经颅磁刺激技术提高运动能力的研究进展

陈 宇

（广州体育学院 研究生院，广东 广州 510500）

竞技体育离不开高科技的支撑.近些年，国内外关于无创性脑刺激技术应用于体育领域的研究受到广泛关注，并在运动训练实践中得到应用，经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）技术就是其中的代表.

1 经颅磁刺激技术的概念与起源

TMS简称磁刺激，它是将连续磁场脉冲作用于大脑特定皮质区域并诱导皮层下产生感应电流，达到影响脑内代谢和神经活动的一种电生理技术［1］，是被广泛用于探索人类皮层神经潜在激活的非侵入性脑刺激（NIBS）技术.

1985年，在伦敦举行的第11届世界临床神经生理学与脑电图会议上，英国Sheffield大学的Barker教授等人［2-3］首先创立一种皮质刺激方法，他们通过使用磁场线圈刺激大脑皮层初级运动区，并成功地在对侧手部记录到运动诱发电位（Motor Evoked Potentials，MEP），于此，该项被命名为经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）的神经技术宣告诞生.他们的研究认为，如果被试的头皮短暂暴露于磁场中，可以激活皮质脊髓束［4］.

2 经颅磁刺激技术的特点、原理与刺激模式

经颅磁刺激技术具有无创伤、无疼痛、功能独特、操作简单，相关性高等特点.自Barker等人开发并启动使用后，被广泛应用于精神病学、神经病学的临床治疗以及脑科学、心理、认知等领域的研究.此技术主要基于法拉第电磁感应原理，通过线圈的传递将瞬变电流生成感应磁场，产生出的瞬间变化磁场穿透颅骨、软组织，在颅内导体中转化为与刺激线圈电流方向相反的感应电流，进而作用于大脑局部皮质，通过神经突触传导相邻神经元，改变大脑皮质附近神经细胞的极化状态，并改变神经细胞膜电位而产生一系列生理、生化反应［5-6］.

使用时可根据不同刺激脉冲的数量和频率，有的放矢组合成不同的刺激模式，从而达到相应的目的.常见刺激模式主要有：单脉冲磁刺激（Single-pulse TMS，spTMS）、双脉冲磁刺激（Pair-pulse TMS，ppTMS）、重复性磁刺激（Repetitive-pulse TMS，rTMS）［7-9］.

3 经颅磁刺激技术在临床中的应用

3.1 TMS在临床的首次应用

2008年由美国食品与药品监督局（Food and Drug Administration，FDA）批准，rTMS首次用于难治性抑郁症的治疗［9］.作为神经系统检查及治疗技术，TMS的无痛非侵入性，让受试者基本能在没有任何不适或疼痛的感觉下完成，受试者较为接受.虽然TMS应用于治疗初期，由于技术手段还没有发展成熟等原因，发生治疗诱发癫痫病，经过不断改进和发展，现已成为了无创性治疗帕金森、抑郁症等神经疾病的优先选项［10］.

3.2 TMS应用于脑性疾病患者

神经元放电是大脑活动的主要形式，经颅磁刺激技术通过脉冲磁场使大脑皮层神经细胞的动作电位因磁场诱发的感应电流而发生改变，引起相应脑区的兴奋或抑制，达到对应性的调节脑网络，造成短暂或长期的脑功能改变的目的［11］.

