運動結合經顱直流電刺激對認知與反應靈敏素質研究

經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一種非侵入性的、利用恒定、低強度電流（0-2mA）調節大腦皮層神經元活動的技術。本研究探討針對十名健康大學生進行四種不同的干預方式包括中等強度有氧運動、對LDLPFC區域的電刺激、中等強度有氧運動結合電刺激和無有氧運動無電刺激，觀察受試者干預前后認知與反應靈敏素質所存在的影響。通過對受試者采用隨機交叉單盲檢測，每名受試者分別隨機進行四種干預模式，并在干預前后依次進行三項測試包括GO/NOGO TASK測試、“Y”型反應靈敏性測試和反應時測試，干預后需要受試者恢復靜息心率再次進行此三項測試，對實驗獲得數據進行討論分析，并選用可重復測量多元方差分析方法分析各指標差異。中等強度有氧運動、針對LDLPFC區域的a-tDCS以及二者相結合均未使認知功能與反應靈敏素質明顯提高，進行中等強度的有氧運動反而會造成機體疲勞，“延長”型反應靈敏性測試直線加速的時間，電刺激會通過提升最大力量、爆發力以及刺激肌肉激活達到縮短直線加速時間的效果，二者結合時電刺激會通過抑制運動引起的肌肉疲勞達到縮短直線加速的時間的作用。

1 引言

1.1 背景

近幾年，腦科學在體育領域應用及研究較為廣泛，經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）作為國際上先進的腦科學新手段，它在體育領域的應用成為全球研究的熱點。經顱直流電刺激最早應用于神經與康復領域，此后作為一項新興技術在競技體育領域成為研究熱點，國外對此技術應用于體育領域的研究早于國內，且已經初步形成一定研究成果。tDCS是一種非侵入性的、利用恒定、低強度電流（0-2mA）調節大腦皮層神經元活動的技術，其基本機制有以下幾點：第一是在皮層附近放置陽極電極刺激（anodal tDCS，a-tDCS）導致神經元膜電位去極化，增加神經興奮性和可塑性，而放置陰極電極刺激（cathodal tDCS，c-tDCS）使神經元膜電位超極化從而產生相反的結果;第二是可以引起突觸可塑性，造成長時程抑制（LDP）或長時程增強（LTP）的效果。tDCS技術由于其便攜、使用簡單、安全、耐受性好和經濟性的原因受到廣泛關注，目前國內外都有將tDCS應用于改善運動能力的研究。現在的一些觀點認為，tDCS可以對肌肉力量、耐力、爆發力、疲勞感受閾值、認知能力、反應能力、神經肌肉疲勞等方面有增強和改善作用，尤其需要注意的是，皮層興奮性的改變可能會改善與認知相關的指標。

對于靈敏性的理解，總的來說它是一種復雜的綜合素質，“快”和“變”是它的兩個主要體現方面，是指在特定的運動場景中短時間內能夠快速準確作出反應并且身體根據需要迅速作出改變方向或變換動作的能力。各項運動都有其內在聯系，積累一定的量變才能達到質變，運動員對動作技能的訓練也是如此，在原有的舊動作已熟練掌握運用的基礎上，新動作技能才能快速形成并加以運用，及時解決比賽中一些突然遇到的情況。有可能直接決定著一場比賽的輸贏。運動員靈敏性主要是眼、腳的協調并在其中增強力量、提高爆發力，技巧運動、障礙滑雪、水上滑板和一些球類運動員提高自身的靈敏性有很大的促進作用，在借助這一類的運動基礎上運動員的理解能力和模仿能力越強，對新動作的掌握則會越熟練，更有利于提高自身的運動水平。

1.2 目的與意義

本研究旨在通過分析tDCS、運動及運動與tDCS結合三種干預方式對認知反應和靈敏素質的影響，探討三種干預方式對腦興奮性的影響，為提高認知反應和靈敏素質提供理論支持和實踐指導。因此，本研究的目的如下：首先，探討tDCS對L-DLPFC區域的陽極刺激是否有利于提高認知反應和靈敏性;其次，探討中等強度有氧運動是否有利于提高認知反應和靈敏性。再次，探討中等強度有氧運動聯合tDCS是否比局部陽極刺激L-DLPFC更有利于提高認知反應和敏感性。最后，探索提高認知反應和敏感性的最佳途徑。

本研究的意義在于，大多數運動任務的完成都需要身體認知與運動能力的表現相結合。通過對L-DLPFC區不同組（tDCS陽極刺激組、中等強度有氧運動組和tDCS陽極刺激聯合中等強度有氧運動組）的數據進行比較，通過簡單的認知任務測試和系統對運動反應敏感性的比較，觀察其對認知能力和運動反應敏感性的影響，智能速度。這一結果不僅可以作為提高大眾健身環境下大腦認知能力的參考，而且可以通過提高競技體育運動員的神經可塑性來提高運動成績。它也可以用來增加賽前熱身環節反應靈敏的運動員。它作為運動員賽前熱身活動的重要組成部分，在實際比賽場景中具有重要的學術價值和現實意義。

