经颅交流电刺激对运动技能学习与巩固的作用

张学军, 李菲

(1.南京邮电大学电子与光学工程学院， 南京 210023；2.南京邮电大学射频集成与微组装技术国家地方联合工程试验室， 南京 210023)

脑内振荡活动对各种脑功能发挥作用的过程起着重要作用，如运动学习过程。大脑的振荡活动主要分为五个频段：δ(<4 Hz)、θ(4～7 Hz)、α(8～12 Hz)、β(13～30 Hz)和γ(>30 Hz)。人类进行的大部分日常活动都依赖于运动学习的各个过程，包括运动技能的获取、运动性能的提升、运动表现的巩固等。其中，运动技能的巩固对控制运动有着重要意义，控制运动所需要的注意力随着运动技能巩固的提高而逐渐降低，使得运动更加简单。运动学习涉及大脑多个皮层区域的活动，包括初级运动皮层(primary motor cortex，M1)、运动前皮质、辅助运动皮质、小脑皮质和基底神经节[1]。有研究表明初级运动皮层与运动学习有着密切的关系，是运动功能和运动学习的关键区域[2]。在初级运动皮层M1中，γ能带活动会在运动前和运动过程中增加[3]。因此，如果通过经颅电刺激(transcranial electric stimulation，TES)加强M1中γ能带的活动，可能会增强运动学习的效果。特别地，研究表明低频成分(如α和β带)的神经分布与运动功能和运动学习有关。例如，α振荡影响视觉和感觉运动系统[4]，β振荡有助于运动功能和运动学习[5]。因此，α波段被认为与视觉运动系统有关，而β波段与运动系统有关。文献[6]研究表明β波段的经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation，tACS)促进了运动序列的获取，同时对干扰的敏感性较低，因此可能对运动学习技能的巩固产生有利影响。目前关于运动技能巩固的研究还很少，因此研究侧重于其在多大程度上受到β和γ频带的影响。

程序性运动学习是指通过重复执行运动任务，借助骨骼、肌肉以及相应的神经反射获得新知识的过程[7]。根据学习内容呈现顺序的不同可分为序列学习和随机学习两种，序列学习是指通过一系列不断重复的、固定长度的序列循环呈现的刺激而发生学习，随机学习则是在无序的呈现中实现学习的过程。程序性运动学习不仅是人类日常活动的重要组成部分，更是运动技能习得的重要方式[8]。为了研究运动序列学习，序列反应时任务(serial reaction time task，SRTT)是一个成熟的范式，它诱导了随时间的推移进行的学习过程[9]。SRTT可以由非侵入性脑电刺激调节[10-11]。通过应用弱恒定电流，经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)通过调节神经元静息膜电位和突触活动，以极性依赖的方式调节皮层的兴奋性[12]。与tDCS相比，tACS以特定频率的正弦波形电流，大脑内部可能会在刺激的过程中发生内源性脑震荡，也可能在刺激后发生神经可塑性变化，从而影响运动学习与技能巩固[13-14]。

近年来，tACS作为一种非侵入性的脑电刺激方法引起了人们的广泛关注。tACS的原理是通过向连接在参与者头部的两个电极上施加交流电，将电极下方的脑震荡调节到特定频率[15]。文献[16]的研究已经验证了在M1上施加tACS对运动学习的影响，主要是对早期运动学习或运动学习被破坏时有效，对运动学习的巩固的研究还很少，值得进一步探索。已有大量研究表明，对M1区进行电刺激(分别为β-tACS和γ-tACS)会影响运动绩效和运动学习。70 Hz的γ-tACS可以提高刺激过程中手指的运动速度[17]，增加手指的有效力，80 Hz的γ-tACS改善了视觉运动跟踪任务的性能[18]。也有研究表明，20 Hz的β-tACS降低了刺激过程中手指的运动速度[19]，降低了手指的可用力，并提高了运动学习的稳定性[20]。β与运动控制的学习过程有关(如运动序列学习任务)，研究表明tACS可以使SRTT的反应时间(reaction time，RT)加快。因此，M1区β或γ波段的tACS可以影响运动性能。假设运动学习和运动技能巩固过程可以通过β-tACS和γ-tACS来调节，然后用序列运动学习任务来检验这个假设。研究的目的是确定β-tACS和γ-tACS对运动学习过程的影响，如果这种刺激可以促进运动学习和运动技能的巩固，则可以为开发个人运动表现提供新的有用信息。

