高頻重復經顱磁刺激（rTMS）提高運動員的興奮性及其腦電特征研究

羅光霞，劉運洲

●研究報道

高頻重復經顱磁刺激（rTMS）提高運動員的興奮性及其腦電特征研究

羅光霞1，劉運洲2

目的：探討高頻重復經顱磁刺激（rTMS）的興奮作用及其腦電活動，為使用rTMS提高運動員的喚醒水平提供理論基礎。方法：采用2×2×2混合設計，在運動員左側背外側前額葉（DLPFC）施加20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持續5 s，間隔55 s），分別測試刺激前、后的自評興奮度和腦電（EEG）。結果：rTMS刺激后男、女被試的自評興奮性提高，額部α波、β波和央部β波的活動增強，頂部θ波和枕部δ波、θ波的活動減弱。結論：高頻rTMS能夠提高興奮性，rTMS刺激后腦電活動的變化在一定程度上可以解釋其神經生物學效應。

重復經顱磁刺激；興奮；腦電

重復經顱磁刺激（rTMS）是一種新型的認知神經科學技術，它通過時變磁場使大腦皮層產生感應電流，進而對刺激區域及相關腦區產生影響，且所產生的生物學效應可持續到刺激停止后的一段時間。一般來說，高頻（＞5 Hz）rTMS可促進大腦皮層的興奮性，而低頻（≤1 Hz）rTMS則對大腦皮層的興奮性產生抑制，基于它能調節大腦皮層的興奮性而被廣泛地用于精神病學及神經病學的臨床診斷與治療[1－2]。淡漠狀態是一種常見的賽前心理狀態，此狀態下運動員的喚醒水平較低，常表現為興奮性低、情緒低落、反應遲鈍、甚至不太愿意參加比賽，以致使得在競賽中難以正常發揮。實踐中常采用呼吸調節、自我談話及身體活動等方式進行調控[3]，然而有時效果并不太理想。

前額葉參與許多復雜的認知功能和行為功能，是調節下丘腦一垂體一腎上腺（HPA）軸功能及自主神經功能的重要部位[4－5]。動物和人類的大量研究表明左側前額葉與積極性情緒有關[5]，有研究顯示，在被試左側背外側前額葉（DLPFC）施加適宜的高頻重復經顱磁刺激（rTMS）可提高正性情緒及減少逃避行為[6]。此外，高頻（＞5 Hz）rTMS可促進大腦皮層的興奮性[1－2]，于是可嘗試將rTMS作為一種干預手段，通過在運動員左側背外側前額葉（DLPFC）施加適宜的高頻rTMS，用以提高其興奮性及改善情緒狀態，即從中樞神經系統對運動員的喚醒水平進行調控，將具有重要的理論意義和實踐意義。

大腦皮質的神經元具有生物電活動，記錄腦電活動是探討腦生理和心理活動的一種基本研究手段。腦電圖（EEG）是一種眾所周知的、廣泛使用的大腦活動可視化技術，腦電圖（EEG）中有節律的活動代表著大腦皮層神經元突觸后電位活動的同步化變化，可用于反映大腦皮層的機能狀態。腦電功率譜是當前應用較為廣泛、且較為成熟的腦電分析手段，可作為評價大腦機能狀態的一種工具[7]。當前研究證實了20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持續5 s間隔55 s）能夠較好的提高運動皮層興奮性[8]，本研究擬采用該參數的rTMS在運動員左側背外側前額葉（DLPFC）實施刺激，使用自評興奮度和腦電功率譜進行評價，用以考察其興奮作用及腦電活動，以便較好的理解高頻rTMS的刺激效果及其神經生物學效應，為使用rTMS提高運動員的喚醒水平提供理論基礎。本研究的假設為：rTMS刺激后男、女被試的自評興奮性提高，額部α波、β波及央部β波的活動增強，枕部δ波、θ波的活動減弱。

1 研究對象與方法

1.1 被 試

體校學生20名，右利手，其中男、女各10名，年齡16.32± 2.16歲，運動年限6～9年。所有被試均無既往病史、家族病史及精神疾病，符合TMS試驗標準和腦電測試標準。被試均自愿參加試驗，不知道試驗目的也未參加過相關試驗。告訴被試試驗過程及可能的影響，簽訂試驗協議并付給相應報酬。

