准。被试均自愿参加试验，不知道试验目的也未参加过相关试验。告诉被试试验过程及可能的影响，签订试验协议并付给相应报酬。

1.2 试验设计

采用2×2×2混合设计。研究中包含3个因素：（1）性别（G），分男（G1）和女（G2）两个水平；（2）刺激方式（S），分磁刺激（S1）和假刺激（S2）两个水平；（3）测试时间（T），分刺激前（T1）和刺激后（T2）两个水平。其中性别为组间因素，刺激方式和测试时间为组内因素。

所有被试均接受两种刺激方式的试验（即S1和S2），在接受每种刺激方式的试验时分别进行前、后测（即T1和T2）。被试按照性别进行匹配后随机分成两组，一组按S1S2的顺序进行试验，另一组按S2S1的顺序进行试验，两次试验间隔一周，试验时间为9：30～11：30。要求被试在试验的前一天将头洗干净，试验期间不能饮酒和服用兴奋性或者抑制性药物，要保持正常的饮食及作息习惯。

1.3 试验过程

试验在屏蔽室进行，试验前先简单介绍试验程序和注意事项，并告诉被试试验过程中如有不适立即可终止试验。

试验时先进行问卷测试和脑电测试（T1），然后使用经颅磁刺激器实施刺激（S1和S2），刺激结束后再次进行问卷测试和脑电测试（T2）。

1.4 试验设备

经颅磁刺激器：Magtism RAPID2型（英国Magtism公司），标准蝶型70mm双线圈，磁场强度2.2 T。

定量数字脑电图仪：SOLAR 1848（北京太阳电子科技有限公司）。

问卷调查结果。受试者问卷评分显示口服鳕鱼皮胶原低聚肽后，10项指标均有不同程度改善，口服前评分均值为24.33±5.78，口服后评分均值为34.56±4.62，差异显著（P＜0.05）；对照组问卷调查无显著差异（P＞0.05）。

1.5 实施方法

磁刺激（S1）：使用经颅磁刺激器在被试左侧背外侧前额叶（DLPFC）施加刺激，刺激参数设置为20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持续5 s间隔55 s）。实施刺激时，被试放松、舒服地坐在两侧有扶手的靠椅上，线圈平面和颅骨表面相切，线圈两圆相交处的中心位置正对国际标准脑电10~20记录系统的F3位置[9]。

假刺激（S2）：刺激方法和磁刺激（S1）相同，操作时将线圈的输出强度降低至20%，使其远低于大脑皮层产生生理反应的刺激强度[10]。

静息阈值（RMT）：采用自带的MEP模块（时间基值50 ms，滤波通带2 Hz～10 kHz）和其专用电极线记录运动诱发电位（MEP），记录电极置于右手拇短展肌肌腹，参考电极置于其远心端的肌腱，接地极置于手腕处。线圈两圆相交处的中心位置正对能够最佳诱发右手拇指展肌MEP的位置，即位于国际标准脑电10～20记录系统的Cz点。在完全放松的情况下，找到连续10次刺激中至少有5次产生大于50 μV运动诱发电位（MEP）的最小刺激强度，作为静息阈值（RMT）[11]。

问卷测试：使用自评兴奋度问卷进行测试，自评兴奋度采用10级评分法进行评定，“0～9”代表兴奋程度，其中“0”代表一点儿也不兴奋，“9”代表非常兴奋，从0到9兴奋程度逐步升高。

脑电测试：依据国际脑电图学会及中国脑电图学会的建议，按照国际标准脑电10~20记录系统放置电极，参照8道仪器的导联选择方法，选用FP1、FP2、F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2进行单极引导，以双耳连线为参考电极，前额正中接地保护，记录被试安静闭眼状态下的脑电信号[12]。测试时被试坐在两侧有扶手的椅子上，要求其闭目、安静、不思考，信号采集时间为10 min，采样频率为256 Hz，时间常数为0.3 s。

1.6 统计方法

使用统计软件SPSS15.0对数据进行统计分析，显著性水平定为α=0.05。

2结 果

2.1 自评兴奋度的变化

对男、女被试刺激前、后自评兴奋度的得分进行重复测量方差分析（见表1），组内效应检验显示：刺激方式的主效应极端显著，F（1，18）=34.389，P＜0.000 5；刺激方式与性别的交互作用不显著，F＜1；测试时间的主效应极端显著，F（1，18）=50.782，P＜0.0005；测试时间与性别的交互作用不显著，F（1，18）=1.166，P=0.295；刺激方式与测试时间的交互作用极端显著，F（1，18）=59.777，P＜0.000 5；3个因素间的三重交互作用不显著，F＜1。组间效应检验显示：性别的主效应不显著，F＜1。

