基于神經啟動技術的急性經顱直流電刺激對運動員體能表現的影響

周喆嘯

(寧波大學 體育學院，浙江 寧波 315211)

體能表現，泛指完成某項運動技能或復雜動作任務時，在神經系統的精準支配下，協調、快速、高效調動平衡、力量、速度等素質，以最優化模式展示人體的運動能力，是運動員專項競技能力提高、優異運動成績獲得的重要因素[1]。傳統觀點認為，提高運動負荷是激發體能表現水平的重要途徑，例如聚組訓練、復合式訓練、激活后增強效應及神經整合訓練等方法[2]，其思路均是高負荷與多訓練模式組合，誘導機體潛能，但其負面作用也顯而易見，運動員長期大強度訓練，易引起運動損傷。近些年，隨著科技水平的突飛猛進，“科技精準助力競技體育”，已逐漸在體育科研、運動實踐中蓬勃開展，其中最引人注目的是“經顱直流電刺激”。

經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)，是一種非侵入性、無創傷性腦刺激技術(也稱“神經啟動技術”)[3]。通過低強度電流作用于特定腦區，引起電場變化促使神經元發生去極化或超極化，進而興奮或抑制大腦特定區域，促進神經元沖動同步化發放、增加突觸可塑性與腦血流量、調節局部皮質及大腦網絡連接等功能[4]。

近幾年，tDCS 應用于運動科學領域的研究趨于增多，多數研究結果表明tDCS 對提升運動能力具有積極作用。⑴促進運動技能獲得、延緩運動疲勞。由于初級運動皮層(M1 區)參與了技能習得階段和早期鞏固階段的內隱運動學習，電刺激M1 區能夠顯著提升動作學習效率，促進運動技能的獲得和保持[5]。a-tDCS(陽極刺激)通過提升運動皮層的興奮性，降低中樞神經的疲勞反應[6]，受試者完成力竭運動任務的時間明顯延長。⑵增強力量素質、優化靈敏與平衡。右側運動皮質區實施陽極刺激，顯著提高肘關節伸肌耐力[7]。刺激右下額葉皮層可提高知覺敏感與反應偏差，加速個體對復雜檢測任務的學習進程[8]；改善閉眼站立時的姿勢穩定性，增強應對復雜運動的姿態調整能力[9]。

盡管tDCS 應用于運動領域已存在一定數量的研究，當測試人群為運動員時仍存在以下問題：⑴針對運動員的研究結果呈現兩極化。一類研究發現，電刺激后運動能力沒有顯著提高[10]，甚至是下降[11]，其解釋為運動員長期進行運動訓練，“天花板效應”愈加明顯，進一步提升的空間很小。另一類研究認為，由于運動員具有較好的神經肌肉痕跡保持經驗，可以將電刺激后所獲得的急性痕跡效應遷移至運動過程中，通過影響動作技能的高質量重現、優化神經肌肉調控機制，間接提高體能表現[12]，但此方面仍需進一步驗證。⑵簡單運動任務居多。以單關節[13]、單平面[14]、肌肉近端固定收縮形式[15]的簡單測試任務居多，干預前后測試分數確有提高，但是這些受控制的、偏靜態的測試動作與運動實際中的多維平面、運動速度以及肌肉收縮機制等因素偏差較大、重疊效果較差。⑶刺激效果的延續性特征不夠穩定。多數研究發現tDCS 刺激前后存在顯著差異，隨著時間延長其激活效果逐漸消退至干預前[16]。個別研究發現，電刺激后其效果可保持大約1 h，但此類研究較少，對運動員而言，無論是日常訓練或運動競賽，長時間保持最佳運動狀態是客觀需求。

綜上所述，經顱直流電技術具有無創、高效、易操作等特點，增強大腦與肌肉的聯結，提升肌肉工作效率，強化人體多種運動能力。但是，當測試主體為運動員時仍存在以上問題，故本研究重點如下：選擇接近運動實際需求的、多維運動平面的、多關節參與的復雜測試任務時，經顱直流電刺激技術能否對運動員體能表現產生較為全面的急性作用，以及此效果的時效延續特征。為進一步豐富電刺激技術運用至競技體育的相關研究，科技助力運動員訓練與競賽，精準、有效提升體能表現水平，以及同行學者開展此方面研究提供可借鑒的依據。

