重復經顱磁刺激(rTMS)降低賽前焦慮的作用及其腦電特征

羅光霞

(上海思博職業技術學院 體育教研室，上海 201300)

重復經顱磁刺激(rTMS)是一種安全、無創傷、無疼痛的新型認知神經科學技術。該技術由Barker 等人［1］于1985 年首先創立的一種皮質刺激方法而發展起來，它利用時變磁場使大腦皮層產生感應電流，通過改變大腦皮層神經細胞的動作電位而影響腦內代謝和神經組織的電活動，進而對刺激區域及較遠的相關區域產生影響，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 對大腦皮層的興奮性具有促進作用而低頻(≤1 Hz)rTMS則對大腦皮層的興奮性具有抑制作用，基于它能調節大腦皮層的興奮性而被廣泛地應用于精神病學和神經病學的臨床診斷與治療［2，3］。

運動訓練過程中尤其是鄰近比賽，焦慮問題時常困擾著廣大運動員及教練員，實踐中常常采用放松訓練、認知調節、表象演練等方式進行調控［4］，然而有時效果并不理想。焦慮發生時，不僅自主神經功能發生改變，出現心跳加快、血壓升高、出汗等現象;而且神經內分泌功能也會發生變化，表現為下丘腦—垂體—腎上腺(HPA)軸活動增強，血皮質醇水平升高［5］。動物和人類的大量研究顯示，前額葉與情緒加工有關，是調節下丘腦一垂體一腎上腺(HPA)軸和自主神經功能的重要部位［6，7］;結構和功能神經影像學研究顯示焦慮發生時右側前額葉皮層興奮性增加［7，8］。低頻(≤1 Hz)rTMS 能夠抑制大腦皮層的興奮性［2，3］，推斷rTMS存在抗焦慮作用的最初證據來自健康志愿者的研究，依據“效價假說”，Van Honk［9］等人對健康被試進行了一系列的實驗，結果顯示在右側背外側前額葉(DLPFC)施加閾下低頻rTMS 可降低自評焦慮及減少焦慮相關行為。此外，d’Alfonso 等人在健康被試右側DLPFC 施加低頻rTMS 后，被試選擇性注意憤怒的面孔，其解釋為通過對右半球的抑制起到抗焦慮作用［10］。為此，可嘗試將rTMS 作為干預手段，通過在運動員右側背外側前額葉(DLPFC)施加低頻rTMS 來降低賽前焦慮，即從中樞神經系統對運動員的焦慮水平進行調節，將具有一定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及心理活動的一種基本研究手段。腦電圖(EEG)是眾所周知的、廣泛使用的大腦活動可視化技術，EEG 中有節律的活動代表大腦皮層神經元突觸后電位活動的同步化變化，可反映大腦皮層的機能狀態。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，可作為評價rTMS 刺激效果及其生理效應的一種工具［11］。當前研究證實了1 Hz，80%RMT，1 500 次rTMS(持續10 秒間隔2 秒)能夠較好地降低運動皮層的興奮性［12］，本研究擬采用該參數的rTMS 在運動員右側背外側前額葉(DLPFC)實施刺激，使用狀態焦慮量表和腦電功率譜進行評價，用以考察其降低焦慮的作用及腦活動特征，以便較好的理解低頻rTMS 的刺激效果及其神經生物學效應，為使用rTMS 降低運動員的賽前焦慮提供理論基礎。

本研究的假設為:低頻rTMS 刺激后被試的狀態焦慮降低，δ 波和θ 波的活動增強，β 波的活動減弱。

1 方法

1.1 被試

體校學生20 名，右利手，其中男、女各10 名，年齡14 ～20 歲，運動年限5 ～8 年，均為二級以上水平。被試經過嚴格篩選，無既往病史、家族病史及精神類疾病，符合經顱磁刺激(TMS)實驗標準及腦電測試標準。所有被試均自愿參加，且未參加過相關實驗，也不知道實驗目的。告知被試實驗過程、可能的影響，并與其簽訂實驗協議及付給相應報酬。