针对tACS对运动学习方面的产生的影响等问题，提出了利用不同刺激频率对M1区进行刺激的方法，进行了运动学习的常用范式SRTT的试验。通过两种学习巩固值来判断电刺激对行为表现的影响，预计在不同真实电刺激条件下反应速度与准确性均能得到显著提高。

1 材料和方法

1.1 受试者

15名19～25岁的健康年轻人参加了本次研究。这项研究遵循了斯洛文尼亚心理协会《心理学家道德守则》，并根据赫尔辛基宣言的原则进行。所有受试者视力正常或矫正为正常，且均为右利手。排除标准包括任何神经疾病病史(如抑郁症、癫痫等)、脑损伤、学习障碍等，以及熟悉重复手指运动的个人，如钢琴演奏者、专业游戏玩家以及之前有过SRTT经验的人。试验前所有受试者均阅读了试验相关说明和注意事项，并签署了试验知情同意书。

1.2 试验步骤设计

试验采用单盲、随机、假对照的要求设计。试验在一个光线昏暗、安静的房间进行。试验过程中，受试者坐在一张舒适的椅子上，头和胳膊支撑在一个15.6英寸的电脑显示器前。受试者完成3个随机试验阶段，其中两个阶段采用真实的tACS(β-tACS和γ-tACS)，另一个为假刺激。将tACS电极固定好后，受试者先进行1次SRTT作为基线测量。之后进行刺激，试验为了评估刺激对运动巩固的影响，对受试者在刺激期间、刺激后60 min再次进行SRTT，试验步骤如图1所示。每次刺激试验至少间隔1周以避免遗留效应。

图1 试验流程图Fig.1 Experimental flow chart

在3次测试中，tACS分别以20、70 Hz和假刺激的频率被应用于所有受试者。各个试验之间间隔至少1周。之前研究对样本量的计算显示，需要n=12名受试者才能满足重复测量设计和显著性水平小于0.05的要求。在此基础上，本次研究选择15名健康的受试者，以补偿潜在的数据损失。由于1名受试者在第1次试验后数据均不理想，因此排除在数据分析之外，最终数据来自14名参与者(9名男性，5名女性)，平均年龄为(22.53±0.56) 岁。

1.3 刺激物与装置

通过两个浸泡过盐水的海绵电极(5 cm×5 cm)施加在皮肤表面(自制刺激器)[21]，强度为2 mA(峰间振幅；正弦波形)。电极放置在左M1和右眼眶上方。根据tACS的现行安全指南应用刺激参数。在刺激过程中，tACS持续时间被单独调整为SRTT持续时间，平均持续11 min 5 s(±5.2 s)。假刺激组仅在试验开始时施加30 s的电流，然后在受试者不知情的情况下关闭，这确保了受试者在假刺激条件下和真实刺激条件下感受相同。

1.4 序列反应时任务

SRTT是一种成熟的试验范式，可以引导运动序列学习。SRTT是1个4位字母键盘，本研究的刺激物是3个深色矩形与1个浅色矩形的整体，水平排列在受试者面前的屏幕中央，背景为白色，其中浅色按键的位置作为主要视觉刺激，受试者通过判断浅色块的位置来决定按键位置与手指的选用。在试验过程中，参与者坐在电脑屏幕前。受试者的右手手指放在键盘的4个水平按键上(食指代表字母h，中指代表字母j，无名指代表字母k，小指代表字母l)，如图2所示。

图2 SRTT的单个试次Fig.2 Single trial of SRTT

每次试验开始时，电脑屏幕中央展示4个大小相等、水平排列的矩形图，受试者通过图片类型的视觉提示快速、准确地按下相应按键。如图2所示，浅色块位置需要受试者使用无名指按下j键。一旦按下按键，不管是否正确，试次结束，试验会进行下一个刺激。若没有按下按键，试次则会在3 000 ms后自动结束，代表试次无效。1次SRTT试验由5个试验块和1个练习块组成，每个块包括120个试次，练习块包括16次随机按键，主要用来对每次试验前的熟悉过程，每次SRTT需要10～12 min完成。受试者在每个块之间休息1 min。在块1和块4中，刺激的出现为随机序列，其余三个块则由12次相同的按键顺序(j-k-h-l-h-j-l-k-h-j)组成。受试者不知道重复序列的存在，所有受试者进行了3次SRTT，一次在刺激前(基线)，一次在刺激期间，一次在刺激后60 min。每次试验的反应时间(reaction time,RT)定义为图片刺激出现到按下按键的时间差(ms)，取200～600 ms内的反应为有效数据，若占比小于50%，则此块无效。错误率(error ratio, ER)定义为块内的错误按键数量与每块内的有效试次总数的比率，分析刺激前后RT和ER的变化。