1 測試對象與方法

1.1 測試對象

通過G*Power 3.1.9 軟件，設置樣本計算參數(ES=0.25、α=0.05、Power=0.9)，計算出所需樣本量為24 人，故本研究招募24 名男性大學生運動員(運動項目為田徑、健美操、籃球及網球；運動水平為國家健將或國家一級)。受試者基本信息：年齡(21.14±1.09)歲、身高(1.78±0.09) m、體重(71.30±13.04) kg、BMI(22.35±2.26) kg/m2。所有受試者身體狀況良好，腦部沒有疾病史，不存在皮膚過敏、體內金屬植入等經顱直流電刺激禁忌癥；實驗前24 h 內未從事劇烈運動，實驗前4 h 內未攝入含酒精或咖啡因等具有興奮作用的飲料。實驗方案通過寧波大學體育學院倫理委員會審批(批準號：TY2022026)，受試者在實驗前均已知曉測試的基本流程與注意事項，自愿參加本研究并簽署知情同意書。

1.2 試驗方法

1)干預內容與實施步驟。

(1)干預內容：采用DC-STIMULATOR 多通道經顱直流電刺激儀(德國，Neuroconn)，依據國際10-20 系統國際標準電極放置法以及Brodmann 腦部皮層分區，對真刺激組受試者腦部C3、C4 區放置陽極電極，以覆蓋雙側初級運動皮層(primary motor cortex，M1)，陰極電極置于兩側肩膀[16]。靜坐狀態下，接受2 mA 電流、持續20 min 的電刺激干預。為避免安慰劑效應以及驗證電刺激效果，安排假刺激組，電流強度、刺激時間及電極片位置與真刺激組相同，但在干預30 s 后未告知受試者的情況下關閉儀器。干預過程中，若受試者感覺到任何腦部不適或其他異常反應，立即停止刺激。所有經顱直流電刺激操作均由同一試驗人員完成。

(2)實施步驟：①干預前，受試者先進行10 min 中等強度熱身(7 km/h 慢跑)，以及對全身大肌肉群進行拉伸與激活，達到最佳狀態、避免運動損傷。然后，體能表現能力測試(具體內容見下文“2)測試指標”)，將測試結果作為此項指標的基準值。②干預中，隨機安排電刺激干預(具體操作見“(1)干預內容”。③干預后，受試者在0、10、20、30、40 min 時間點依次進行與前測指標相同的體能表現任務評估，每個時間點采集3 次數據(間隔0.5～1 min)，記錄最佳值。具體實施流程見圖1。

圖1 實施階段與流程

(3)注意事項：①為避免測試負荷累積對受試者機能狀態的影響以及客觀探尋刺激類型(真刺激或假刺激)對受試者不同體能表現指標的作用，每兩次電刺激干預之間的洗脫期為48～72 h[17]，且每次只安排一種電刺激類型及一種體能表現能力測試，刺激類型與測試指標均是隨機抽簽決定。②每次測試時間均安排在15:00-17:00，且所有測試內容均在實驗室內完成。

2)測試指標。

體能表現，由基礎體能表現與專項體能表現構成，考慮到專項體能表現對測試場地、器材具有一定要求，不同專項教練或學者對專項體能表現側重點不一致，缺乏較為公認的測試指標，故本研究選擇適宜在實驗室測評、不可控因素較少且能夠量化的基礎體能表現測試指標。盡管沒有專項體能表現指標，但前者是后者順利發展的必要條件，決定了專項體能表現的上限，相當于金字塔模型中“塔基”對于“塔尖”的重要性，因此基礎體能表現指標也具有一定代表性。具體指標參考美國國家體能協會“Essentials of Strength Training and Conditioning(4th Edition)”推薦的運動能力經典測試內容[1]，分別為“平衡穩定”“靈敏反應”“變向敏捷”“肌肉爆發”4 個方面，具體測試指標如下：

(1)平衡穩定能力測試。YBT(Y-Balance Test)功能性測試器材，采集下肢在3 個方向伸出的最遠距離綜合值，評價受試者的動態平衡能力[18]。測試要求：受試者左腳裸足站立在YBT 測試套件上，左腳拇趾在中心橫線后對準正前方，身體正直、雙手叉腰，右腳腳趾抵住滑塊，盡力向正前、后內、后外3 個方向伸出(見第141 頁圖2)；同一個方向上連續測試3 次，取最優值(數值精確到0.5 cm)。左腿測試值=(正前+后外+后內)/(3 倍腿長)×100。右腿測試同理。

