阳极经颅直流电刺激技术对反应时及提升运动表现的影响

赵云波 刘占捷 李玲 夏忠梁

摘    要：阳极经颅直流电刺激（a-tDCS）技术可以增强皮层兴奋性和相关脑功能连接，大脑功能性改变对提升人体反应速度、改善运动表现具有积极影响。通过CNKI、万方、PubMed、Web of Science、EBSCO数据库检索2000—2020年相关文献，系统梳理阳极经颅直流电刺激对健康和运动人群反应时的影响效果，并探讨该技术对反应速度的作用机制、应用策略、最优刺激方案以及对运动表现的影响。结果表明：1）a-tDCS引起的皮层兴奋性和脑功能连接性的变化，可以增强MEP振幅，改善认知功能及脑功能状态，缩短健康人群的反应时间。2）应用策略应首选任务执行相关的脑区，且适度延长刺激时间，增加电流强度可以优化刺激效果，尤其是较小的极板可以解决a-tDCS技术聚焦性差的问题。3）a-tDCS技术可以提升运动员的运动表现，特别是刺激结合运动训练方案，可以更大程度地提升运动员的运动表现，建议将其作为运动员进一步提高反应能力的新方法和新手段。

关键词：阳极经颅直流电刺激;反应时;认知功能;反应速度;运动表现

中图分类号：G 804.22          学科代码：040302           文献标识码：A

Abstract：Anodal transcranial direct current stimulation （a-tDCS） can enhance cortical excitability and related brain functional connections， and brain functional changes have a positive impact on improving reaction speed and motor performance. Based on relevant literatures of CNKI， Wanfang， PubMed， Web of Science and EBSCO databases from 2000 to 2020， the effects of anodal transcranial direct current stimulation on the reaction time of healthy and exercise population were systematically analyzed. The mechanism， application strategy， optimal stimulus plan and its effects for sports performance were also discussed. The result shows that 1） cortical excitability and changes of brain functional connectivity caused by a-tDCS can enhance the amplitude of MEP， improve the cognitive function and the state of brain function， and shorten the reaction time of healthy people. 2） the application strategy should be the brain region related to task execution， and the stimulation effect can be optimized by moderately extending the stimulation time and increasing the current intensity， and especially the small plate can solve the problem of poor focus of a-tDCS technology. 3） a-tDCS technology can improve athletesmotor performance， and especially the stimulation combined with sports training program can improve athletesmotor performance level to a greater extent. It is suggested that a-tDCS can be used as a new method and new means to further improve athletesreaction ability.

Keywords： transcranial direct current stimulation; reaction time; cognitive function; reaction speed; motor performance

反应时（reaction time，RT）又称潜伏期（latency period），是从刺激信号出现到应答动作开始的时间间隔，是反映人体神经与肌肉系统快速反应能力的重要指标[1-2]。在竞技比赛中，无论是短跑运动员听发令枪响的简单反应，还是跆拳道运动员辨别对手动作姿势的复杂反应，都需要运动员中枢神经系统作出准确决策和快速应答[3-4]。反应时作为评价反应速度的关键指标，可以评估、推測运动员的反应能力。反应能力又是衡量运动员运动表现水平的重要指标。Seidel-marzi等[5]和Yu[6]等运用功能性近红外光谱技术研究发现：运动员通过量化训练可以诱导大脑可塑性变化，改变任务相关脑区的激活程度影响人体反应时，进而影响人体反应速度。Sietto[7]等的研究指出，运动训练对相应脑区功能连接的增强同样可以促进反应时的缩短。因此，采用有效的手段激活和增强脑区功能及相关网络提升人体反应时将是改善普通人群甚至运动员反应能力和运动表现的关键。

经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一项通过微弱、恒定直流电作用于特定脑区，调节脑神经功能的非入侵式脑神经调控技术[8]。该技术具有安全、高效、廉价特点，在临床、康复及运动科学等领域得到广泛应用。tDCS具有极性特征，包括阳极和阴极两种刺激模式，阳极刺激增强大脑皮层兴奋性，阴极刺激抑制大脑皮层兴奋性[9]。相关研究指出，阳极经颅直流电刺激（a-tDCS）可以作为一种脑神经“增强剂”，改善认知功能，提升运动表现[10]。通过检索2000—2020年有关a-tDCS对反应时影响的相关研究，在系统梳理a-tDCS干预健康人群和运动员的基础上，探讨该技术对人体反应时影响的作用机制、应用策略及最优刺激方案，进而为提升竞技运动员运动表现提供新手段、新视角。