1.2 實驗設計

采用2×2×2 混合設計。研究中包含3 個因素:1)性別(G)，分男和女兩個水平;2)刺激方式，分磁刺激(S1)和假刺激(S2)兩個水平;3)測試時間，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實驗(即S1 和S2)，在接受每種刺激方式的實驗時分別進行前、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 的順序進行實驗，另一組按S2 S1的順序進行實驗，兩次實驗間隔一周，實驗時間為14:30 ～17:30。要求被試在實驗的當天中午將頭洗干凈，實驗前一天和實驗當天不要飲酒及服用興奮性或抑制性藥物，要保持正常的飲食和作息習慣。

1.3 實驗過程

為了搞好省運會的備戰工作，某體校在賽前2 周、賽前1 周時分別進行了兩次模擬測試。模擬測試均安排在下午進行，測試的前一天教練對具體工作做了布置和安排，同時告訴隊員測試時將有領導和其他隊員前來觀看，并會對測試的全過程進行攝像。

第一次模擬測試的前一天采用特質焦慮量表(T－AI)對被試進行篩選，篩選出特質焦慮得分較高且符合實驗要求的被試(T－AI 量表得分大于50 分)。實驗在測試的當天上午進行，實驗前簡單介紹實驗程序及注意事項，并告知被試實驗過程中如有不適隨時可終止實驗。實驗時先進行狀態焦慮測試和腦電測試(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狀態焦慮測試和腦電測試(T2)。

1.4 實驗設備

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

1.5 實施方法

磁刺激(S1):使用經顱磁刺激器在被試右側背外側前額葉(DLPFC)施加刺激，刺激參數設置為1Hz，80%RMT，1500 次rTMS(持續10 秒間隔2 秒)。實施刺激時，被試舒服地坐在兩側有扶手的靠椅上，保持全身放松，線圈平面與顱骨表面相切，線圈兩圓相交處的中心位置正對Brodmann 9/46 區(位于國際標準腦電10 ～20 記錄系統Cz 點的前方5 cm，與正中失狀線平行的位置)［13］。

假刺激(S2):方法與磁刺激(S1)相同，操作時將輸出強度降低到20%，使之遠遠低于大腦皮層產生生理反應的強度［14］。將假刺激作為對照組以避免安慰劑效應。

靜息閾值(RMT):采用自帶的MEP 模塊(時間基值50ms，濾波通帶2 Hz－10K Hz)及其專用電極線記錄運動誘發電位(MEP)，記錄電極置于拇短展肌肌腹，參考電極置于遠心端的肌腱，接地極置于手腕。線圈兩圓相交處的中心位置正對能誘發右手拇指展肌運動誘發電位(MEP)的位置(即國際標準腦電10 ～20記錄系統的Cz 點)，在右手拇指展肌完全放松的情況下，找到連續10 次經顱磁刺激中有5 次以上產生大于50μV 運動誘發電位(MEP)的最小磁刺激強度，作為靜息閾值(RMT)［15］。

狀態焦慮測試:采用狀態焦慮量表(S－AI)進行測試，該量表由Spielberger 等人編制，由葉仁敏修訂，其包含20 個題目，采用1 ～4 級評定法進行評定，得分越高表明焦慮程度越高，該量表具有較好的信、效度。

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［16］。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 分鐘，采樣頻率為256 Hz，時間常數為0.3 秒。

1.6 統計方法

使用統計軟件SPSS15.0 對數據進行統計分析，實驗結果以M±SD 表示，顯著性水平定為α=0.05。

2 結果

2.1 狀態焦慮的變化

對男、女被試刺激前、后狀態焦慮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)=84.652，P ＜0.0005;刺激方式與性別的交互作用不顯著，F(1，18)=9.237，P=0.169;測試時間的主效應極端顯著，F(1，18)=102.975，P ＜0.0005;測試時間與性別的交互作用不顯著，F ＜1;刺激方式與測試時間的交互作用極端顯著，F(1，18)=63.254，P ＜0.0005;刺激方式、測試時間及性別三個因素之間的三重交互作用不顯著，F(1，18)=6.776，P=0.113。組間效應檢驗顯示:性別的主效應不顯著，F ＜1。

