经颅电刺激对人体运动控制能力的影响研究进展

朱志强 王熙 张丹 王志斌

1上海体育学院运动科学学院（上海200438）

2华东交通大学体育与健康学院（南昌330013）

人体运动控制（motor control）能力是人体重要的运动能力之一[1]。运动控制能力不仅影响运动员的运动表现[2]，同时对普通健康人群的生活质量有着极为重要的影响，尤其是老年人和运动控制能力缺陷的患者[3]。以往提高人体运动控制能力的方法主要集中在通过干预训练改造骨骼肌系统功能来达到增强运动控制能力的目的[4]。但在运动控制过程中，神经系统在其中起到了非常重要的作用[5]。近些年来，关于运动控制能力的研究更多地关注神经系统干预对人体运动控制能力的影响。

经颅电刺激（transcranial electrical stimulation，tES）是一种非侵入性的经颅电刺激技术，通过放置在头皮的成对电极在颅骨浅层产生弱电流（1～2 mA），该电流可影响脑皮层的神经活动，改变大脑功能促进人类运动表现[6-8]。如今较常用的经颅电刺激技术主要有：经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）、经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation，tACS）和经颅随机噪声刺激（transcranial random noise stimulation，tRNS）[9]。以上电刺激技术可通过改变电极放置的位置，使电流的强度、刺激的时长和刺激的频率达到不同的刺激效果[9]。由于tRNS 相关的研究较少，本文通过Web of Science以“transcranial direct current stimulation，tDCS and motor control”、“tDCS and postural control”、“tDCS and body control”、“tDCS and balance”、“transcranial alternating current stimulation，tACS and motor control”、“tACS and postural control”、“tACS and body control”、“tACS and balance”为关键词，检索了2009.1-2019.5 期间1328 篇文献，筛选后获得32 篇，并对筛选后的文献进行总结和归纳。从刺激范式、不同肢体功能和运动控制任务的角度，阐述了tES对人体运动控制能力的影响，以期为后续研究提供理论参考。

1 不同tDCS刺激范式对运动控制能力的影响

1.1 刺激位置

tES 的范式对运动控制能力具有重要影响。关于刺激位置和刺激时间点对刺激效果的影响研究较多。刺激位置方面，以往研究调查了刺激区域（运动皮层、小脑和其他皮层区）和刺激时间点对运动控制能力的影响。

1.1.1 运动皮层

大量研究显示tDCS 刺激运动皮层可显著提升运动控制能力。Dutta等[10]对5名健康的右腿优势受试者初级运动皮层右侧胫骨前肌区域进行刺激，刺激前后应用low-cost point of care testing（POCT）对受试者平衡能力进行测试，结果显示：阳极tDCS 可显著改善最大压力中心（center of pressure，COP）偏移。Kaminski等[11]随机对26 名受试者运动皮层腿部区域进行tDCS，同时执行动态平衡任务（dynamic balance test，DBT），比较各组平衡任务表现、错误率以及平衡能力与运动学指标之间的关系，发现tDCS强化了平衡能力和速度的反向关系，促进动态平衡能力。但Kaminski 等[12]的另外一项研究却未发现tDCS 可提升老年人运动控制能力。该实验对30名老年人受试者进行了DBT训练，仅在第一次DBT 期间，随机进行20 分钟的阳极tDCS（a-tDCS）或假tDCS（s-tDCS），并且比较两次训练之间的学习改善，结果显示a-tDCS和s-tDCS组之间任务学习能力没有差异。