1   研究方法

1.1  文献检索

通过检索CNKI、万方、PurMed、Web of Science以及EBSCO数据库，收集关于a-tDCS对不同类型反应时研究的随机对照试验（RCT）。检索时间截至2020年1月31日。中文检索以“阳极经颅直流电刺激”“响应时”“反应时”“潜伏期”等主题词进行组合检索;外文检索词以“a-tDCS”“Anodal Transcranial Direct Current Stimulation”“Reaction Time”“Response Time”“Response Latency”等主题词进行组合检索。此外，还对收录文章的参考文献列表进行了追踪检索，并收录最新相关文献。最后，共检索到文献1 061篇，统一导入“ EndNoteX 9.1”軟件后，剔除重复文献，并将实际收录的734篇文献纳入筛选范围。

1.2  文献纳入与剔除

根据研究内容要求，明确纳入标准和排除标准，将检索后的全部文献进行筛选，然后根据干预人群和干预方式对文章进行分类。初筛阅读题目和摘要剔除612篇不相关文献;鉴定剩余122篇文献全文，剔除文献94篇;实时收录文献2篇;最后共30篇文献纳入研究（见图1）。

1.2.1  纳入标准

根据PICO原则制定文献纳入的标准。

1）P（participants），研究对象：年龄为18～59周岁的健康或运动人群。

2）I（interventions），干预措施：实验组干预为a-tDCS或a-tDCS结合体育锻炼，控制组为假刺激或基线（首选假刺激，若无假刺激可用基线代替）。

3）C（comparison），对照：文献类型为RCT或基线对照实验，无论是否分配隐藏或使用盲法。

4）O（outcome），结局指标：选用最直观评价反应速度的指标——反应时。

1.2.2  剔除标准

1）不符合纳入标准要求的文献。

2）除英语以外的其他语种研究。

3）纳入文献内容不完整，且无法获取全文。

4）剔除文献综述、书籍、会议摘要、研究方案或临床实验。

2   研究结果与分析

2.1  a-tDCS技术对反应时影响的作用机制

反应时主要受脑-脊髓传导通路和脑功能状态的影响。一项经颅磁刺激（TMS）研究发现：皮质脊髓通路激活，可以缩短个体操作简单任务的反应时，并且个体在操作复杂任务的反应时更易受到感知、注意、情绪、决策、记忆等皮层与脑网络连接的影响[11]。a-tDCS技术可以改变突触可塑性、增加局部皮层血流量、调节局部皮层兴奋性和脑区功能连接，进而改善人体的认知功能和运动表现。

2.1.1  改变大脑皮层兴奋性，提高动作执行效率

脑神经系统与运动存在密切的关联，人体皮质脊髓兴奋性差异以及中枢疲劳程度都会影响动作执行的反应速度，这与运动诱发电位（MEP）振幅降低有关[12]。tDCS刺激大脑皮层可以改变皮层兴奋性，影响MEP振幅变化[13]。目前研究已证实，a-tDCS干预运动皮层对MEP振幅增强可间接提升皮质脊髓的兴奋性，其效果在刺激结束后存在保持效应[14]。Pellicciar等[15]后续研究发现，采用a-tDCS刺激初级运动皮层执行简单反应任务，通过脑电图记录到的MEP显著升高，且动作执行的反应时明显缩短。这证明了a-tDCS、MEP与反应时之间的作用关系，并提示该技术有保持和提升运动员反应速度的潜在作用，但对a-tDCS技术延缓和恢复中枢疲劳的长效机制，还需结合神经影像学进一步深入研究。