表1 刺激前、后狀態焦慮的得分

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)=87.698，P ＜0.0005;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，磁刺激導致狀態焦慮得分降低，而假刺激未能導致狀態焦慮得分發生明顯改變。由此可見，磁刺激刺激后男、女被試的狀態焦慮均降低。

2.2 腦電功率譜的變化

依據國際腦電圖學會建議的標準劃分腦區，劃分為額部(F3，F4)、央部(C3，C4)、頂部(P3，P4)和枕部(O1，O2)(每個腦區均由左右兩部分的電極組成)［17］。按照Schwab 的腦電波分類方法［16］，將頻段參數設置為delta(δ)波:0.5 ～3Hz;theta(θ)波:4 ～7Hz;alpha(α)波:8 ～13Hz;beta(β)波:14 ～30Hz。對腦電信號進行濾波(帶通0.5 ～30Hz)及偽差處理后，利用系統自帶程序計算出各頻段腦電波的功率值。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)。

額部δ 波、θ 波和β 波，央部θ 波，頂部θ 波，枕部δ 波和θ 波:組內效應檢驗顯示，刺激方式的主效應極顯著或極端顯著(P≤0.01 或P≤0.001)，刺激方式與性別的交互作用不顯著(P ＞0.05)，測試時間的主效應極端顯著(P≤0.001)，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端顯著(P≤0.001)，刺激方式、測試時間及性別三個因素之間的三重交互作用不顯著(P ＞0.05);組間效應檢驗顯示，性別的主效應不顯著(P ＞0.05)。由于刺激方式與測試時間的交互作用極端顯著(P ≤0.001)，分別進一步進行簡單效應檢驗顯示:在S1(磁刺激)水平上，T(測試時間)的簡單效應極端顯著(P≤0.001);在S2(假刺激)水平上，T(測試時間)的簡單效應不顯著(P ＞0.05)。由此可見，測試時間效應受刺激方式影響，磁刺激(S1)導致上述腦電波的功率值發生變化，假刺激(S2)未能導致其功率值發生明顯改變。

額部α 波，央部δ 波、α 波和β 波，頂部δ 波、α 波和β 波，枕部α 波和β 波:組內效應檢驗顯示，刺激方式的主效應不顯著(P ＞0.05)，刺激方式與性別的交互作用不顯著(P ＞0.05)，測試時間的主效應不顯著(P ＞0.05)，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不顯著(P ＞0.05)，刺激方式、測試時間及性別三個因素之間的三重交互作用不顯著(P ＞0.05);組間效應檢驗顯示，性別的主效應不顯著(P ＞0.05)。由此可見，磁刺激(S1)和假刺激(S2)均未能導致上述腦電波的功率值發生明顯改變。

綜上所述，從刺激前、后各頻段腦電波的功率值的變化可以看出，磁刺激(S1)刺激后男、女被試額部δ波和θ 波、央部θ 波、頂部θ 波、枕部δ 波和θ 波的活動增強，額部β 波的活動減弱。

表2 額部刺激前、后各頻段的功率值(μυ2)

表3 央部刺激前、后各頻段的功率值(μυ2)

表4 頂部刺激前、后各頻段的功率值(μυ2)

表5 枕部刺激前、后各頻段的功率值(μυ2)