1.2 試驗設計

采用2×2×2混合設計。研究中包含3個因素：（1）性別（G），分男（G1）和女（G2）兩個水平；（2）刺激方式（S），分磁刺激（S1）和假刺激（S2）兩個水平；（3）測試時間（T），分刺激前（T1）和刺激后（T2）兩個水平。其中性別為組間因素，刺激方式和測試時間為組內因素。

所有被試均接受兩種刺激方式的試驗（即S1和S2），在接受每種刺激方式的試驗時分別進行前、后測（即T1和T2）。被試按照性別進行匹配后隨機分成兩組，一組按S1S2的順序進行試驗，另一組按S2S1的順序進行試驗，兩次試驗間隔一周，試驗時間為9：30～11：30。要求被試在試驗的前一天將頭洗干凈，試驗期間不能飲酒和服用興奮性或者抑制性藥物，要保持正常的飲食及作息習慣。

1.3 試驗過程

試驗在屏蔽室進行，試驗前先簡單介紹試驗程序和注意事項，并告訴被試試驗過程中如有不適立即可終止試驗。

試驗時先進行問卷測試和腦電測試（T1），然后使用經顱磁刺激器實施刺激（S1和S2），刺激結束后再次進行問卷測試和腦電測試（T2）。

1.4 試驗設備

經顱磁刺激器：Magtism RAPID2型（英國Magtism公司），標準蝶型70mm雙線圈，磁場強度2.2 T。

定量數字腦電圖儀：SOLAR 1848（北京太陽電子科技有限公司）。

問卷調查結果。受試者問卷評分顯示口服鱈魚皮膠原低聚肽后，10項指標均有不同程度改善，口服前評分均值為24.33±5.78，口服后評分均值為34.56±4.62，差異顯著（P＜0.05）；對照組問卷調查無顯著差異（P＞0.05）。

1.5 實施方法

磁刺激（S1）：使用經顱磁刺激器在被試左側背外側前額葉（DLPFC）施加刺激，刺激參數設置為20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持續5 s間隔55 s）。實施刺激時，被試放松、舒服地坐在兩側有扶手的靠椅上，線圈平面和顱骨表面相切，線圈兩圓相交處的中心位置正對國際標準腦電10~20記錄系統的F3位置[9]。

假刺激（S2）：刺激方法和磁刺激（S1）相同，操作時將線圈的輸出強度降低至20%，使其遠低于大腦皮層產生生理反應的刺激強度[10]。

靜息閾值（RMT）：采用自帶的MEP模塊（時間基值50 ms，濾波通帶2 Hz～10 kHz）和其專用電極線記錄運動誘發電位（MEP），記錄電極置于右手拇短展肌肌腹，參考電極置于其遠心端的肌腱，接地極置于手腕處。線圈兩圓相交處的中心位置正對能夠最佳誘發右手拇指展肌MEP的位置，即位于國際標準腦電10～20記錄系統的Cz點。在完全放松的情況下，找到連續10次刺激中至少有5次產生大于50 μV運動誘發電位（MEP）的最小刺激強度，作為靜息閾值（RMT）[11]。

問卷測試：使用自評興奮度問卷進行測試，自評興奮度采用10級評分法進行評定，“0～9”代表興奮程度，其中“0”代表一點兒也不興奮，“9”代表非常興奮，從0到9興奮程度逐步升高。

腦電測試：依據國際腦電圖學會及中國腦電圖學會的建議，按照國際標準腦電10~20記錄系統放置電極，參照8道儀器的導聯選擇方法，選用FP1、FP2、F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2進行單極引導，以雙耳連線為參考電極，前額正中接地保護，記錄被試安靜閉眼狀態下的腦電信號[12]。測試時被試坐在兩側有扶手的椅子上，要求其閉目、安靜、不思考，信號采集時間為10 min，采樣頻率為256 Hz，時間常數為0.3 s。

1.6 統計方法

使用統計軟件SPSS15.0對數據進行統計分析，顯著性水平定為α=0.05。

2結 果

2.1 自評興奮度的變化

對男、女被試刺激前、后自評興奮度的得分進行重復測量方差分析（見表1），組內效應檢驗顯示：刺激方式的主效應極端顯著，F（1，18）=34.389，P＜0.000 5；刺激方式與性別的交互作用不顯著，F＜1；測試時間的主效應極端顯著，F（1，18）=50.782，P＜0.0005；測試時間與性別的交互作用不顯著，F（1，18）=1.166，P=0.295；刺激方式與測試時間的交互作用極端顯著，F（1，18）=59.777，P＜0.000 5；3個因素間的三重交互作用不顯著，F＜1。組間效應檢驗顯示：性別的主效應不顯著，F＜1。

