无创伤脑部刺激技术缓解运动疲劳的机制与应用

刘嘉雯

中图分类号：G804.5   文献标识：A     文章编号：1009-9328（2022）06-256-02

摘  要  经颅直流电刺激（transcranial Direct Current Stimulation，tDCS）是一种无创伤脑部刺激技术，可以增强大脑神经兴奋性进而引起大脑功能性改变。为了研究因该技术刺激引起的脑部功能性变化对缓解运动疲劳的积极影响，更好地在运动实践中进行运用，本研究对收集了近20年国内外有关文献进行系统全面的归纳总结，梳理经颅直流电刺激缓解运动疲劳的作用机制。结果表明：tDCS刺激对在恒定负荷有氧耐力训练运动疲劳感是降低的;tDCS主要通过增加运动单位的募集数量和神经肌肉的抑制效应来缓解运动员的神经疲劳;a-tDCS对提高反应时间以及缓解受疲劳负面影响的情绪具有良好效果;tDCS是MS相关疲劳的潜在治疗方法;缓解疲劳途径中tDCS比咖啡因在促进清醒缓解疲劳方面作用更强。

关键词  经颅直流电刺激（tDCS）  运动疲劳  缓解机制

随着竞技体育发展，运动员的竞技体育成绩越来越受到大众的关注。因此教练员和运动员都要尽可能优化训练方法和提高竞技能力，在日常训练中遵从较高强度的训练。而这些训练通常会改变身体的机能，机能一旦改变也会导致身体疲劳的产生，从而会存在对运动成绩起到反作用潜在危害。因此抗疲劳性是维持重复运动模式的限制因素之一，有效延缓疲劳产生的能量资源会促使运动表现得到进一步的提高。

就缓解疲劳这一途径而言，前人有热水浴和温水浴和超低温冷疗恢复法、中医法、营养补充法及心理疗法等物理疗法，但经研究发现这些方法的效果并不显著。随着侵入性脑刺激出现在人们的视野并被广泛用于神经科学研究中，它是一种能够诱导给定的某大脑区域网络活动的变化来研究其在特定运动、认知或感知过程的技术。tDCS作为NIBS的一种，它既能作为在专业运动环境中以大脑为中心恢复机体疲劳策略之一，又能持续施加一部分电流进入颅骨并调节大脑兴奋性且不产生动作电位，也能够通过诱导神经元的极化从而调节大脑神经元静息膜电位。因此，tDCS缓解运动疲劳有着明显效果。迄今为止tDCS可能改善身体机能机制的研究数量是有限的，在很大程度上是未知的。可见探究tDCS缓解运动疲劳的机制与应用，结合科學的运动训练用于增强健康个体的身体和培养优秀体育后备人才是非常有意义的。

一、经颅直流电刺激相关概念

tDCS是一种利用阴阳极片贴在脑部特定部位上，再以恒定的微直流电（1.0-2.0mA）去诱导大脑神经可塑性和调节皮质兴奋性的非侵入性技术。使用tDCS时通常将一对海绵垫浸泡约6ml盐水溶液，以1-2mA的直流电刺激目标部位约20分钟，锥体神经元的胞体、轴突末端、突触和树突都是tDCS所刺激的细胞目标。tDCS作为大脑特定研究活动区域的兴奋剂或抑制剂，将阳极电极放置在刺激目标靶点上是能够增加大脑神经元的兴奋性和可塑性，而阴极却会诱导相反的效果。tDCS调节运动皮层兴奋性的初步研究表明大脑皮质兴奋性可以在tDCS刺激停止后依然持续存在，并且这种效应会通过增加强度和持续时间的变化进而发生调节。研究表明13分钟连续刺激的后效可持续长达90分钟[1]。电极的放置和配置不同会使结果存在差异甚至相反。前人提供了迄今为止最有力的临床证据，表明刺激的相对位置会影响每个电极下的神经调节，此外增加电极距离可能会降低神经调节的幅度[2]。