3 討論

3.1 狀態焦慮的變化

rTMS 刺激過程中被試均未感到疼痛，未引起不適反應，刺激后沒有產生不利影響。研究結果表明，rTMS刺激后男、女被試的狀態焦慮均降低，該結果與研究假設一致。前額葉參與許多復雜的認知和行為功能，通過廣泛的皮層間及皮層下通路與邊緣系統聯系，是調節下丘腦一垂體一腎上腺(HPA)軸和自主神經功能的重要部位［6，7］。低頻(≤1 Hz)rTMS 能夠抑制大腦皮層的興奮性［2，3］，此時在右側前額葉皮層施加適宜的低頻rTMS，則可降低其興奮性及減弱邊緣系統間的聯系。邊緣系統間聯系的減弱可降低下丘腦—垂體—腎上腺(HPA)軸和內臟植物神經系統的活動［18］，從而起到抑制作用。此外低頻rTMS 還可促進抑制性神經遞質γ－氨基丁酸(簡稱GABA)的釋放［19］，GABA 的增加可引起交感節前神經元發生抑制(氨基酸類遞質是與交感節前神經元形成突觸的軸突末梢釋放的重要遞質)，從而降低神經元的活性及減慢神經傳導速度的作用，起到抗焦慮的作用，于是使得被試的狀態焦慮降低。

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［11］，本研究對被試額部、央部、頂部和枕部刺激前、后各頻段腦電波的功率值進行分析。結果顯示，rTMS 刺激后男、女被試額部δ 波和θ 波、央部θ 波、頂部θ 波、枕部δ 波和θ 波的活動增強，額部β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［20］;α 波的頻率介于8 至13 Hz，在清醒，安靜和閉目時出現，睜眼、思考問題或受其它刺激時，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［21］，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［20］。本研究在被試右側背外側前額葉(DLPFC)施加低頻rTMS 后，被試額部δ 波和θ 波、央部θ 波、頂部θ 波、枕部δ 波和θ 波的活動增強，表明其倦意增加、警戒水平降低，中樞神經系統抑制作用增強;額部β 波的活動減弱，表明其興奮性降低、喚醒水平降低。在正電子發射斷層掃描(PET)研究中，Speer(2000)［22］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。Knoch(2006)［23］等人在被試左側DLPFC 施加一次10Hz 的rTMS 也得出類似的結果。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，從而使得被試額部、央部、頂部和枕部腦電波的功率值產生了相應的改變［14］。

總之，本研究在被試右側DLPFC 施加1Hz，80%RMT，1 500 次rTMS(持續10 秒間隔2 秒)后，男、女被試的狀態焦慮均降低，其腦電活動的變化在一定程度上可以解釋低頻rTMS 的神經生物學效應，為使用rTMS 降低運動員的賽前焦慮提供了理論基礎。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和實踐價值。在今后的研究中，一方面可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應用。

4 結論

在運動員右側背外側前額葉(DLPFC)施加1 Hz，80%RMT，1 500 次rTMS(持續10 秒間隔2 秒):1)可起到降低賽前焦慮的作用;2)rTMS 刺激后額部δ 波和θ 波、央部θ 波、頂部θ 波、枕部δ 波和θ 波的活動增強，額部β 波的活動減弱;rTMS 刺激后腦電(EEG)的變化在一定程度上可以對其神經生理效果進行解釋。

［1］Barker AT，Jalinous R，Freeston IL.Non－invasive magnetic stimulation of human motor cortex［J］.Lancet，1985，1:1106－1107.

［2］Di Lazzaro V.，Oliviero A.，Berardelli A.，et al.Direct demonstration of the effects of repetitive transcranial magnetic stimulation on the excitability of the human motor cortex［J］.Exp.Brain Res.，2002，114:549－553.

［3］M.Inghilleri，A.Conte，V.Frasca，et al.Antiepileptic drugs and cortical excitability:a study with repetitive transcranial stimulation［J］.Exp.Brain Res.，2004，154:488－493.

［4］張忠秋.優秀運動員心理訓練與實用指南［M］.北京:人民體育出版社，2007.

［5］楊權.恐懼和焦慮的神經生物學研究［J］.中華精神科雜志，2000，(3):191－192.