1.1.2 小脑

经颅直流电小脑刺激（transcranial cerebellar direct current stimulation，tcDCS）可调节人类的运动控制，学习和情绪处理等功能，并且增强患有小脑功能障碍或精神疾病以及处于神经修复过程中患者的神经功能可塑性[13]。Inukai 等[14]对16 名健康受试者的枕骨隆突下方2 cm处进行刺激，将第二电极分别放置于前额叶和右颊肌上，实验发现在阴极刺激之后，总轨迹长度和每秒的轨迹长度显著减少。Poortvliet等[15]对28名健康受试者进行tcDCS 刺激（阳极，1 mA，20 min）或假tcDCS（40 s），刺激前后进行静态控制能力测试，结果显示阳极tcDCS 显著改善了振动期间的姿势稳定性，并且在恢复过程中减少了COP 前向位移和变异性。Ehsani 等[16]对29 名老年人随机进行tcDCS（1.5 mA，20 min），发现与假刺激相比，阳极刺激组在静、动态姿态控制任务中的姿势摇摆显著减少。然而，少量的实验结果显示：tDCS 刺激小脑并未提升人体控制能力。Foerster等[17]对15名健康受试者进行三次小脑tDCS（阳极，阴极和假刺激）干预，每次干预之间间隔至少48小时，每次训练中，在tDCS 前后分别使用Biodex 平衡系统进行静态和动态平衡测试，结果表明：阴极tcDCS 破坏了健康受试者的左右腿站立静态平衡功能。

1.1.3 小脑与运动皮层

除了单独研究运动皮层和小脑，研究者也试图比较干预运动皮层和小脑对人体运动控制能力的影响。Craig 等[18]对年轻人（n=22，18～35 岁）和老年人（n=20，65 岁以上）初级运动皮层区（primary motor cortex，M1）、小脑分别进行干预，分别采集了受试者干预期间、干预后即刻和干预后30 分钟的平衡数据，结果显示：tDCS 使老年人在执行不同姿势控制任务时身体晃动下降。因此，刺激老年人运动皮层和小脑可短暂降低摇摆振幅。Yosephi等[19]随机将65名受试者分为5组进行5 种不同的干预（M1-tDCS+姿态训练、小脑-tDCS+姿态训练、假刺激+姿态训练、单独的姿态训练和单独小脑-tDCS），持续干预2周，每周干预3次，每次干预的刺激时长为20分钟，结果表明：M1或小脑tDCS结合姿势训练可更有效地改善姿势稳定性。

1.1.4 其他区域

运动皮层和小脑功能可直接影响人体运动控制能力，而其他区域脑功能的改变也可通过影响整个脑网络，间接影响人体运动控制能力。Leenus等[20]观察了右侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）tDCS对多关节运动控制的影响，通过随机双盲设计，采集了39 名健康年轻受试者干预前和干预后5分钟执行多关节任务的错误数和反应时，结果显示：阳极tDCS 减少了异侧配位错误量。Hupfeld 等[21]选取20 名健康成年受试者对辅助运动区（supplementary motor area，SMA）连续3 天随机进行阳极tDCS和假刺激。在tDCS刺激期间，参与者执行平衡任务的速度明显快于假刺激组，在tDCS 之后，受试者的简单和选择反应时间得到显著改善。该结果表明：SMA 高度参与计划和执行精细和粗大运动技能任务，并且tDCS是提高SMA相关功能的有效方式。

1.2 刺激时间点

tDCS刺激时间点对运动控制表现效果也有重要影响。Cabral 等[22]观察了12名健康右利手受试者不同时间点（在训练之前、期间或之后）进行tDCS对运动诱发大脑皮层可塑性的影响，发现在训练前进行tDCS增强了运动训练诱发大脑皮层可塑性的效果。该实验分别在训练之前、期间和之后，对被试施加阳极tDCS（M1，1 mA，13 min），并在每个被试tDCS 刺激前和刺激结束即刻采集右侧手第一骨间背侧肌的运动诱发电位（motor evoked potential，MEP）。该研究发现：与基线和假刺激相比，在执行运动任务之前进行tDCS增强了皮质脊髓的兴奋性。该实验结果表明训练之前进行tDCS刺激可提高运动诱发的大脑皮层可塑性。

1.3 刺激强度

tDCS 电流强度可影响运动控制能力。Cuypers 等[23]比较了不同电流强度对运动任务学习能力的影响，发现与假刺激相比1.5 mA可显著提高运动学习能力，而1 mA 并未发现显著变化。此外，Santos 等[24]观察了不同强度（1 mA、2 mA、3 mA）高精度tDCS 对身体姿态控制能力的影响，结果显示3 mA可更加有效地提升受试者的姿态控制能力。但Esmaeilpour 等[25]观察了1～2 mA 之间的电流强度对运动能力的影响，并指出单一调节刺激强度并不能有效地控制刺激效果。目前研究提示更大的电流强度可能更加有效地提升运动控制能力，尽管部分研究显示电流强度变化对运动控制能力影响没有差异。