由于刺激方式與測試時間的交互作用極端顯著，進一步簡單效應檢驗顯示：在S1（磁刺激）水平上，T（測試時間）的簡單效應極端顯著，F（1，19）=171.00，P＜0.000 5；在S2（假刺激）水平上，T（測試時間）的簡單效應不顯著，F＜1。這些結果說明，測試時間效應受刺激方式影響，磁刺激導致自評興奮度得分升高，而假刺激未能導致自評興奮度得分發生明顯改變。由此可見，磁刺激刺激后男、女被試的自評興奮性均提高，未出現性別差異。

表1 刺激前、后自評興奮度的得分（M±SD）Tab.1 Mean of excitatory of rTMS before and after（M±SD）

2.2 腦電功率譜的變化

對男、女被試額部、央部、頂部和枕部刺激前、后各頻段腦電波的功率值分別進行重復測量方差分析（見表2~表5，方法同3.1），結果顯示：（1）額部α波和β波、央部β波、頂部θ波、枕部δ波和θ波：（組內效應檢驗）刺激方式的主效應顯著或極顯著（P≤0.05或P≤0.01），刺激方式與性別的交互作用不顯著（P＞0.05），測試時間的主效應顯著或極顯著（P≤0.05或P≤0.01），測試時間與性別的交互作用不顯著（P＞0.05），刺激方式與測試時間的交互作用極顯著或極端顯著（P≤0.01或P≤0.001），3個因素間的三重交互作用不顯著（P＞0.05）；（組間效應檢驗）性別的主效應不顯著（P＞0.05）。（2）額部δ波和θ波，央部δ波、θ波和α波，頂部δ波、α波和β波，枕部α波和β波：3個因素（G、S、T）的主效應及它們的交互作用均不顯著（P＞0.05）。

表2 額部刺激前、后各頻段的功率值（M±SD）Tab.2 Mean ofpowerspectralofrTMS before and afteron frontal

由于額部α波和β波、央部β波、頂部θ波、枕部δ波和θ波刺激方式與測試時間的交互作用極顯著或極端顯著（P≤0.01或P≤0.001），進一步簡單效應檢驗顯示：在S1（磁刺激）水平上，T（測試時間）的簡單效應顯著或極顯著（P≤0.05或P≤0.01）；在S2（假刺激）水平上，T（測試時間）的簡單效應不顯著（P＞0.05）。結果說明，測試時間效應受刺激方式影響，磁刺激導致額部α波和β波、央部β波、頂部θ波、枕部δ波和θ波的功率值發生變化，假刺激未能導致其功率值發生明顯改變。由此可見，磁刺激刺激后男、女被試額部α波、β波和央部β波的活動增強，頂部θ波和枕部δ波、θ波的活動減弱，未出現性別差異。

3 討 論

3.1 自評興奮度的變化

rTMS刺激過程中所有被試均未感覺到疼痛，未引起不適反應及產生不利影響。研究結果顯示，磁刺激（S1）刺激后男、女被試的自評興奮性均提高，該結果與研究假設一致。前額葉通過廣泛的皮層間和皮層下通路與邊緣系統聯系，是調節下丘腦—垂體—腎上腺（HPA）軸功能的重要部位[4-5]。在前額葉皮層施加適宜的高頻重復經顱磁刺激（rTMS），可提高其興奮性和增強邊緣系統之間的聯系，邊緣系統之間聯系的增強可提高HPA軸的活動，進而促進去甲腎上腺素和糖皮質激素的釋放，從而提高交感神經的興奮性[14]。此外高頻重復經顱磁刺激（rTMS）還可促進興奮性神經遞質如多巴胺（DA）、谷氨酸（GLU）等的釋放[15]，從而使得被試的自評興奮性提高。

表4 頂部刺激前、后各頻段的功率值（M±SD）Tab.4 Mean ofpowerspectralofrTMS before and afteron parietal

3.2 腦電功率譜的變化

腦電功率譜分析是當前應用較為廣泛、且較為成熟的腦電分析手段[7]，本研究對額部、央部、頂部和枕部各頻段腦電波的功率值進行分析，結果顯示，磁刺激刺激后男、女被試額部α波、β波和央部β波的活動增強，頂部θ波和枕部δ波、θ波的活動減弱，該結果與研究假設基本一致。