由于刺激方式与测试时间的交互作用极端显著，进一步简单效应检验显示：在S1（磁刺激）水平上，T（测试时间）的简单效应极端显著，F（1，19）=171.00，P＜0.000 5；在S2（假刺激）水平上，T（测试时间）的简单效应不显著，F＜1。这些结果说明，测试时间效应受刺激方式影响，磁刺激导致自评兴奋度得分升高，而假刺激未能导致自评兴奋度得分发生明显改变。由此可见，磁刺激刺激后男、女被试的自评兴奋性均提高，未出现性别差异。

表1 刺激前、后自评兴奋度的得分（M±SD）Tab.1 Mean of excitatory of rTMS before and after（M±SD）

2.2 脑电功率谱的变化

对男、女被试额部、央部、顶部和枕部刺激前、后各频段脑电波的功率值分别进行重复测量方差分析（见表2~表5，方法同3.1），结果显示：（1）额部α波和β波、央部β波、顶部θ波、枕部δ波和θ波：（组内效应检验）刺激方式的主效应显著或极显著（P≤0.05或P≤0.01），刺激方式与性别的交互作用不显著（P＞0.05），测试时间的主效应显著或极显著（P≤0.05或P≤0.01），测试时间与性别的交互作用不显著（P＞0.05），刺激方式与测试时间的交互作用极显著或极端显著（P≤0.01或P≤0.001），3个因素间的三重交互作用不显著（P＞0.05）；（组间效应检验）性别的主效应不显著（P＞0.05）。（2）额部δ波和θ波，央部δ波、θ波和α波，顶部δ波、α波和β波，枕部α波和β波：3个因素（G、S、T）的主效应及它们的交互作用均不显著（P＞0.05）。

表2 额部刺激前、后各频段的功率值（M±SD）Tab.2 Mean ofpowerspectralofrTMS before and afteron frontal

由于额部α波和β波、央部β波、顶部θ波、枕部δ波和θ波刺激方式与测试时间的交互作用极显著或极端显著（P≤0.01或P≤0.001），进一步简单效应检验显示：在S1（磁刺激）水平上，T（测试时间）的简单效应显著或极显著（P≤0.05或P≤0.01）；在S2（假刺激）水平上，T（测试时间）的简单效应不显著（P＞0.05）。结果说明，测试时间效应受刺激方式影响，磁刺激导致额部α波和β波、央部β波、顶部θ波、枕部δ波和θ波的功率值发生变化，假刺激未能导致其功率值发生明显改变。由此可见，磁刺激刺激后男、女被试额部α波、β波和央部β波的活动增强，顶部θ波和枕部δ波、θ波的活动减弱，未出现性别差异。

3 讨 论

3.1 自评兴奋度的变化

rTMS刺激过程中所有被试均未感觉到疼痛，未引起不适反应及产生不利影响。研究结果显示，磁刺激（S1）刺激后男、女被试的自评兴奋性均提高，该结果与研究假设一致。前额叶通过广泛的皮层间和皮层下通路与边缘系统联系，是调节下丘脑—垂体—肾上腺（HPA）轴功能的重要部位[4-5]。在前额叶皮层施加适宜的高频重复经颅磁刺激（rTMS），可提高其兴奋性和增强边缘系统之间的联系，边缘系统之间联系的增强可提高HPA轴的活动，进而促进去甲肾上腺素和糖皮质激素的释放，从而提高交感神经的兴奋性[14]。此外高频重复经颅磁刺激（rTMS）还可促进兴奋性神经递质如多巴胺（DA）、谷氨酸（GLU）等的释放[15]，从而使得被试的自评兴奋性提高。

表4 顶部刺激前、后各频段的功率值（M±SD）Tab.4 Mean ofpowerspectralofrTMS before and afteron parietal

3.2 脑电功率谱的变化

脑电功率谱分析是当前应用较为广泛、且较为成熟的脑电分析手段[7]，本研究对额部、央部、顶部和枕部各频段脑电波的功率值进行分析，结果显示，磁刺激刺激后男、女被试额部α波、β波和央部β波的活动增强，顶部θ波和枕部δ波、θ波的活动减弱，该结果与研究假设基本一致。