1.5 数据记录

使用SPSS软件进行统计分析。根据原始数据的来源进行分析，研究用两种计算得分来判断运动学习巩固。SRTT通常涉及两种学习：一般运动技能(general motor skill，GMS)学习和序列特异性技能(sequence-specific skill，SS)学习[22]。GMS学习是指重复序列块之间的学习，SS学习是随机块和有序块之间的学习，这两种数值是对受试者学习的间接衡量[23]。GMS学习是指在重复固定序列后加入随机序列，且随机序列的RT显著大于重复固定序列的RT时，表明发生了序列学习。在试验设计的SRTT任务中存在随机序列与重复固定序列的交替，所以选择随机块与重复固定序列块之间的RT差异作为一种运动学习巩固的度量。SS是指两个重复固定序列块之间的RT差异，当后重复序列块的RT比前重复序列块的RT相比发生明显加快时，也表示发生了学习巩固。将这两种学习的RT差异作为评判学习巩固的指标，数据分析也从这两种数据进行，同时对错误率进行分析。

通过以上分析，选择了两种反应时间差的分数来判断运动学习巩固。ER是为SRTT运行的每个块计算的。GMS分数是两个序列块之间的平均反应时差异，并作为GMS学习和巩固的衡量标准。正的GMS值意味着参与者在第二个序列块上表现更好，这代表学习和巩固。另一方面，SS值表示从顺序块切换到紧随其后的随机块时RT的增加。假设任务程序在两个模块中是相等的，因此RT差异代表内隐运动序列学习[24-25]。

2 数据分析

2.1 初步分析

在得到初始的RT与ER相关数据并进行初步处理后，将不同刺激条件下基线测量、在线tACS测量、刺激后60 min测量的各块反应时间进行整合，并对其进行单因素方差分析。结果显示，在基线阶段，随机块1中假刺激与β-tACS和γ-tACS之间的差异具有统计学意义(F=8.976，p=0.01)；刺激期间在各个顺序块之间差异均具有统计学意义(p均小于0.05)，这是tACS对运动技能学习与巩固有积极影响的有力证据，在随机块2中未发现显著的统计学意义。事后检验表明，这种差异主要是假刺激与20、70 Hz电刺激之间，且20 Hz和70 Hz电刺激之间不存在差异的统计学意义。刺激后60 min再次进行SRTT，结果显示，顺序块之间的差异仍具有统计学意义，且各块与假刺激相比差异均具有统计学意义，表明刺激存在遗留效应。

2.2 试验任务数据分析

对数据进行初步分析后，了解到不同刺激对顺序块RT存在较大影响，关于随机块的影响还需要进一步分析，为了对运动学习技能巩固进行分析，计算GMS、SS值。

(1)运动技能学习阶段。三组在刺激前均进行了一次SRTT作为基线获得，为了评估刺激前的运动技能获得，从第一次SRTT试验的块5(顺序)和块2(顺序)计算GMS值，同时从块3(顺序)和块4(随机)计算SS值。GMS和SS的统计比较使用独立样本t检验(配对，双尾)进行。

(2)运动技能巩固阶段。为了进一步分析tACS对GMS巩固的影响，计算了SRTT运行期间GMS的值。这里，GMS值表示基线SRTT的块5和刺激期间的SRTT块2之间的RT差。使用刺激期间SRTT中块2是因为块5和块1之间的实时RT差可能低估了巩固的程度[24]。测定三个GMS评分：基线阶段块2与块5的RT差；刺激前(块5)和刺激期间(块2)的RT差异；刺激期间(块5)和刺激后60 min(块2)。另一方面，刺激对SS巩固的影响是基于在SRTT测试中计算的SS值来评估的(块4中的平均RT减去块5中的平均RT)。总共有三个SS值，刺激前、刺激期间和刺激后60 min。