1.3 項目創新特征概述

采用國際上先進的腦科學新手段經顱直流電刺激（tDCS），經顱直流電刺激（tDCS）是一種無創性的腦刺激技術，它利用低直流電流（通常為1-2mA）通過作用于顱骨的電極板調節特定腦區的興奮性。近年來，tdcs在體育運動中的應用越來越受到人們的重視。美國滑雪和滑雪協會（USSA）于2016年開始將TDCS技術應用于運動員訓練。本文通過運動結合經顱直流電刺激對認知以及反應靈敏素質影響的研究，為提高認知反應靈敏素質的研究和應用提供理論支持和實踐指導。

使用Smart speed靈敏測試系統測試刺激前后對比，該系統可以用于訓練、測試及科研，用來測試運動員的速度、靈敏性、反應能力等。同時可以根據不同的專項項目、場地特點和特殊場景的仿真設計訓練和測試。實驗中采用“Y”型測試，對進行中等強度有氧運動與tDCS對DLPFC區域的刺激前后平均反應時進行測量。與國內外tDCS對運動素質的影響研究相比，對于tDCS刺激后對于認知與反應靈敏素質影響的研究較少，本研究則將通過聯合使用澳大利亞Smart speed靈敏測試系統、反應測試程序等，針對tDCS在運動領域進行深入研究。

2 研究對象及方法

2.1 研究方法

2.1.1 文獻資料法

首先，本研究查閱了幾本關于經顱直流電刺激和運動素質的書籍，檢索了相關文獻文章，通過中國知網（CNKI）、PubMed等網絡數據庫進行了深入研究，并對查詢的文章進行了選擇、分類和分析，關鍵詞為“經顱直流電刺激”“運動”“反應”“認知”“敏捷”“運動質量”進行高級檢索，進行主題高級檢索近10年文獻。相關文獻的選取和研究為本文的實驗設計、結果討論和編輯提供了理論依據。

2.1.2 實驗法

（1）實驗時間與場地：本次實驗在學校體能與康復訓練中心進行，實驗時間為2021年10月至12月。

（2）實驗對象：招募10名健康大學生受試者（男性），采用隨機交叉單盲檢測，每名受試者將隨機進行四種模式干預，包括無運動無電刺激、運動、電刺激和運動聯合電刺激。陽極tDCS刺激參數為2mA電流;假tDCS刺激參數為2mA電流，刺激30s后關閉電流。

（3）實驗儀器：美國SOTERIX MEDICAL高精度經顱直流電刺激儀1300A型號設備、澳大利亞Smart speed靈敏測試系統、反應時測試儀。

（4）實驗方案：

① 認知任務

選擇科學合理的認知能力評價方法，是研究運動結合經顱直流電刺激對認知反應和感覺質量影響的重要組成部分。Go/NoGo任務要求受試者對Go（目標）刺激做出快速準確的反應，而對NoGo（非目標）刺激則不做出反應。這包括兩個任務：實驗任務（nogo條件）和控制任務（go條件），將“go”和“nogo”任務隨機分成三個交替的塊，每個塊由每個條件12個測試組成，持續30秒。每個30秒的激活期之后是30秒的休息期。

② Y型靈敏度試驗

反應和靈敏度測試采用Y型反應測試，結合澳大利亞SmartSpeed實時部分時間反饋系統。“Y”型設計每側5m，有一個起始門、一個觸發門和兩個結束門。每個門配備一對發射機和接收機，用于SmartSpeed段同步實時反饋系統。發射機與接收機的距離為1m，連接線與直線垂直。這是起始門和觸發門之間的線性沖刺步驟。要求受試者以最快速度進行測試，并記錄在第1段中;沖程是從觸發門到任何端門的一個方向變化階段。短跑時間記錄在第2段中。受試者通過觸發門的時間將導致請求在某個端門打開發射器。在準備好統一的出發點后，受試者可以以最快的速度通過變送器的打開端門。整個試驗包括第一節和第二節，并計算總時間。該試驗應進行六次，并記錄最小使用壽命。

③ 反應時間試驗

刺激呈現到反應開始的時間間隔稱為反應時間，是心理測試的重要指標。受試者應將手放在啟動鑰匙上，準備好在看到光或聽到聲音后立即作出反應。當按下相應的信號鍵時，響應時間停止。每個受試者應進行兩圈響應時間測試，并記錄最小值。顯示屏將顯示每次出現刺激時的響應時間和響應次數。

（5）實驗流程：

①測試人員應提前到達測試現場，并將高精度直流經顱電刺激設備、分段計時實時反饋系統的SmartSpeed靈敏度測試系統、反應池等相關設備和儀器放置在相應位置，并進行相應的鏈接、調整和同步。然后對所有設備和儀器進行測試和校準。