经颅磁刺激是一项新型认知神经科学技术.通过精准的评估，制定最佳的治疗方案，利用高强度脉冲磁场，作用于中枢神经系统的瞬时活动，来调节脑内代谢和神经电生理活动、改善患者神经功能，并影响运动感觉功能和高级认知能力.用于脑卒中、脑外伤、脊髓损伤、帕金森等疾病康复治疗，目前在昏迷促醒方面也有临床应用［12］.脑卒中是一种致死和致残率极高的急性脑血管疾病，被世界卫生组织列位于仅次于癌症和冠心病后的第三致死疾病.运动功能障碍、思维障碍、记忆障碍等是脑卒中常发的后遗症，重度致残率高［13］.脑卒中及其他脑部损伤后认知功能障碍若得不到及时发现和治疗，可进一步导致痴呆、抑郁等疾病的发生.因此提高治疗预后效果成为必需且急需要解决的问题.大量研究结果证明，相对于单纯介入传统康复锻炼的脑卒中患者［14-17］、帕金森患者［18］，TMS联合功能锻炼能更有效促进神经系统重塑，改善患者的认知功能和神经功能［19-20］，本病目前临床康复最常用此方法，也是被承认能为患者最大可能的康复效果提供机会的治疗方法.刘思豪临床研究发现，rTMS在治疗脑卒中患者上肢主动运动能力、下肢主动运动（支撑、摆动、步幅、步行速度）能力等方面都有显著的提高［21］.因此，后期TMS越来越多地应用于脑卒中康复领域，对急性期脑梗死患者脑瘫患者认知和运动功能恢复的效果也得到了临床的肯定［22-25］.

经颅磁刺激技术较之并称为21世纪的四大脑科学核心研究技术的正电子放射扫描（PET，Positron Emission Computed Tomography）、功能磁共振影像（fMRI，Functional Magnetic Resonance malting）、脑磁图（MEG，Magnetoencephalogram）而言，因其优越性和实用性成为一种应用前景更广的最具潜力的临床治疗方法.在焦虑症［26］、抑郁症［27］、强迫症［28］、帕金森［29］和阿尔兹海默症［30］等神经疾病中较多应用，且效果良好.

经颅磁刺激技术的以上临床应用效果，在动物实验研究中也得到良好验证［31-34］.并通过深入的研究和应用，该技术不断得到发展和完善.

4 经颅磁刺激强化运动能力

4.1 提高身体能力和执行功能

关于神经技术应用于身体运动能力的既往研究，有较一致的认识：神经技术，包括经颅磁刺激，在改善运动学习，提高肌肉力量和减缓肌肉疲劳等方面具有潜在优势［35-36］.众所周知，任何身体动作都是通过肌肉的收缩舒张带动骨骼的转动来完成的，而肌肉的舒缩活动、完成躯体运动却是受神经系统高级中枢——大脑运动皮层所控制.那么，如何做到通过改变神经动作控制达到改变肌肉活动、提高运动能力呢？答案就是TMS技术.TMS既可作为神经系统治疗技术同时也是检查技术.TMS技术能够准确地探究被测者大脑皮层功能分区运动皮层附近神经细胞膜电位状态，以及接受刺激后的适应性细微变化情况，因此进一步了解大脑网络如何对负责协调复杂运动学习中的运动程序调整优化，达到强化运动能力的目的［37］.而且，可以根据目的制订个性化刺激方案改变大脑皮层不同的兴奋状态.有研究证明通过一段时间刺激引起兴奋性改变作用可维持达到3个月、甚至6个月之长［38-39］，具有改变突触可塑性的潜在作用.虽然既往研究认为，中枢神经系统神经元于出生后不久发育即停止，损伤坏死后不能再生，并丧失原有的联系和功能，数十年来也一直被医学界所共识.但随着医学的发展，人们逐渐发现，损伤后的人脑仍有适应能力，能在结构和功能上自我修复，以在一定程度上适应改变了的环境.20世纪30年代初，神经康复学家Bethe A首先提出脑可塑性（Brain Plasticity）的概念.研究表明，脑在一定条件下具有可塑性，即脑神经在结构和功能上有自身修复的能力［40］.神经可塑性可以发生在多个水平，这些改变可能会引起大脑皮层组织结构的变化，影响大脑发育，进而导致行为层面的变化.这种能力对神经系统的发育和维系大脑的正常机能是至关重要的.有研究证明，经颅磁刺激技术能够增强神经可塑性，恢复皮质兴奋水平，改善脑功能［41］.