2.1.2  激活局部皮层及功能连接，改善认知功能

人体运动执行、选择决策以及工作记忆等受不同位置脑区的控制，但与其他脑区也有着密切的关联。a-tDCS刺激局部皮层可以增强相关网络的功能性连接，并改变左右半球间的联通性[16]。这是由于a-tDCS对主脑区的刺激效应增强皮层联结延伸，打开了相关脑区与主脑区的传导路径[17]。Fregni等[18]研究发现，a-tDCS干预对主脑区与相关脑区功能连接的协同激活可以改善人体认知功能，增强行为表现。对于认知功能障碍患者和高认知水平运动员，a-tDCS可以实现对受损功能网络的“正常化”及强化功能连接的激活效果[19]。随着a-tDCS在运动康复和竞技体育研究中的不断深入，未来可进一步提高该技术在体育领域的应用价值，并将其转化为一种新式训练手段，扩大运动员在竞技比赛中的竞争优势。

2.1.3  改善脑功能状态，增强动作准备

赛前准备活动是运动员调整竞技状态的有效途径，其主要目的是增加肌肉延展性、防止运动损伤等。a-tDCS可通过调节人体执行任务前的脑功能状态，改善动作准备。动作准备状态主要受任务执行前中枢神经疲劳和焦虑情绪的影响。增强运动皮层上游区域的皮层活性可以降低执行输出的反应阈值和疲劳感[20]。a-tDCS通过刺激辅助运动区，可以改善人体执行任务前主脑区和相关功能网络连接的易化水平增强动作准备[21]。基于脑功能对运动员赛前心理状态的调控作用，从神经和肌肉双通道调节运动员赛前状态有助于竞技水平的稳定发挥。

2.1.4  速度与准确性权衡

速度与准确性权衡（speed-accuracy trade off， SAT）主要受联想和前运动区域调节，反应阈值的降低与反应前整合信息量的效率有关[22]。功能性核磁共振成像（fMRI）研究发现，反应时与准确率的调节路径存在差异，当强调速度时，前运动区域会引起反应阈值变化[23-24]，但在要求快速应答条件下，a-tDCS刺激前辅助运动区，并不会对知觉决策的反应阈值造成影响[25]。在部分研究中，还发现了准确率下降，并对a-tDCS提升反应能力提出了质疑[26]。由于目前a-tDCS对反应时和准确率的影响研究较少，提示未来需进一步剖析相关神经生理机制，从反应时与准确率两方面评价a-tDCS对人体反应能力的影响，并进一步诠释速度与准确性之间的内在联系。

2.2  a-tDCS技术对反应时的影响效果

近年来，a-tDCS结合脑电图、功能磁共振成像、功能性红外光谱等的研究表明，a-tDCS可以有针对性地调节大脑皮层，增强特定的运动能力。多项研究发现，a-tDCS可以优化大脑处理能力，缩短人体的反应时间，进而提升运动表现（见表1）。

通过整理目前a-tDCS对健康人群反应时影响的实验研究，该技术在缩短人体反应时方面有着积极的作用。当前的研究主要通过不同类型的反应时任务评价a-tDCS技术对反应速度的影响，包括简单反应时任务、停止信号反应时任务、选择反应时任务、Stroop测试以及N-back任务。a-tDCS的研究设计一般包括：1）受试者的选择。年龄范围18～45岁，没有性别限制。2）a-tDCS脑区位置的选择。包括初级运动皮层、辅助运动区、前辅助运动区、左背外侧前额叶皮层、右背外侧前额叶皮层、右额下回、顶叶皮层以及小脑。3）a-tDCS的刺激参数范围。电流强度为0.5～2 mA，刺激时长为10～30 min，极板大小（阳极）为7.8～35 cm2，以及高精度直流电刺激技术（HD-tDCS）的环形电极。

基于目前相关研究结果之间存在较大差异，本研究认为以下几个因素可能是效果存在差异的主要影响因素：1）刺激方案构成要素的差异，即脑区位置、刺激强度、刺激时长、极板大小之间的参数变化;2）受试者实验中的疲劳状态和情绪变化对研究结果造成的影响;3）由于任务难度过大引起的“天花板效应”和任务过于简单导致的“地板效应”，使研究结果不够客观;4）测试时间不同引起的差异，即“在线”“离线”以及“间隔”测试会导致实验数据的不同。由此，未来实验设计需准确定位脑区和优化刺激参数，并避免个体差异、实验任务等多方面因素对实验结果造成的不良影响。2.3  a-tDCS技术对反应时影响的应用策略与刺激方案

a-tDCS干预反应时的研究呈现出不同干预效果，脑区位置、电流强度、极板大小、刺激时长等相关调节变量是影响干预结果的主要因素。明确脑区功能、优化刺激方案有助于精确制定应用策略，提升a-tDCS的使用效率。