δ波是频率介于0.5至4 Hz之间的慢波，正常成人一般在困倦或者睡眠状态时才会出现；θ波的频率介于4至7 Hz，多见于有睡意或睡眠状态，同入睡表象、困倦及睡眠时的低警戒水平等心理状态相连，被认为是中枢神经系统抑制状态的一种表现[16]；α波的频率介于8至13 Hz，在清醒，安静和闭目时出现，睁眼、思考问题或受其他刺激时，出现alpha波阻断现象；β波的频率介于14至30 Hz，它是一种快波，同警觉性增加、唤醒和激动相连[17]，当精神紧张、情绪激动或兴奋时会出现，被认为是大脑兴奋、唤醒状态的一种表现[16]。本研究中磁刺激刺激后被试顶部θ波和枕部δ波、θ波的活动减弱，表明其困倦状态减轻，中枢神经系统抑制作用降低；额部α波、β波和央部β波的活动增强，表明其清醒程度增加，警觉性和兴奋性增加，唤醒水平提高。

然而Graf等人的研究显示，在左侧DLPFC施加20 Hz，90% RMT的rTMS后，被试δ波和θ波的活动减弱，α波的活动增强，而β波的活动未发生变化[18]。该研究中β波的活动未发生变化可能与刺激数量较少有关，从而导致了刺激后皮层的兴奋性未能明显增加[8]。在正电子发射断层扫描（PET）研究中，Speer等人给被试施加10天20 Hz的rTMS后，发现不仅刺激区域即左侧前额叶的区域皮层血流量（rCBF）显著增加，而且功能和解剖结构相关的区域的rCBF也出现显著增强[20]。Knoch等人在被试左侧DLPFC施加一次10 Hz的rTMS也得出类似的结果[21]。由于rTMS刺激后刺激区域及其相关区域均发生了相应的变化，从而使得额部、央部、顶部和枕部脑电波的功率值产生了相应的改变[19]。

总之，本研究在被试左侧背外侧前额叶（DLPFC）施加20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持续5 s间隔55 s）后，男、女被试的自评兴奋性均得以提高，其脑电活动的变化在一定程度上可以解释高频rTMS的神经生物学效应，可为使用rTMS提高运动员的唤醒水平提供理论基础。将rTMS作为干预手段，从中枢神经系统对运动员的赛前状态进行调控，将具有一定的理论意义及实践价值。在今后的研究中，一方面应结合功能成像技术如fMRI、PET等对rTMS的刺激效果进行进一步的试验验证；另一方面应加强rTMS的应用研究，以便在实践中能够较好地进行应用。

4结 论

在被试左侧背外侧前额叶（DLPFC）施加20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持续5 s间隔55 s）：（1）能够提高被试的兴奋性；（2）rTMS刺激后额部α波、β波和央部β波的活动增强，顶部θ波和枕部δ波、θ波的活动减弱；（3）rTMS的刺激效果无性别差异。

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High-Frequency Repetitive Transcranial Magnetic Improve Athlete's Excitation and It's EEG Characters

LUO Guangxia1，LIU Yunzhou2
（1.Dept of PE，Shanghai Sipo Polytechnic College，Shanghai 201300，China；2.China Institute of Sport Science，Beijing 100061，China）

Objective：Investigate the excitation effects and electroencephalographic activity of high－frequency repetitive transcranial magnetic stimulation，for providing a theoretical foundation by using rTMS to improve athlete's arousal level.Method：Using 2×2×2 mixed design，given 20Hz，90%RMT，3000 pulses of rTMS（5s on and 55s off）on left DLPFC in athletes，subjective excitation feeling and EEG were measured respectively before and after.Results：Excitatory self－assessment raise，the activity of frontal alpha，beta and central beta were increase，the activity of parietal theta，occipital delta and theta were decrease after rTMS.Conclusion：High－frequency rTMS can improve excitation，the change of EEG after rTMS might partly be explained by the neurobiological effect of high－frequency rTMS.

repetitive transcranial magnetic stimulation；excitation；EEG

G 804.2

A

1005-0000（2011）05-0449-04

2011-03-24；

2011-06-24；录用日期：2011-06-30

罗光霞（1982-），女，山东泰安人，讲师，研究方向为体育教育训练学、社会体育学。

1.上海思博职业技术学院体育教研室，上海201300；2.国家体育总局体育科学研究所，北京100061。