GMS值、SS值和ER分别使用单因素方差分析，无效试验试次已在初步分析中排除。GMS、SS和ER作为因变量，参与者为随机因素，受试者内因素为刺激类型(假刺激、β-tACS和γ-tACS)和时间(刺激前、刺激期间和刺激后60 min)。事后比较采用最小显著性差异法(least significant difference，LSD)，显著性水平为0.05。

3 结果

3.1 运动技能学习阶段

在第一次SRTT试验(基线阶段)中，所有受试者的平均RT逐渐降低。平均RT在第二个随机块中再次增加(块 4，如图3所示)，GMS和SS的值在组和刺激条件下的差异没有统计学意义(F=3.569，df=26，p=0.731；F=1.307，df=2，p=0.508)。

图3 基线阶段整体反应时间箱图Fig.3 Boxplots of overall reaction times in the baseline phase

3.2 运动技能巩固阶段

3.2.1 一般运动技能

图4(a)所示为GMS值进行单因素方差分析的结果，各刺激条件下基线阶段的GMS值均具有差异的统计学意义(F=10.980，df=2，p<0.001)，而刺激期间和刺激后的GMS值不存在差异的统计学意义(F=0.710，df=2，p=0.498；F=0.336，df=2，p=0.716)，如表1所示。事后检验发现，这种差异在各刺激组(假、β-tACS和γ-tACS)间均具有统计学意义。表2显示配对样本t检验的结果，3种GMS值之间的差异不具有统计学意义，刺激类型对GMS值的影响的差异具有统计学意义，特别地，在刺激期间(p=0.298)与刺激后(p=0.163)，β-tACS与γ-tACS之间的差异不存在统计学意义。GMS值的变化显示出组和刺激类型的特异性效应(组和刺激相互作用：F=5.601，df=4，p=0.001)。

由图5可知，两组刺激期间GMS值均呈现升高趋势，在不同刺激条件下，RT的差异越来越大，tACS对RT的降低具有促进作用，刺激后60 min的数据表明刺激的遗留效应存在，且不同刺激所产生的运动技能巩固效果有所不同。假刺激条件下，GMS的值逐渐下降，在刺激后阶段RT有所增高。

表1 GMS、SS的单因素方差分析Table 1 Multiple comparison of GMS and SS

表2 GMS、SS的重复测量方差分析Table 2 Repeated measures analysis of variance of GMS and SS

在真实电刺激后，RT都是逐渐下降的，说明在刺激条件下运动技能得到学习与巩固，且与假刺激相比差异均具有统计学意义，这与最初设想一致。

3.2.2 序列特异性运动技能

对SS进行单因素方差分析，如图4(b)所示，各刺激条件下3种SS值的差异均具有统计学意义(p均小于0.05)，事后检验发现，基线阶段SS在各刺激组间的差异具有统计学意义，在线SS值和刺激后SS值差异的统计学意义发生在假刺激与β-tACS和γ-tACS之间，而β-tACS和γ-tACS不存在差异的统计学意义(p=0.298，p=0.163)。表2显示出SS值的变化未显示出组和刺激的特异性效应(组和刺激的相互作用：F=0.867，df=4，p=0.488)以及时间与群体的交互作用(F=1.701，df=2，p=0.189)。

如图5所示，对各阶段、各刺激下的SS值进行配对比较发现，在刺激类型(假刺激、β-tACS和γ-tACS)、刺激阶段(基线测量、在线测量、刺激后测量)间的差异均具有统计学意义，SS值在刺激后显著升高，与基线相比显著增加。

3.2.3 错误率

初始完整的数据结果表明，刺激前与刺激后各刺激组间的差异均具有统计学意义，仅在刺激期间的块2(顺序块)之间两种真实刺激间不存在差异的统计学意义(p=0.097)，进一步分析发现这种差异主要存在于假刺激与真实刺激之间。如图6所示，其中1、2、3分别代表基线阶段、刺激期间、刺激后。

图4 两种技能在不同刺激块平均反应时间的变化Fig.4 Changes in the average reaction time of the two skills in different stimulus blocks

图5 不同刺激条件下同一阶段GMS、SS值的变化Fig.5 Changes of GMS and SS values at the same stage under different stimulation conditions

