经颅直流电刺激改善运动技能及缓解疲劳的研究进展

任佳封， 程金湘， 宿长军

经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)是一种新兴的无创脑调控技术，该技术使用的设备简易且易于实施，将电极片用凝胶或生理盐水附着在颅骨上，设置恒定的电流强度(1-2 mA)，电流通过引起特定皮质区域膜电位的改变来进行脑调控。目前在睡眠和认知领域的初步研究中发现tDCS可能会改变睡眠、促进觉醒、提高认知功能、缓解疲劳等[1，2]。tDCS对人群运动技能有影响，主要表现在对运动技能的获取、提高和巩固三个方面[3]，本文主要介绍tDCS改善运动技能及缓解疲劳的相关研究进展。

1 tDCS进行脑调控改变运动技能的原理

tDCS对进行脑调控的主要原理目前有三种说法：一是通过直流电阈下刺激调节神经元的膜电位，改变皮质的兴奋性和活动性[4]。二是通过增加神经元自发放电和突触效能，在长时程增强机制下加强神经元连接来增强学习效果[5]。三是经颅直流电刺激的兴奋作用是由于γ-氨基丁酸(gamma aminobutyric acid，GABA)活性降低和N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)通过增加细胞内Ca2+水平而增强突触强度所致，此外经颅直流电刺激还可以改变脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)水平，促进BDNF依赖的突触可塑性，从而产生更好的学习效果[6]。对运动技能的改变也主要是依赖于这三种机制提高即时和延时的运动技能。

2 tDCS对运动技能的影响

运动技能对于我们的日常生活是必须的，比如运动、吃饭、写字等都离不开对运动技能的学习。我们需要通过一定时间的学习和练习来获取各种运动技能，评估运动技能改变主要包括三个方面：获取、提高和巩固[7，8]。tDCS作用于大脑皮质后，对运动技能的这三个方面有不同程度的影响。

2.1 tDCS对运动技能获取的影响 运动技能获取是指我们通过对某一项目数周或者几个月的练习后对该项目的表现有一个较大的提升(如从未接触过钢琴的人群掌握钢琴的基本按键)。与之区别的概念是运动技能的适应，在外界干扰情况下，经过较短时间对某项目的表现恢复到基线水平[如连续反应时任务(serial reaction time task，SRTT)]。两者的激活区域也不相同，运动技能的获取主要激活对侧初级运动皮质(M1)，对于干扰条件下原有运动技能的适应则激活顶叶皮质和小脑[9]。在过去的研究中，研究者相继发现tDCS可以通过1 mA电流刺激M1来提高对侧手的精细活动[10]。Shinichi等学者在未受训练的人群和钢琴家分别进行tDCS之后(刺激部位按国际10-20系统放置于C3和C4，刺激电流2 mA) 测量两组人群的按键时间，结果发现对于普通人群，tDCS后的表现较之前有明显的提升，但是钢琴家组则出现较之前差的结果。tDCS对于运动技能的获取与个人专业知识呈倒U关系，所以普通人群tDCS后对运动技能的获取有明显的提高，反而钢琴家可能会出现较之前较差结果[11，12]。这些研究结果都提示我们tDCS作用于初级运动皮质后对运动技能的获取有改变，但这种改变存在专业依赖性。tDCS对运动技能获取的影响可以帮助我们在临床疾病的诊治与恢复中获取新的思路，临床上可用于脑卒中运动康复[13，14]以及帕金森患者运动的改善[15]等方面的治疗，Ashlee等学者研究发现，对受训练的帕金森患者以2 mA的电流进行刺激M1后，阳性组患者姿势摆动、步幅、步速与假刺激组相比均有改善，提示我们tDCS在未来可以应用于帕金森患者的恢复训练中[16]。

2.2 tDCS对运动技能提高的影响 tDCS除了有助于更快地学习新的运动技能以外，对运动技能的提高也有作用。运动技能的提高是指经tDCS刺激之后的第n+1天的运动技能的表现会优于第n天结束之后的表现，即在不接受刺激的情况下也会出现离线提高。Janine等学者研究发现实验组在tDCS以1 mA的电流作用于M1之后的顺序视觉等距捏合任务(Sequential visual isometric pinch task，SVIPT)，训练后一段时间可以出现该任务较大提升，而假刺激组出现下降，这一发现证明tDCS在技能学习方面有离线提高的作用[10]。Robertson等学者在告知一组受试者SRTT任务的出现顺序后，与对照组相比，实验组在头皮处以1 mA的电流刺激后，结果有明显的离线提高[17，18]。

Ariane等学者指出tDCS刺激下了解运动序列时，对运动技能提高的影响与刺激部位关系密切，当以左侧M1作为阳极以0.25 mA的电流刺激可以促进右侧手运动技能的学习和提高，但以右侧M1为阳极进行刺激则会出现相反的效果[19]。这些结果显示了tDCS对运动技能有离线提高的影响，不同刺激部位会产生不同影响结果。在临床上可用于老年人的运动康复，Dumel等学者发现在给予37例老年受试者连续5 d在M1以2 mA的电流进行20 min的电刺激后，阳极刺激显示了对运动技能的持久影响，改善了老年人群的运动技能，为老龄化人群运动康复提供了理论依据[20]。