δ波是頻率介于0.5至4 Hz之間的慢波，正常成人一般在困倦或者睡眠狀態時才會出現；θ波的頻率介于4至7 Hz，多見于有睡意或睡眠狀態，同入睡表象、困倦及睡眠時的低警戒水平等心理狀態相連，被認為是中樞神經系統抑制狀態的一種表現[16]；α波的頻率介于8至13 Hz，在清醒，安靜和閉目時出現，睜眼、思考問題或受其他刺激時，出現alpha波阻斷現象；β波的頻率介于14至30 Hz，它是一種快波，同警覺性增加、喚醒和激動相連[17]，當精神緊張、情緒激動或興奮時會出現，被認為是大腦興奮、喚醒狀態的一種表現[16]。本研究中磁刺激刺激后被試頂部θ波和枕部δ波、θ波的活動減弱，表明其困倦狀態減輕，中樞神經系統抑制作用降低；額部α波、β波和央部β波的活動增強，表明其清醒程度增加，警覺性和興奮性增加，喚醒水平提高。

然而Graf等人的研究顯示，在左側DLPFC施加20 Hz，90% RMT的rTMS后，被試δ波和θ波的活動減弱，α波的活動增強，而β波的活動未發生變化[18]。該研究中β波的活動未發生變化可能與刺激數量較少有關，從而導致了刺激后皮層的興奮性未能明顯增加[8]。在正電子發射斷層掃描（PET）研究中，Speer等人給被試施加10天20 Hz的rTMS后，發現不僅刺激區域即左側前額葉的區域皮層血流量（rCBF）顯著增加，而且功能和解剖結構相關的區域的rCBF也出現顯著增強[20]。Knoch等人在被試左側DLPFC施加一次10 Hz的rTMS也得出類似的結果[21]。由于rTMS刺激后刺激區域及其相關區域均發生了相應的變化，從而使得額部、央部、頂部和枕部腦電波的功率值產生了相應的改變[19]。

總之，本研究在被試左側背外側前額葉（DLPFC）施加20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持續5 s間隔55 s）后，男、女被試的自評興奮性均得以提高，其腦電活動的變化在一定程度上可以解釋高頻rTMS的神經生物學效應，可為使用rTMS提高運動員的喚醒水平提供理論基礎。將rTMS作為干預手段，從中樞神經系統對運動員的賽前狀態進行調控，將具有一定的理論意義及實踐價值。在今后的研究中，一方面應結合功能成像技術如fMRI、PET等對rTMS的刺激效果進行進一步的試驗驗證；另一方面應加強rTMS的應用研究，以便在實踐中能夠較好地進行應用。

4結 論

在被試左側背外側前額葉（DLPFC）施加20 Hz，90%RMT，3 000次rTMS（持續5 s間隔55 s）：（1）能夠提高被試的興奮性；（2）rTMS刺激后額部α波、β波和央部β波的活動增強，頂部θ波和枕部δ波、θ波的活動減弱；（3）rTMS的刺激效果無性別差異。

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High-Frequency Repetitive Transcranial Magnetic Improve Athlete's Excitation and It's EEG Characters

LUO Guangxia1，LIU Yunzhou2
（1.Dept of PE，Shanghai Sipo Polytechnic College，Shanghai 201300，China；2.China Institute of Sport Science，Beijing 100061，China）

Objective：Investigate the excitation effects and electroencephalographic activity of high－frequency repetitive transcranial magnetic stimulation，for providing a theoretical foundation by using rTMS to improve athlete's arousal level.Method：Using 2×2×2 mixed design，given 20Hz，90%RMT，3000 pulses of rTMS（5s on and 55s off）on left DLPFC in athletes，subjective excitation feeling and EEG were measured respectively before and after.Results：Excitatory self－assessment raise，the activity of frontal alpha，beta and central beta were increase，the activity of parietal theta，occipital delta and theta were decrease after rTMS.Conclusion：High－frequency rTMS can improve excitation，the change of EEG after rTMS might partly be explained by the neurobiological effect of high－frequency rTMS.

repetitive transcranial magnetic stimulation；excitation；EEG

G 804.2

A

1005-0000（2011）05-0449-04

2011-03-24；

2011-06-24；錄用日期：2011-06-30

羅光霞（1982-），女，山東泰安人，講師，研究方向為體育教育訓練學、社會體育學。

1.上海思博職業技術學院體育教研室，上海201300；2.國家體育總局體育科學研究所，北京100061。