經顱直流電刺激在運動學習中的研究進展

張娜 北京體育大學

運動學習能力是一種與實踐或經驗相關的過程，對新運動技能的獲得、在動態環境做出反應以及在受傷后重新學習之前的運動技能都是至關重要的。在競技體育領域，一種新運動技能的習得和鞏固要花費很長一段時間，需要經過反復練習和訓練才能獲得復雜的運動技能和最佳的運動表現，因此，如何最大化地增強運動表現和運動技能習得的策略研究一直是體育界研究的重點。最近，非侵入的神經調控技術受到研究者的關注，已有一系列研究證實，神經調控技術可增強患者和健康人的運動表現，并有部分研究開始用于提升運動員的競技表現，其中與經顱直流電刺激相關的研究居多。回顧近年來與經顱直流電刺激對健康人群運動學習影響相關的國內外文獻，探究影響運動學習能力因素，為后續經顱直流電刺激用于提升運動員運動學習能力進行相關的研究提供借鑒。

一、經顱直流電刺激機制

經顱直流電刺激是一種無創、安全的神經調控技術，將經顱直流電刺激儀的正、負極置于大腦頭皮形成閉合回路，通過產生微弱的直流電刺激大腦皮質特定腦區，調節大腦皮質的神經活動和/或興奮性，影響受刺激腦區的突觸可塑性和大腦網絡之間的功能連通性，從而對包括運動學習在內的一系列行為產生影響。研究表明，經顱直流電刺激的刺激效果具有極性依賴的特點，即經顱直流電正極刺激導致靜息膜電位去極化，提高皮質興奮性，與長時程增強有關；經顱直流電負極刺激導致靜息膜電位超極化，降低皮質興奮性，與長時程抑制有關[1]。這種神經調節技術能夠在刺激結束后持續數分鐘、數小時、數天，被廣泛應用于臨床康復中。

二、經顱直流電刺激與運動學習能力

運動學習是提高運動技能的一種相對永久性的改變，與大腦皮質的神經可塑性有關，其本質就是通過調控神經系統調節肌肉功能。近年來，經顱直流電刺激作為一種神經調控技術，因其安全、非侵入，且刺激效果持久等特點，已被用于探索對運動學習能力的影響。研究指出，經顱直流電刺激對運動學習的影響與皮質中γ-氨基丁酸濃度有關。但是，由于受到刺激參數和評價方式等因素的影響，經顱直流電刺激的干預效果不一致，以下將進一步對干預效果進行分析。

（一）刺激參數對運動學習的影響

研究發現，0.5mA的經顱直流電正極刺激運動皮質15min提高健康受試者在視覺運動任務中以及刺激結束后的任務表現[2]，同樣，1mA的經顱直流電刺激雙側運動皮質20min改善運動任務表現[3]，2mA的經顱直流電正極刺激運動皮質20min，提高健康受試者離線運動學習能力[4]。但也有研究發現，在完成序列反應時任務的過程中使用經顱直流電刺激運動皮質，并不能改善運動學習任務表現[5]。此外，研究指出，經顱直流電負極刺激右側運動皮質降低受試者在運動學習任務中完成正確序列的數量[6]。經顱直流電刺激效果由多種因素決定，其中在電流強度、持續時長、刺激時機尚以及電極極性上無確定的刺激劑量。目前常用的電流為0.5mA-2mA、持續時長為10-20min，刺激時機通常選取在線刺激和離線刺激，電極極性包括正極和負極。目前的研究較少探究經顱直流電負極刺激對運動學習的影響，其極性依賴特點在運動學習上的影響仍有待進一步驗證。先前的研究也指出，經顱直流電的刺激效果與電流強度和刺激時長不一定存在正比關系，隨著電流強度或者刺激時長的增加，皮質興奮性沒有呈現上升的趨勢，可能由于強度過大，導致皮質興奮性受到抑制。值得注意的是，目前研究使用的最大電流強度是4mA，尚未出現嚴重的不良事件，但電流強度過大可能造成皮膚灼傷，因此在設計經顱直流電刺激參數時首先要考慮安全問題。