二、运动疲劳相关概念

国内认为运动疲劳是一种表现出通过活动导致机体能消耗能源物质、机能调节紊乱和代谢异常、机体在运动过程中生理上不能继续维持运动进行、不能维持在一定的足够水平上，或不能持续稳定达到预先的运动强度。国外学者认为运动疲劳是指在长时间内进行竭尽运动或身体要求很高的任务时发生的现象、缺少在力量失败之前增加的努力感和性能的严重损害。疲劳可能会损害运动员的认知处理，从而降低他们在需要快速决策时控制运动的能力且随着运动员进入到疲惫阶段，决策对髋关节和膝关节力学的影响变得更加明显。

三、tDCS的作用机制

tDCS的作用机制是什么？这仍然是一个悬而未决的问题。现有说法总结为四个方面：tDCS能改变大脑皮质的兴奋性、增加突触的可塑性、改变局部脑血流和调节局部皮层和大脑网络连接等方式等调节功能。

（一）改变大脑皮质的兴奋性

经颅直流电刺激通过改变刺激大脑区域神经元的静息膜电位，调节大脑皮层兴奋性。a-tDCS促使大脑神经元静息膜电位走向去极化，而c-tDCS推动了大脑神经元静息膜电位走向超极化，即经颅直流电刺激可以引起长期持久的后效应，而静息膜电位的变化是短暂的。

（二）增加突触的可塑性

一方面，急性效应是由膜极化引起的，对神经递质释放、尖峰时间和尖峰时间依赖性可塑性具有主要的影响;另一方面，突触可塑性与刺激强度和频率有极强的相关性。短期和长期的治疗效果可能诱导神经发生和皮质重组，进而产生长时间抑制或增强作用。N-甲基-D-天冬氨酸受体依赖LTP可以通过阳极刺激进行调节，谷氨酸能活性的调节也有助于阴极刺激产生后效应，这就是tDCS可以产生后效应的原因。

（三）改变局部脑血流

在刺激期间增加刺激皮质兴奋性的阳极会增加与L-DLPFC结构密切相关的大脑网络区域内的血流灌注，而初级运动皮层区的rCBF在阴极刺激下显著减少，这与阴极刺激下MEP振幅的降低相关。

（四）调节局部皮层和大脑网络连接

大脑皮质内和皮质间的连接有初级运动皮层（M1）、前额叶皮层（PFC）、岛叶皮层（IC）和辅助运动区（SMA），M1区是与运动表现最相关的区域。阳极刺激M1区通过增强机体内运动和协调相关区域功能的连接，从而减少枕叶额叶耦合并增加运动相关同步性所引起大脑左右半球间连接变化，进一步证明了tDCS是具有可诱发脑功能的连接作用。

四、tDCS在疲劳中的应用

神经肌肉疲劳是由于中枢和外周因素引起的。虽然与肌肉本身相关的外周疲劳是人们通常熟悉的一个因素，但中枢神经系统在运动期间不能最大限度地驱动肌肉，中枢疲劳也可能在运动训练中发挥重要作用。tDCS能通过使刺激通过运动皮层传递缓解疲劳，并且阳极刺激能提高大脑皮质兴奋性的同时也能达到减解疲劳，还使运动耐受时间延长了将近15%。不难看出在体育运动中发生疲劳时，可以在很大程度上缓解疲劳，预防运动训练期间损伤的发生。

国内外学者在对何种方式对疲劳缓解更有效果这一问题上进行探究，他们将tDCS与咖啡因这两种途径相比较，得出tDCS对提高初级运动员反应时间以及缓解受疲劳负面影响的情绪等方面有明显改善作用且在促进清醒方面比咖啡因作用更强。阳极刺激在大脑皮层运动区和前运动区对运动员在次最大强度肌肉耐力训练的后期、恒定负荷有氧耐力训练、最大速度冲刺训练的疲劳感是明显降低的，而对于降低其他运动方式，如肌肉耐力、高强度无氧耐力的疲劳感是没有明显效果的;作者也进一步研究tDCS在运动员恢复中的效果，通过与神经肌肉电刺激技术（NMES）比较得出，tDCS主要针对刺激深度从而达到神经肌肉镇痛效果;tDCS应用于运动员疲劳恢复主要通过增加运动单位的募集数量和神经肌肉的抑制效应来舒缓运动员的神经疲劳[3]。