［6］Prasko J，Horacek J，Zalesky R，et al.The change of regional brain metabolism (18FDGPET)in panic disorder during the treatment with cognitive behavioral therapy or antidepressants［J］.Neuro Endocrinology Letters，2004，25(5):340－348.

［7］Davidson RJ，Abercrombie H，Nitschke JB，et al.Regional brain function，emotion and disorders of emotion［J］.Curr Opin Neurobiol，1999，9:228－234.

［8］Bishop S，Duncan J，Brett M，et al.Prefrontal cortical function and anxiety:controlling attention to threat－related stimuli［J］.Nat Neurosci，2004，7:184－188

［9］Van Honk J，Tuiten A，Verbaten R，et al.Correlations among salivary testosterone，mood，and selective attention to threat in humans［J］.Horm Behav，1999，36:17－24.

［10］d’Alfonso AA，van Honk J，Hermans E，et al.Laterality effects in selective attention to threat after repetitive transcranial magnetic stimulation at the prefrontal cortex in female subjects.Neurosci Lett，2000，280:195－198.

［11］N.N.Boutros，R.M.Berman，R.Hoffman，et al.Electroencephalogram and repetitive transcranial magnetic stimulation［J］.Depress.Anxiety，2000，12:166－169.

［12］劉運洲，張忠秋.低頻重復經顱磁刺激(rTMS)降低運動皮層興奮性的研究［J］.中國體育科技，2010(4):134－138.

［13］Epstein CM，Sekino M，Yamaguchi K，et al.Asymmetries of prefrontal cortex in human episodic memory:effects of transcranial magnetic stimulation on learning abstract patterns［J］.Neurosci Lett，2002，320:5 ～8.

［14］F.Vernieri.，P.Maggio.，F.Tibuzzi.High frequency repetitive transcranial magnetic stimulation decreases cerebral vasomotor reactivity［J］.Clinical Neurophysiology，2009，120:1188－1194.

［15］Rossini PM，Berardelli A，Deuschl G..Applications of magnetic cortical stimulation［J］.The International Federation of Clinical Neurophysiology.Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1999，52:171－85.

［16］譚郁玲.臨床腦電圖與腦電地形圖學［M］.北京:人民衛生出版社，2004，12.

［17］R.T.Pivik，R.J.Broughton，R.Coppola，et al.Guidelines for the recording and quantitative analysis of electroencephalographic activity in research contexts［J］.Psychophysiology，1993，30:547–558.

［18］Xu Y，Day TA，Buller KM.The central amygdala modulates hypothalamic－ pituitary － adrenal axis responses to systemic interleukin－1 Bata administration［J］.Neuroscience，1999，94(1):175－183.

［19］Boroojerdi B，Battaglia F，Muellbacher W，et al.Mechanisms influencing stimulus－response properties of the human corticospinal system［J］.Clin Neurophysiol，2001，112:131－137.

［20］Miyake S.Multivariate workload evaluation combining physiological and subjective measures［J］.Inter J of Psycho，2001，40:233－8.

［21］Leino T，Leppaluoto J，Huttunen P，et al.Neuroendocrine responses to real and simulated BA Hawk MK 51 flight［J］.Aviat Space Environ Med，1995，66(2):108－13.

［22］A.M.Speer，T.A.Kimbrell，E.M.Wassermann，et al.Opposite effects of high and low frequency rTMS on regional brain activity in depressed patients［J］.Biol.Psychiatry，2000，48:1133－1141.

［23］T.Graf，J.Engeler，P.Achermann，et al.High frequency repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS)of the left dorsolateral cortex:EEG topography during waking and subsequent sleep［J］，Psychiatry Res，2001，107:1－9.

［24］Inga G.，Osvaldas R.，Kastytis D.，et al.The effects of 10 Hz repetitive transcranial magnetic stimulation on resting EEG power spectrum in healthy subjects［J］.Neuroscience Letters，2007，419:162－167.