2.3.1  脑区位置选择与应用策略

初级运动皮层（M1）位于中央前回，是参与动作执行的关键区域。在任务执行时，a-tDCS刺激左侧或右侧M1区，能有效缩短执行简单任务的反应时间，保持测试（30 min）中效果依旧显著[28-29，47]。在刺激方式上，单侧刺激明显好于双侧刺激的干预效果，双侧a-tDCS虽然可以引起皮层的兴奋性增强，但在fMRI检测研究中，并未观察到皮质脊髓兴奋和MEP振幅变化[48]。Drummond等[37]和Huang等[49]的研究指出，a-tDCS刺激双侧M1区，对缩短选择反应时和辨别反应时有一定效果，这实际上是由于陽极极板下电流扩散引起其他相关脑区激活所致[50]。由此，未来可将a-tDCS刺激单侧M1区作为缩短运动员简单反应时的应用范式。

辅助运动区（SMA）位于初级运动皮层的前侧，高度参与简单、复杂运动行为计划[51]。a-tDCS刺激SMA可以提升多项任务执行的反应速度，而且联合噪声刺激对反应时的缩短更加明显。这为a-tDCS联合听觉信号刺激提升计时类运动项目启动速度提供了实证参考。Vollmann等[52]研究发现，a-tDCS刺激SMA可以提升初学者的观察学习能力，这也为a-tDCS联合观察学习提高运动技能学习效率提供了重要依据。Hupfeld等[53]的研究还发现，采用重复刺激手段实现了a-tDCS持续提升反应速度的目的。这说明，未来可在接受a-tDCS的同时增加更多的时间进行训练，可能更有助于长效的运动增益。

左背外侧前额叶皮层（DLPFC）高度参与认知加工，是复杂任务执行的主要脑区。a-tDCS对决策、记忆等认知方面的影响与左DLPFC兴奋性有关。Frings[ 54]、Angius[55]、Loftus[41]和Jeon[56]等的研究表明，个体接受a-tDCS刺激，虽然刺激参数和任务难度略有不同，但执行Stroop任务的效果趋势是一致的，即对认知功能的改善。Friehs等[30]的研究也证实，a-tDCS干预篮球运动员可短暂提升认知决策，减少投篮假动作对运动员视觉的干扰效应，并且认知训练联合刺激组对认知功能的改善明显优于单刺激组[57]。建议可将联合干预手段作为一种提高球类项目运动员认知水平训练的新方法。

右额下回（IFG）、前辅助运动区（pre-SMA）、右背外侧前额叶皮层（DLPFC）等脑区均参与了行为抑制[58]。而在执行停止反应时任务的效果上，a-tDCS刺激右IFG明显比刺激其他脑区效果显著，即证实了右IFG在大脑执行抑制行为的主导作用。后续研究发现，a-tDCS刺激右IFG不仅可以改善反应抑制还增强了主动抑制[35， 59-60]。因此，a-tDCS刺激IFG可有效抑制冲动行为，该技术应用于医疗康复领域将对治疗青少年多动症、网络成瘾等产生积极影响。

后顶叶皮层（PPC）被称为“联合”皮质区域，Whitllock[61]指出，PPC具有广泛的连通性，它不仅参与感觉运动的信息整合，还参与了多种认知过程，包括注意力、决策、工作记忆等。Li等[38]研究发现，a-tDCS干预左侧或右侧PPC可以显著缩短选择反应时，且实验组在测试的最后阶段比假刺激组表现出更强的选择性注意。Sandrini等[46]和Gan等[40]的研究还发现，a-tDCS刺激左侧PPC对决策和工作记忆也有一定的增益效果。上述研究扩展了对PPC特定功能的现有认识，但对其神经生理机制还不明确。因此，需要进一步的研究证实PPC在改善认知功能上的特殊作用。