足球比赛会导致心理生理指标出现短暂的紊乱，赛间的休息时间不足可能是受伤的一个重要风险因素，赛后疲劳会导致球员自我疲劳感和痛苦感增加与此同时降低培训警觉性和动机。因此，监测恢复和使用促进恢复的干预措施得到了足球研究人员和从业者的高度重视。运动员在快速重复运动下易感疲劳，借助假对照、双盲、交叉研究将阳极刺激和假刺激应用于双侧M1腿部区域，同时对参与者的四肢上下部进行20秒敲击，表明tDCS能够在人们进行快速重复运动期间减少运动疲劳感;也可以将tDCS结合康复训练课程改善运动员赛后的幸福感和自我疲劳感。在对初级运动皮层（M1）和800米游泳表现测试后应用tDCS后，只有刺激左DLPFC的肛门可减少50米游泳表现中精神疲劳的不良反应;左侧DLPFC上用阳极刺激，在右侧DLPF上用阴极刺激，可以增加活力并减少感知疲劳和肌肉张力。

对患有慢性疲劳的患者施加一周的以2mA的恒定电流持续20分钟tDCS能够缓解疼痛和疲劳;殷可意、刘宇得出tDCS可以改善人体运动动机，减少肌肉疼痛，调节肌肉协同做功;刺激后神经驱动增强、脊髓层级上疲劳感会随之减少[4];男性精英弓箭运动员中赛前约45分钟，采用2mA电流的tDCS持续刺激参赛员20分钟并在赛前15分钟收集心理生理反应，参照Brunel情绪量表和竞争状态焦虑量表-2修订版，得出DLPFC上的阳极是可以调节竞争性焦虑和压力且可能有利于在竞争情况下提高运动成绩;通过一组刺激背外侧前额叶皮层，一组使用左阳极刺激并进行20分钟的认知训练配对，借助测量信息系统-疲劳简表评估疲劳来评估结果得出tDCS是MS相关疲劳的潜在治疗方法。这些都表明了tDCS可以改善与健康相关的主观测量。

五、结语

迄今为止，根据现有证据表明经颅直流电刺激可以被视为一种相对安全和便携式的大脑活动调节技术。对于在缓解运动疲劳中可以得出：tDCS对在恒定负荷有氧耐力训练和进行快速重复运动期间运动疲劳感是降低的;tDCS主要通过增加运动单位的募集数量和神经肌肉的抑制效应来缓解运动员的神经疲劳;a-tDCS对提高反应时间以及缓解受疲劳负面影响的情绪具有良好效果;tDCS是MS相关疲劳的潜在治疗方法;缓解疲劳途径中，tDCS比咖啡因在促进清醒、缓解疲劳方面作用更强。与其他基于tDCS的研究相比，确切针对tDCS刺激干预运动疲劳领域的研究是仍处于起步阶段，相关文献相对较少。因此，现在还为时过早的结论是tDCS在缓解运动疲劳方面通常是有效的，我们应该对此技术进行客观评估存在有限的条件以及是否会对人们带来负面影响。

参考文献：

[1]SalehiEN，FardSJ，JaberzadehS，etal.TranscranialDirectCurrentStimulationReducestheNegativeImpactofMentalFatigueonSwimmingPerformance[J].JMotBehav，2021（25）：1-10.

[2]BiksonM，DattaA，RahmanA，etal.ElectrodemontagesfortDCSandweaktranscranialelectricalstimulation：Roleof"return"electrode'spositionandsize[J].clinicalneurophysiology，2010，121（12）：1976-1978.

[3]唐文静，李丹阳，胡惠莉，等.经颅直流电刺激干预运动表现：效果及應用策略[J].体育科学，2020，40（08）：74-87.

[4]殷可意，刘宇.无创深部定位脑刺激：提升运动表现[J].体育科学，2019，39（05）：96-97.