圖2 “YBT”測試步驟示意

(2)靈敏反應能力測試。靈敏反應測試系統(西班牙，Pavigym 3.0)，由墻面無線反應區域組成，通過選擇不同測試模塊運行指定程序，采集受試者快速、準確完成運動任務的總時間，實時獲取數據，精準反饋靈敏反應水平。測試要求：受試者雙腳開立、半蹲姿態，站于靈敏墻前；控制系統倒計時結束即刻，墻面九宮格的屏幕指示燈隨機亮起25 次，受試者以最快速度連續觸碰屏幕(只能使用手掌觸碰)，最后一次觸碰結束即刻控制系統計時終止。結果輸出以完成25 次正確觸擊的總時間計算，單位為s。

(3)變向敏捷能力測試。“T”形移動變向跑，運動員在前后、左右長度9.2 m 距離內，利用向前加速、減速制動，左右滑步及后退步等動作完成跑動變向敏捷測試。“T”形跑單次測試時長小于12 s，可以有效反映運動員的急停急起與變向速度[19]。測試要求：首先，受試者在起點向前直線加速，雙腿交替下壓擺動、發力蹬地，接近標志物后，具有明顯的減速制動動作；然后，側滑步向左右方向移動；最后，采用后退跑步伐返回起點。跑動過程中，測試者只能利用加速或減速動作，橫向滑步、倒向后退動作，完成所有運動路徑，且軀干前側始終面朝正前方。測試結果以實際完成時間計算，精確到0.01 s。

(4)肌肉爆發能力測試。Kistle 測力臺(瑞士，Kistle)，采樣頻率500 Hz，受試者在測力臺上完成反向動作跳躍(Counter Movement Jump，CMJ)，CMJ 可以有效評價肌肉短時間內快速收縮時的發力能力以及峰值輸出功率[20]。測試要求：受試者雙手叉腰，抬頭挺胸，目視前方，雙腳與肩同寬、踩在測力臺上；聽到信號后，由直立位開始下蹲至最低位，隨后迅速反向垂直跳起，避免向前后、左右跳躍；騰空階段保持伸膝狀態，著地前切勿勾腿，落地后穩定站立3 s 后結束本次動作。采集指標為：縱跳高度(cm)、峰值功率(W/kg)。

1.3 數理統計法

運用SPSS 26.0 統計學軟件對測試數據進行分析，采用電刺激模式(真刺激、假刺激)×測試時間點(基準、0、10、20、30、40 min)重復測量方差分析方法，評估真刺激組與假刺激組，在不同時間點完成平衡穩定、變向敏捷、靈敏反應等體能表現指標的變化情況。統計分析過程中若出現顯著的主效應或交互作用，Bonferroni 方法進行事后兩兩比較分析。采用Greenhouse-Geisser 對不滿足球形檢驗的統計量進行修正，顯著水平α設為0.05。效應量用表示，低效應(0.01～0.09)、中效應(0.09～0.25)、高效應(＞0.25)[11]。

2 結果與分析

2.1 tDCS 對平衡穩定能力的影響

右側下肢動態平衡(結果見圖3)，刺激類型與測試時間點交互作用顯著(F(5,115)=25.332，P＜0.001，測試時間點簡單效應，真刺激組：基準值顯著低于0 min(P=0.005)、10 min(P=0.006)、20 min(P=0.003)、30 min(P=0.012)及40 min(P＜0.001)；40 min 顯著高于0 min(P=0.009)、10 min(P=0.039)、20 min(P=0.003)。假刺激組：基準值顯著高于10 min(P=0.023)、20 min(P=0.01)、30 min(P=0.001)、40 min(P=0.003)。刺激類型簡單效應，真刺激顯著高于假刺激，在0 min(P=0.001)、10 min(P=0.003)、20 min(P=0.001)、30 min(P=0.006)、40 min(P＜0.001)。

圖3 真刺激與假刺激組動態平衡能力的變化趨勢

左側下肢動態平衡(見圖3)，刺激類型與測試時間點交互作用顯著(F(5,115)=36.284，P＜0.001，測試時間點簡單效應，真刺激組：基準值顯著低于0 min(P=0.002)、10 min(P=0.001)、20 min(P=0.002)、30 min(P=0.002)、40 min(P=0.001)；0 min 顯著低于10 min(P=0.035)、20 min(P=0.029)、30 min(P=0.048)、40 min(P=0.015)；40 min 顯著高于10 min(P=0.014)、20 min(P=0.045)。假刺激組：基準值顯著高于0 min(P=0.009)、10 min(P=0.008)、20 min(P=0.040)、30 min(P=0.010)、40 min(P=0.001)；30 min 顯著低于0 min (P=0.048)、10 min(P=0.044)；40 min顯著低于0 min(P=0.006)、10 min(P=0.013)。刺激類型簡單效應，真刺激顯著高于假刺激，在0 min(P=0.003)、10 min(P=0.005)、20 min(P=0.005)、30 min(P=0.005)、40 min(P=0.001)。