综上所述，本研究认为，a-tDCS干预顶叶皮层、辅助运动区、初级运动皮层、左背外侧前额叶皮层以及右额下回后的单个或多个区域，可以增强人体注意力、动作准备、动作执行、工作记忆、选择决策和行为抑制等多方面能力，从而缩短人体反应时间。

2.3.2  电流强度、极板大小及刺激时长与刺激方案

a-tDCS刺激的最佳方案与刺激密度和刺激时长两方面有关，且电流密度受电流强度和极板大小交互影响[62]。经颅磁刺激（TMS）检测发现，a-tDCS刺激强度极小的变化也会使皮层激活效果产生巨大影响[63]。Keeser等[42]和Teo等[43]的研究发现，在极板大小（阳极）为35 cm2的条件下，2 mA比1 mA刺激更有利于皮层兴奋性的提高，较低的电流强度可能是出现该结果的主要原因。传统物理模型预测，大脑中的电场会随着a-tDCS刺激强度的增加而增强，反应时也会随着电场的增强而缩短[64]，但也有研究指出，反应时与刺激强度之间并不一定存在正向变化或可能成负相关关系[65]。未来可结合TMS技术继续研究不同刺激强度的皮层兴奋性变化。

电流密度在0.03～0.08 mA/cm2的范围内，电流密度越大对改善运动表现的效果越好[66]。Antal等[67]研究发现，较小的极板能够产生更有针对性的刺激位点，较大的极板可将电流密度降低至人体刺激阈值以下增强tDCS的安全性。较小的阳极极板会产生更好的刺激效果，这与高精度经颅直流电刺激（HD-tDCS）技术的刺激方式有一定的相似性。HD-tDCS可以使刺激电流具有较高的聚焦性[68]，同时，阳极HD-tDCS刺激运动皮层会产生更强的皮质-脊髓兴奋性和运动诱发电位振幅[69-70]。未来HD-tDCS技术将取代tDCS技术应用到临床医学中治疗患者，应用到体育领域提升运动员运动表现。

健康成年人刺激时长在10～20 min范围内，刺激效果没有随着刺激时长的增加而增强，这与人体对刺激的耐受性有关。有研究发现，a-tDCS持续刺激5 min可观察到皮层的长时间增强效应，但刺激时间过长将会引发刺激效果的逆转[71]。Horvath等[27]的研究也表明，a-tDCS刺激10 min可观察到持续40 min的脑功能后效应和反應时变化，但a-tDCS刺激20 min不会对反应时产生影响。由于纳入研究很少有对性别进行区分，且年龄跨度较大，建议刺激时长根据个体差异适度调整，可以更好地优化刺激方案。

综上所述，本研究认为：适度延长持续时间和增加电流密度会出现较好的干预效果;采用较小的刺激极板，a-tDCS的刺激效果更显著。

2.4  a-tDCS技术对提升运动表现的启示

反应能力是运动员掌握、运用运动技能的基础和前提条件[72-73]。在不同运动项目中，运动员需要针对自身项目特点进行简单反应（例如田径起跑反应）和复杂反应（例如篮球假动作），反应速度是影响比赛成绩和决定比赛胜利的重要因素之一。鉴于反应能力对运动员竞技表现的重要作用，探究a-tDCS对不同运动项目人群反应时的影响具有重要的理论和实践意义。虽然a-tDCS干预运动员反应时的研究数量有限，但已有多项研究指出，a-tDCS配合体育训练使用可以提升运动员的运动表现（见表2）。