图6 各刺激条件下的错误率变化Fig.6 Changeinerror rate under each stimulus condition

假刺激与真实刺激相比，错误率明显较高，且在某些块内误差较大。

4 讨论

在tACS后能够持续90 min的行为和神经生理学的后效应已得到充分证实，研究已经显示出对运动性能的影响持续时间长达60 min。该研究表明，在相同的时间窗内，高频tACS对运动皮层兴奋性的影响要比低频刺激持续时间长[26]。电刺激导致振荡活动的增加可能使得运动神经元活动高于人体必要水平。

研究的目的是分析当tACS被施加到M1时，β-tACS与γ-tACS对运动学习、运动技能巩固的影响。研究中观察到的tACS诱导的运动学习记忆的增强可能有两种原因。首先，对M1施加电刺激可能加强了M1与大脑其他区域之间的神经网络，进而加强了运动学习记忆。一个频带中的活动调制另一个频带的现象被称为交叉频率耦合(cross frequency coupling，CFC)[27]。在目前的研究中，CFC也可能参与了运动学习记忆的增强。由于在运动任务期间，M1的β波段和γ波段活动是矛盾的，所以应用于M1的γ-tACS可能增加了γ波段活动并抑制了β波段活动[28]。因此，在本研究中，β带活动可能被M1的γ-tACS抑制，并且与运动学习相关的神经元重组被促进，这反过来促进了运动学习记忆的增强。

在不同刺激下观察到的结果不能简单地用试验中不同水平的基线表现来解释，这是因为受试者在运动任务的每次试验中由于熟练度的不同反应时间也逐渐降低。此外，观察到的结果不太可能受到试验的干预措施的遗留效应的影响，因为3次试验均至少间隔1周进行。该研究集中于左侧M1上方的刺激。虽然没有正式测试受试者是否可以分辨不同的刺激条件，但后续询问表明受试者对各种刺激条件是不知情的，满足试验的单盲要求。

本研究证明了tACS对健康成年人的运动技能学习与巩固的影响。不同频率的tES对运动技能巩固的影响不同，在基线SRTT中，两刺激组之间的GMS、SS值的差异均具有统计学意义，这表明受试者可能在三次试验过程中对SRTT的熟悉度逐渐上升。受试者也不知道测试顺序，这表明运动技能学习是隐性的。

由于受试者在序列块的熟悉度不断增长，刺激效果出现了天花板效应[29]，平均RT的减少导致了GMS值逐渐增加，这表明运动表现有所提高。SS的变化伴随着稳定和增强运动记忆以及抗干扰的过程[30]。试验结果中观察到每次试验的SS值均有所增加，这表明即使在没有刺激(假刺激)的条件下，SS也有所改善。然而从实中发现，假刺激组的SS改善要远小于刺激组的SS的变化。

观察到20 Hz-tACS改善了运动学习能力与巩固效果，这与之前对初级运动皮层施加电刺激对运动学习表现的研究结果非常吻合[31]，年轻受试者在刺激期间表现出对运动序列学习程度的改善与早期运动技能的巩固。

总的来说，本研究首次考察了20 Hz和70 Hz的tACS对运动技能学习与巩固的影响，并为tACS作用提供了新的证据。此外，在这项研究中，副作用很小，没有受试者出现光幻视、烧灼感、头痛或头晕现象，即使在以70 Hz的频率和2.0 mA的强度刺激下也是如此，只有一名受试者出现刺痛感。总的来说，2.0 mA的tACS可以安全地刺激M1区，并对M1区产生积极影响。

5 结论

(1)目前的发现表明不同刺激频率对运动功能会产生不同影响，支持β和γ频率的振荡可能对运动技能的学习与巩固有贡献的假设。试验结果表明，运动技能的巩固可以通过对受试者的tACS来实现，但两组真实电刺激之间没有发现差异的统计学意义。

(2)本文研究受试者大多是男生，因此，研究没有涉及性别对tACS的影响，无法确定这方面是否对结果存在显著影响。另外，tACS对脑部地形特异性的影响使我们不能排除试验结果是否受到更广泛的脑部网络的调节的影响，如电极片附近的体感皮层、基底神经节和小脑。本研究没有在任务前记录受试者的脑电图活动，因此不是在单个β或γ频率下进行刺激。同样，在直接证明tACS在相应频率下对β和γ振荡的调制的任务中没有记录脑电图活动。