经颅磁刺激作为目前最可靠且应用最为广泛的一种技术，已被广泛应用于健康和疾病（主要为神经损伤患者）人群［42］，均能明显提高运动功能.近些年，TMS在提升运动员身体和心理的综合运动表现方面的作用得到了更多关注和应用.北京协和医学院靳静娜博士［43］对10名在校大学生健康受试者进行14天的rTMS刺激联合运动训练（非利手进行三种不熟悉的运动任务训练），对照组单纯执行运动训练，两组训练模式和时间完全相同.结果是实验组非利手的肢体运动输出功能更强.金芳［44］将14名健康受试者作为测试对象，进行15天刺激，并对手部运动功能多个行为学指标进行刺激前后的检测、对比，发现rTMS刺激联合手部运动训练组干预效率高于单纯运动训练组.有学者以空手道运动员、拳击运动员、网球运动员等为例进行了研究，使用高频rTMS刺激运动员的大脑皮层M1区后均发现其皮层阈值降低，兴奋性增高，运动员的肢体运动功能和肌肉力量都相应增强，灵敏和协调能力也得到了相应提升.李巍［45］将20名水平为国家二级运动员及以上或运动年限5年以上的拳击运动员，分为刺激组和伪刺激组，结果显示，高频rTMS刺激背外侧前额叶，能显著促进运动员选择性注意、工作记忆能力，提高工作记忆的信息提取速度、无关信息的抑制能力，提高视觉搜索速度，提高知觉预测预判准确性与反应速度，缩短神经活动的激活时程.何艳等［46］以10名在校大学生健康志愿者为研究对象，发现同背景握力的条件下，TMS刺激前后手部握力大小及各手指间的协调性得到了提高.

4.2 心理调节作用

TMS能调节运动员赛前状态.低频rTMS刺激运动员额叶区发现其可以改善运动员赛前焦虑、情绪低落及失眠，高频rTMS刺激运动员的额叶也可以很好地改善其赛前兴奋性低、反应迟钝、情绪低落，为运动员赛前心理干预提供了一种新方法.刘运州［47］以8名运动年限6-9年、运动水平为二级以上运动员的体校学生为研究对象，发现使用1Hz、80%RMT、1 500次rTMS（持续10秒间隔2秒）刺激右侧背外侧前额叶（DLPFC），能够有效降低运动员赛前焦虑（包括认知焦虑和躯体焦虑）状态，增加自信心，提高睡眠质量，以及改善睡眠.使用20Hz、90%RMT、3000次rTMS（持续5秒间隔55秒）刺激左侧背外侧前额叶（DLPFC），能产生心理唤醒作用，以及心理唤醒的强度得到增加，并能抑制负性心理唤醒.赵非一等［48］以21名来自高校的国家二级以上女排运动员为研究对象，发现rTMS干预可显著改善因赛前焦虑导致的女排队员总睡眠时间不足和睡眠效率低下的问题.

5小 结

科技强化运动能力、助力竞技体育的作用已得到广泛公认.采用TMS技术对运动通路、认知功能等方面的皮质功能活动的研究也越来越多.然而，从神经生理学机制角度，目前尚不十分明确无创脑刺激是如何改善运动学习、提高运动表现的.神经技术的安全性、时效性、合理性也还不能保证.另外，TMS最佳刺激参数的选择和搭配，尚没有较具体的参照和定论；最佳介入时机及方案，与体育训练方案如何合理结合等等问题也不清楚，这些仍是未来需要重点关注和研究的方向.

大量的研究结果表明高频rTMS刺激可以增强正常人的大脑皮层M1区的兴奋性，提高运动能力.那么它是否会被作为一种新型的“兴奋剂”来使用呢？如果是，鉴于目前兴奋剂检测的两种方法都不适用于TMS的检测，那又该如何进行检测和判定？这些问题都值得思考.如果科技异化了竟技体育［49］，那便背离了竟技体育和人文精神和价值观，导致竟技体育不能健康发展.

当然，某些实证研究对TMS技术提高运动能力这一结论持怀疑态度［50］；此外，包括TMS在内的技术可能存在对运动员身体造成伤害的潜在风险，这些问题都需要更进一步探究和解决.