2 tDCS对运动控制任务的影响

tDCS对不同运动控制任务的运动表现具有不同的影响。Saruco 等[26]将14 名受试者分为实验组（运动想象训练+阳极或假tDCS 刺激）和对照组（控制任务+假tDCS），在干预前后分别进行姿势控制任务，研究显示运动想象训练结合阳极tDCS 执行姿态控制任务所需的时间显著下降，尤其是复杂的姿势调控。Zhou 等[27]将20 名健康成年人双盲随机分为阳极刺激组和假刺激组，刺激前和刺激结束即刻评估受试者步态和姿势控制能力。当执行连续减法任务时，实时tDCS增加步态速度（P=0.006），降低站立姿势摇摆速度（P=0.01）和面积（P=0.01）。Strobach 等[28]让16 名健康受试者接受tDCS，并在双任务条件下执行随机和固定顺序任务，结果显示实时阳极tDCS 刺激可以提高执行随机顺序双任务的运动表现。Strobach 等[29]对比了tDCS 在单个任务、重复任务和任务切换的三个任务条件下的运动表现，评估了实时tDCS对混合能耗（单任务与重复任务）以及转换能耗（重复任务与任务切换）的影响，结果显示tDCS 提高了混合任务下的能耗。Zhou 等[30]对20 名健康老年人进行tDCS 实验，干预前后记录单任务（静止站立）和双任务（执行连续减法时站立）期间压力中心（COP）波动，结果显示tDCS 增加了双任务条件下的波动（P=0.02），还降低了双任务能耗（P=0.02）。该研究表明tDCS可有效提高老年人的身体控制能力。

3 经颅交流电刺激对人体运动控制能力的影响

关于经颅电刺激对人体运动控制能力影响的研究主要集中于tDCS，而近些年研究发现tACS可通过调节大脑内震荡提升人体运动控制能力[31]。

Cappon等[32]在辅助运动区和初级运动皮层（SMAM1）以α（10 Hz）和β（20 Hz）频率进行tACS刺激，刺激前后蒙眼执行潜意识的素数左/右选择反应任务和经颅磁刺激（transcranialmagnetic stimulation，TMS）测量第一骨间背侧肌MEP。该研究结果显示：20 Hz 的tACS 刺激增加了自主抑制的持续时间，10 Hz 的tACS刺激缩短了该时间。Miyaguchi[31]对20名健康成人使用tACS（1.0 mA），在左侧M1，右侧小脑或两个区域（“M1-小脑”）上施加30秒tACS刺激，同时使用右手食指在视觉指引下进行等长力量任务，并且对执行任务的错误率进行比较，发现γ波tACS M1-小脑刺激与误差数之间呈负相关（P=0.005，Pearson’sr=0.597）。运动能力不佳的人M1-小脑tACS 刺激后的控制误差明显减少（P=0.004）。因此，对于运动能力较差的受试者，在M1和对侧小脑上施加γ波tACS可改善它们的运动控制能力。Naro等[33]为了探究不同频率tACS刺激小脑是否可以调节M1-腿区域兴奋性以改变健康受试者的步态，通过不同的频率（10、50、300 Hz）和假tACS刺激对25名健康受试者右侧小脑进行干预，干预前后检测受试者M1-腿区域兴奋性、小脑抑制和步态，结果显示50 Hz和300 Hz提升下肢的M1-腿区域兴奋性和小脑抑制，但步态没有显著变化。Miyaguchi 等[34]采用70 Hz γ波tACS 对20 名健康成人左侧M1 和右侧小脑进行刺激，同时使用右手食指执行30秒视觉运动控制任务，比较了三种不同刺激方式（假刺激、与皮质目标区域180°相位刺激和0°相位刺激）对运动控制能力的影响，结果显示180°相位（Anti-phase）刺激减少了任务误差（P=0.021），γ波tACS 对M1 和小脑的影响具有相位特异性。Guerra等[35]通过β波、γ波和假tACS对18名健康受试者运动皮层M1进行干预，干预前后通过对手指重复敲击、MEP 进行测量，结果显示：β波tACS 导致运动时序的前十个运动中的幅度减小，而γ波tACS 具有相反的效果。Gutteling等[36]通过双盲假刺激实验设计，使用1 mA，10 Hz tACS 对30 名健康受试者左右侧半脑进行刺激，同时进行全身适应控制任务，并对身体适应能力和精准性进行评估，结果显示：刺激对应的半球促进了精准控制表现。