經顱直流電刺激在長期干預效果的探索上也取得一定的成效。研究發現，在多個訓練階段應用經顱直流電刺激可進一步提高運動訓練效率，對技能的掌握以及康復有潛在影響。研究發現，在連續三天的運動任務中結合1mA的經顱直流電正極刺激運動皮質20min，提高了健康受試者在學習過程中的序列手指敲擊任務表現，但視覺等距按壓任務僅在保留階段表現出改善效果[7]。此外，青少年處于習得新技能的關鍵期，有研究發現，連續三天/五天使用1/2mA的經顱直流電刺激運動皮質20min，提高健康兒童在普渡釘板測驗、Jebsen-Taylor測試和系列反應時任務中的表現，改善運動學習能力[8,9]。盡管有研究以健康青少年作為研究對象，但是青少年正處于生長發育的關鍵期，身體各機能趨于完善，經顱直流電刺激可能潛在影響青少年神經系統的發育，出于安全方面的考慮，經顱直流電刺激用于健康青少年的干預應謹慎安排。經顱直流電刺激的長期干預一般設置在一周三次或五次，未來研究可以延長刺激周期，設計不同的干預安排。

（二）經顱直流電刺激與其他方式相結合對運動學習的影響

研究表明，經顱直流電刺激結合其他的運動學習手段能更好提高技能習得的速度和準確性。Yamaguchi等的研究發現，當注意力集中在第一骨間背側肌或者拇短展肌肌肉和2mA的經顱直流電正極刺激運動皮質10min相結合能提高彈道手指運動的運動學習和維持[10]。此外，結合身體練習、手指序列協調任務、運動想象、心理意象訓練等對運動學習也有積極的效果。但是也有研究發現，經顱直流電刺激的這種協同增強效果存在爭議，例如，當高強度運動結合經顱直流電刺激運動皮質沒有提高成年人的運動學習能力[11]。研究發現，當2mA的經顱直流電正極刺激運動皮質15min時，提高健康受試者在GO/No GO任務中運動序列的速度和準確性，但是，經顱直流電刺激沒有易化運動想象對序列學習的影響[12]。經顱直流電刺激通過調節神經系統功能調節運動學習，可以作為一種輔助的干預手段，縮短人們習得新技能的時間。但在與其他手段相結合時要考慮兩者的安排順序和參數設置。

（三）刺激腦區對運動學習的影響

有研究發現，運動皮質、背外側前額葉皮質和小腦均參與運動學習。運動皮質作為自主運動的最后通路，在運動學習中發揮重要作用，已有多項研究以運動皮質作為靶區進行了深入探索。最近的研究發現，經顱直流電刺激背外側前額葉皮質或者小腦也能夠提高健康成年人在運動學習任務中表現，縮短技能習得的時間。前額葉被認為是負責認知的重要腦區，經顱直流電刺激前額葉提高運動學習能力與前額葉皮質活動影響其他腦區的皮質興奮性有關；而小腦負責姿勢控制、平衡以及精細動作的完成，經顱直流電刺激小腦提高運動學習能力與運動學習網絡的活動和連接有關。此外，研究發現，2mA的經顱直流電刺激運動皮質或小腦20min，表現出不同干預效果，即小腦經顱直流電刺激能夠提高在線學習效果，而運動皮質經顱直流電刺激能提高短期離線學習效果[13]。經顱直流電同時刺激左側大腦運動皮質和背外側前額葉皮質能提高健康大學生長期離線學習能力[14]。運動皮質、前額葉、小腦三者在運動技能習得的過程中扮演了不同的角色，未來的研究需要進一步探索三者在運動學習中的作用，建立多腦區協同干預方式，為提高運動學習提供新思路。

三、研究結論與展望

經顱直流電刺激能夠提高健康人群的運動學習能力，但是刺激效果受多種因素影響包括：電流強度和持續時長、電極極性、干預時機、人群特征和不同刺激腦區等等，導致研究結果存在一定的差異。在使用過程中，電流強度應是首先要考慮的問題，過大的刺激強度可能導致受試者皮膚灼傷，此外針對不同的人群刺激參數也有所差異。當前的研究主要集中在健康人群，對精英運動員運動學習能力提升的研究相對較少，未來在借鑒干預健康人群研究方法的基礎上，設計適用于運動員的刺激參數，并結合專項技術動作，用于運動員的專項練習中，提高運動技能習得的速度和準確性。而對于經顱直流電刺激提高運動學習能力的內在機制尚不明確，未來結合神經影像學相關儀器，探索其內在的發生機制，明確不同腦區對運動學習各部分的影響。進一步結合以往用于提高運動學習能力的干預方式，探索他們之間是否真的具有協同增效的效果以及如何實現這種增強效應。