②由于受試者在實驗過程中需要進行快速短跑，所以他們必須均勻地穿著運動服和運動鞋，不得空腹或飽腹。

③受試者到達現場后，組長帶領受試者到執行GO/NOGO任務的實驗室，以執行通/不通任務。

④完成GO/NOGO任務后，組長帶領受試者到實驗室進行“Y”型試驗和反應時間試驗。試驗前，受試者應進行10分鐘的熱身，包括慢跑和動態伸展。

⑤進行了不同的實驗干預：隨機進行了各種類型的實驗干預，包括L-DLPFC區假刺激20min、中等強度有氧運動20min。L-DLPFC區采用20min陽極直流經顱電刺激，L-DLPFC區采用20min陽極直流經顱電刺激結合20min中等強度有氧運動。

要求：tDCS刺激的腦區為左背外側前額葉皮質區，陽極tDCS刺激參數為2mA，持續20min;假tDCS用2mA電流刺激，刺激30s后關閉電流。受試者繼續穿戴設備直到20分鐘結束。受試者被要求舒服地坐著，在刺激過程中保持安靜。中等強度的自行車運動需要盡可能控制心率，每分鐘130-140次。運動干預后，受試者的心率應恢復到靜息心率10-15分鐘。

⑥在不同的實驗干預后，立即再次執行GO/NOGO任務，測試結束后，并將所有測試數據存儲。

⑦另一組為隨機交叉盲法。所有受試者均接受4種干預試驗，包括L-DLPFC區20min假刺激、20min中等強度有氧運動、L-DLPFC區20min陽極直流經顱電刺激、L-DLPFC區20min中等強度有氧運動與陽極直流經顱電刺激。間隔48小時。

（注：a.受試者無心臟病病史，不得空腹或腹部試驗。b.如果在刺激過程中身體不適或主動要求停止試驗，應立即停止試驗。c.在數據收集前，受試者應進行3-5分鐘的低強度熱身活動和大肌肉群。d.受試者應盡量避免在試驗周內參加與反應相關的訓練，以避免干擾試驗。e.受試者不應被強迫，但需要正常飲食。）

3 結果

3.1 不同方式對“Y”型反應靈敏測試-分段一反應時間統計結果

表1顯示“Y”型反應靈敏測試-分段一反應時間指標分析。多元重復測量方差分析顯示，時間、運動與刺激之間無交互作用，刺激模式和時間有交互作用（F=10.1552，P=0.0030<0.05），意味著運動對“Y”型反應靈敏測試-分段一反應時間有顯著性影響。通過對比分析發現，對照組與運動結合電刺激組之間存在顯著性差異（P=0.0363<0.05），運動組與運動結合電刺激組之間存在顯著性差異（P=0.0079<0.05），運動組與電刺激組水平之間存在顯著性差異（P=0.0254<0.05），意味著運動會延長直線加速的時間，對LDLPFC區域施加20min的陽極刺激降低直線加速的時間。運動與電刺激結合可以降低被試直線加速的時間。

表1“Y”型反應靈敏測試-分段1 反應時間指標比較（s）

注：E+s-tDCS代表中等強度功率自行車運動結合假刺激;E+a-tDCS代表中等強度功率自行車運動結合陽極刺激;R+s-tDCS代表無運動干預結合假刺激;R+a-tDCS代表無運動干預結合陽極刺激。*代表不同干預模式下，“Y”型反應靈敏測試-分段1 后與“Y”型反應靈敏測試-分段1前相比，反應時間有顯著性差異，Plt;0.05。

3.2 實驗結果

3.2.1 針對LDLPFC區域的20min的a-tDCS的影響：

對于一致性任務，反應時間和準確率無顯著影響，但反應時間有下降趨勢。在不一致任務中，對反應時間和準確性沒有顯著影響，同時對靈敏度、反應時間和總體反應時間無顯著影響，但縮短了線性加速時間。

3.2.2 20min中等強度的有氧運動結合a-tDCS的影響：

對于一致性任務，反應時間和準確率無顯著影響，但反應時間縮短。在不一致任務中，反應時間沒有顯著影響，即使兩個拮抗劑的正確反應率都有下降的趨勢，正確反應率也沒有顯著影響，但有上升的趨勢;對靈敏度、反應時間和總反應時間無顯著影響，縮短了線性加速時間。

4 結論

本研究探討了對LDLPFC區域的a-tDCS、中等強度有氧運動、中等強度有氧運動結合對LDLPFC區域的a-tDCS三種干預方式對認知反應和靈敏素質的影響，探究以上三種干預方式對大腦興奮性產生影響的腦血流的生理機制。中等強度有氧運動、針對LDLPFC區域的a-tDCS以及二者相結合都沒有顯著提升認知功能與反應靈敏素質，中等強度的有氧運動會引起機體疲勞延長直線加速的時間，電刺激可以通過增加最大力量、爆發力以及刺激肌肉激活達到縮短線性加速時間，中等強度有氧運動聯合電刺激可以通過抑制運動引起的肌肉疲勞達到縮短直線加速的時間的作用。

（作者單位：南京體育學院）