2.3 tDCS对运动技能的长期巩固的影响 运动技能的长期巩固是指我们在学习新的运动技能之后的3 m依然可以达到之前的水平。tDCS对获取运动技能是否能长期维持也是研究的重点，我们在tDCS之后学习新的技能并长期记忆，这种设想如果能够实现，会大幅度帮助我们完成日常作业以及临床患者的康复训练。Janine等学者通过对受试者进行SVIPT测试，记录并分析结果发现tDCS以1 mA的电流作用于M1后与假刺激相比，在运动技能的获取与离线提高方面确实有显著差别，两组在运动技能的巩固方面无明显差别，即两组人群的遗忘速度是基本相同的[10]。Dumel将37例认知功能正常的老年受试者分为两组，连续5 d在M1以2 mA的电流进行20 min的电刺激，结果发现仅在5 d的阳极干预有维持效果，但在3 m后无明显变化[20]。但Claudia等学者在对37例健康老人分组进行电刺激后，发现在3 m的SRTT结果仍比之前有更好的表现，他们认为tDCS作用于M1后，对于新学习到的技能有明显的巩固效应[21]。根据目前研究结果，我们尚不能确定tDCS是否对技能的巩固真正起效，需要我们进一步去研究。

3 tDCS与其他脑调控技术的比较

在过去的几年中，应用不同的非侵入性脑调控技术来诱导神经可塑性和调节成人的认知和行为越来越受到人们的关注。tDCS与其他脑调控技术相比而言，在临床应用及安全性方面有自己独特的优势。

3.1 与经颅交流电刺激比较 经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation，tACS)与tDCS类似，不同在于刺激电流为交流电，通过特定的频率刺激改变皮质节律，影响运动技能。不同刺激频率会导致不同的离线效应。在不同任务的切换中，10 Hz和20 Hz的tACS对当前运动技能的获取产生影响，但在任务切换中出现更多错误，目前的相关研究多局限于实验室阶段[22]。相比于tACS，tDCS对于运动技能的影响更为广泛，现阶段已应用于临床及日常生活中。Ciechanski 等学者研究发现将tDCS加入到对腹腔镜技术的训练之中，可以提高技能的获取，对于未来医师训练提供了新思路[5]。Winckel等学者甚至创新tDCS的应用方式，在家中来实现对卒中患者康复治疗[23]。

3.2 与经颅磁刺激比较 经颅磁刺激(Transcranial magnetic stimulation，TMS)是一种基于电磁感应原理，产生感应电流，改变皮质神经细胞的动作电位，促进皮质代谢和脑功能改善的技术。重复经颅磁刺激(Repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS)可通过增加同侧大脑半球的兴奋性或降低对侧大脑半球兴奋性来减轻运动障碍的影响，促进运动技能的改善。但高频的强刺激可能会诱发癫痫的风险[24]。相比于TMS，tDCS则有较小和较少的副作用，常见的如瘙痒和燃烧的感觉，通常出现在刺激开始时和刺激结束时。根据美国学者的报道，在2016年的33000份病例中没有发现1例有严重的不良反应[25]。其他学者通过动物模型进一步说明目前所刺激的电流量比造成损害所需的电流量相差了许多数量级[7]。tDCS目前是一种相对比较安全的技术。

4 tDCS与咖啡缓解疲劳的比较

人类在正常疲劳后会有各种运动技能表现的下降，咖啡可通过阻断腺苷受体来增强觉醒，帮助我们改善在疲劳状态下运动技能的学习能力。但咖啡的问题在于其效果只是短期的，持续时间会随着长期使用而下降。相比于咖啡，tDCS可以更好的帮助我们改善疲劳状态，提升学习能力，研究者发现服用咖啡后的人群疲劳程度改善，但短时间内就会出现作业能力的下降。相比之下，前额叶皮质在tDCS之后的更长时间，受试者依然可以保持高的警觉性，同时通过眼球追踪系统进一步证实，tDCS后眨眼频率加快，证实受试者确实保持了清醒[26]。相比于咖啡，tDCS在缓解疲劳并提高操作技能方面确实有更大的作用，这一发现提示我们可以尝试通过tDCS来缓解疲劳，保持清醒并提高运动技能学习的效率。

综上所述，tDCS刺激初级运动皮质后提高学习新的运动技能的速度，提高两次刺激之间所学习的运动技能，但对技能的巩固尚未有定论。tDCS在促进清醒、缓解疲劳方面比咖啡作用更强。目前国内对于tDCS研究依旧十分有限，在今后的临床及日常行为中，我们可以更深入探寻其对运动技能的有效性并加以应用，提高日常工作效率，促进疾病的康复。