结合a-tDCS对运动人群提升反应能力的训练方案，本研究发现，a-tDCS主要以单刺激、重复刺激、单刺激与训练、重复刺激与周期训练的形式应用于运动训练中。单刺激方案对于初学者和运动爱好者反应能力有一定的改善效果，但是对于运动员几乎无影响，这表明运动员表现出对电流刺激更好的耐受性。在实际应用中，电子游戏爱好者在游戏训练期间追加a-tDCS刺激比对照组反应时的缩短效果更加明显[74]。电子竞技项目近年来发展迅猛，未来可将非入侵式脑刺激技术作为提升该项目竞赛优势的重要手段[75]。目前，以tDCS技术为原理开发的便携式耳机[76]，已经作为辅助运动训练的手段，应用于篮球和电子竞技等项目的职业运动员的训练中[77]。在不同形式的训练计划中，借助a-tDCS可以提高训练效果。Liu等[78]研究认为，a-tDCS重复刺激保持正常训练的赛艇运动员两周，相比常规训练组运动员反应时显著缩短，并体现出较长的保持效应（两周），重复刺激配合长周期的反应训练或认知训练也得出了类似结论[79-80]。可见，采用a-tDCS技术与传统训练相结合的干预方案，将进一步提升运动员的训练水平。

在竞技体育领域，一直在寻找提高成绩的人体工程学辅助手段，一些运动员甚至为此使用非法药物。近年来，a-tDCS技术逐渐显现出在增加运动员肌肉力量、延缓运动疲劳、促进运动技能学习、调节平衡能力及增强运动感觉等方面的潜力。a-tDCS对健康人群和运动员反应时的积极影响启示：1）a-tDCS对执行功能与决策能力的改善可以提高运动员的灵敏素质，增强肌肉爆发力，并且对皮层的长时程增长效应可能有利于促进运动技能学习和增强比赛中的潜在竞争优势。2）运动员与健康人对电流的敏感度存在差异，tDCS常规使用范围可能并不适用于运动员，刺激参数变化需更多考虑个体因素，并且需要注意高强度电流和较长刺激时间可能存在安全风险。3）a-tDCS单一刺激手段可以引起皮层兴奋性的短暂激活，但不能影响运动员的行为表现，为了实现运动表现的长效提升，采用重复刺激与运动训练相结合的手段，可以突破传统运动训练局限，加速运动能力的提高。综合已有研究可见，a-tDCS配合运动训练，将以一种超过体育训练总和的方式提升人体反应速度。可将a-tDCS作为一种新的（辅助）训练手段应用于竞技体育领域，为运动员挖掘竞技潜能、突破人体极限提供帮助。

3   結论与展望

3.1  结论

a-tDCS可以通过改变大脑皮层兴奋性、增强大脑功能连接、易化脑功能网络激活水平来缩短健康人群的反应时，包括MEP振幅的增强、认知功能的改善和脑功能状态的提升。选择任务相关的核心脑区搭配适当的刺激参数对健康人群反应时的缩短更加显著。对于运动人群，重复a-tDCS与运动训练结合可能更大程度地提升反应能力和运动表现。

3.2  展望

a-tDCS技术在理论层面具有很强的实用价值，但对反应时影响的实验研究仍存在以下几个问题亟待解决：首先，各项研究之间脑区位置和刺激参数的差异较大，使归纳a-tDCS的应用策略和优化刺激方案仍然具有一定的挑战性。其次，鲜有研究对受试者的年龄和性别进行界定，忽视了个体差异对干预效果的影响。最后，较少的a-tDCS联合运动训练研究未能得出联合干预协同效应更加明确的结论。

未来可将a-tDCS技术的研究重点转向竞技体育领域，并结合运动训练，为运动员加速提升运动表现提供切实可行的训练方案，但在研究设计时，必须注意个体差异、刺激参数以及任务相关脑区的选择与定位等因素的影响。

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收稿日期：2020-08-06

基金项目：辽宁省教育厅高校科研基金项目（WJC2020ST06）;沈阳体育学院研究生创新基金资助项目。

第一作者簡介：赵云波（1993—），男，硕士在读，研究方向为运动技能学习与神经调控，E-mail：583651145@qq.com。

通信作者简介：夏忠梁（1979—），男，博士，副教授，研究方向为运动技能学习与神经调控，E-mail：xiazhongliang1979

@163.com。

作者单位：1.沈阳体育学院，辽宁沈阳  110032;2.首都体育学院， 北京 100191。

1.Shenyang Sport University，Shen，Liaoning 110032，China;2.Capital University of  Physical Education and Sports，Beijing 100191，China.