3.1 对肢体运动控制能力的影响

目前学者们不仅研究了tES 对人体综合运动控制能力的影响，同时也观察了tES对人体不同肢体运动控制能力的影响。

3.1.1 上肢运动控制能力

Lefebvre 等[37]研究了双侧阳极tDCS对19名轻度至中度慢性偏瘫患者运动控制能力的影响。在tDCS 干预之前、期间、之后和之后20 分钟，使用Purdue Pegboard Test（PPT）分别执行10 次精确抓握动作。结果显示：双侧tDCS 后20 分钟，麻痹手的精确抓握能力得到显著改善，抓握力/负荷力比减少了7%，预加载时间减少了18%。在双侧tDCS刺激期间，麻痹手的敏捷性开始改善，并且在刺激结束后20分钟达到峰值（PPT数值提高38%）。Matsuo 等[38]观察了tDCS 对14 名健康受试者非优势手精确运动的影响，在tDCS 刺激前、刺激后即刻和刺激后30 分钟进行绘圆图任务，结果显示：阳极tDCS 显著改善了绘制圆图能力，绘制偏差区域和路径长度显著减少，并在刺激后30分钟进一步增强。Koyama 等[39]将28 名健康受试者分为阳极刺激组（n=14）和假刺激组（n=14）进行tDCS干预，tDCS干预期间左手拇指进行轨迹运动。在干预后1小时和24小时后再次执行轨迹运动任务，结果显示：tDCS干预后1小时和24 小时拇指运动轨迹的峰值加速度改善。在刺激后24小时，tDCS组（144.2% ± 15.1%）的峰值加速度显著高于假刺激组（98.7% ± 9.1%）。

3.1.2 下肢运动控制能力

Lee YS 等[40]观察tDCS 对敏捷、力量和平衡的影响。该研究将30名健康成年人分为tDCS组和控制组，测量了tDCS 前、tDCS 中和tDCS 后敏捷、力量和平衡能力的变化。组内比较结果显示，tDCS 组的敏捷性和平衡性显著提升。组间比较显示，tDCS 组敏捷性和功率显著提升，该结果表明tDCS 可激活大脑皮层，从而有效改善下肢功能活动。Kim等[41]对11名受试者进行阳极tDCS（n=6）或假刺激（n=5），再通过功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）对第1次刺激前和第4次刺激后皮质活动进行检测，并计算皮质活动的变化。结果显示：阳极tDCS增加同侧辅助运动区域的激活程度，并降低前扣带回旋、右中颞回旋、中上颌回旋，以及初级和辅助躯体感觉皮层的激活程度。结果表明阳极tDCS 增加健康受试者下肢运动皮层皮质脊髓的兴奋性，并提示多个大脑皮层区参与下肢运动控制。Van Asseldonk 等[42]观察了tDCS 对10名健康受试者下肢运动功能的影响。受试者在刺激前和刺激结束后15 min和45 min在跑步机上行走，同时采集下肢运动学和动力学数据，结果显示：tDCS提高了健康受试者慢速行走期间的正功输出，而且双侧tDCS的效果（增加4.4%）比单侧tDCS（增加2.8%）效果明显。

4 总结

近些年tES对运动控制能力的影响受到广泛关注，尤其是tDCS 和tACS。目前，tDCS 相关研究数量较多，而tACS的相关研究也呈现明显上升趋势。从tES对运动控制能力干预效果来看，不同的tES刺激范式会显著影响人体运动控制能力，同时在人体不同的肢体和不同的运动控制任务中会表现出不同的影响。虽然大量研究显示tES可促进人体运动控制能力，但也有个别的研究结果显示tES 未能提高人体运动控制能力。展望未来，可结合脑电生理技术（TMS、脑电图）和脑成像技术（fMRI、功能性近红外技术）观察tES 对脑功能的影响，并结合运动控制能力的评价指标，分析运动控制变化与脑功能之间的关系，并进一步揭示tES影响运动控制能力的脑机制。