2.2 tDCS 對靈敏反應及變向敏捷能力的影響

靈敏墻測試(結果見圖4)，刺激類型與測試時間點交互作用顯著(F(5,115)=7.556，P＜0.001，測試時間點簡單效應，真刺激組：基準值顯著慢于0 min(P=0.016)、10 min(P=0.011)、20 min(P=0.003)、30 min(P=0.020)、40 min(P=0.021)；假刺激組各時間點均無顯著差異(P＞0.05)。刺激類型簡單效應，真刺激顯著快于假刺激，在10 min(P＜0.001)、20 min(P＜0.001)、30 min(P=0.003)及40 min(P=0.011)。

圖4 真刺激與假刺激組靈敏反應、變向敏捷能力的變化趨勢

T 形變向跑動測試(結果見圖4)，刺激類型與測試時間點交互作用顯著(F(5,115)=10.682，P＜0.001，測試時間點簡單效應，真刺激組：基準值顯著慢于10 min(P=0.012)、20 min(P=0.004)、30 min(P=0.004)及40 min(P=0.001)，20 min 顯著快于0 min(P=0.015)；假刺激組各時間點均無顯著差異(P＞0.05)。刺激類型簡單效應，真刺激顯著快于假刺激，在10 min(P=0.038)、20 min(P=0.009)、30 min(P=0.009)、40 min(P=0.007)。

2.3 tDCS 對肌肉爆發能力的影響

縱跳高度測試(結果見圖5)，刺激類型與測試時間點交互作用顯著(F(5,115)=5.966，P=0.001，測試時間點簡單效應，真刺激組：基準值顯著低于10 min(P=0.027)、20 min(P=0.005)、30 min(P=0.049)及40 min(P=0.013)；假刺激組各時間點均無顯著差異(P＞0.05)。刺激類型簡單效應，真刺激顯著高于假刺激，在0 min(P=0.029)，10 min(P=0.042)，20 min(P=0.018)，30 min(P=0.030)及40 min(P=0.047)。

圖5 真刺激與假刺激組縱跳高度、峰值功率的變化趨勢

峰值功率測試(結果見圖5)，刺激類型與測試時間點交互作用顯著(F(5,115)=6.163，P=0.001，測試時間點簡單效應，真刺激組：基準值顯著低于0 min(P=0.010)、10 min(P=0.041)、20 min(P=0.019)、30 min(P=0.016)及40 min(P=0.049)；假刺激組各時間點均無顯著差異(P＞0.05)。刺激類型簡單效應，真刺激顯著高于假刺激，在0 min(P=0.002)，10 min(P=0.009)，20 min(P＜0.001)，30 min(P＜0.001)及40 min(P=0.005)。

3 討論

從研究結果可知，經顱直流電刺激后，真刺激組在平衡穩定、靈敏反應、敏捷變向及肌肉爆發方面要優于干預前，較假刺激組也存在顯著差異，且呈現出一定的效果延續特征，表明經顱直流電技術(簡稱tDCS)可以應用于運動員的體能表現促進方面。

以往研究主要關注tDCS 對非運動員群體或人體基本運動能力的作用效果，其測試指標與運動員實際需求相差較遠，未考慮到測試結果在真實訓練環境中的適應性。針對此問題，本研究所選測試指標均來自運動員日常訓練內容或體能水平經典評測項目，從而保證了測試結果的實踐性與應用性價值。平衡穩定指標，同類型研究主要針對靜態平衡[21]，而本研究側重動態平衡，動態平衡是預防下肢運動損傷、能量有效輸出及技能精準表達的前提，更加符合運動實際中機體在非穩環境下抵抗外力干擾的姿態調控情況。靈敏反應與敏捷變向指標，以往研究僅是觀察tDCS 對某一個方面的作用效果，例如反應時、跑動速度等[22]，而真實競賽情景中運動員既需要滿足耗時短、重復多、準確率高等要求，還需兼備迅速、協調地變化身體的空間位置與運動方向的能力，其綜合呈現價值遠高于單一方面的結果輸出。本次選擇的靈敏墻連續敲擊測試與T 形跑動測試，前者將反應時、準確度及重復次數進行融合，后者將高速奔跑與急停變向進行結合，較高程度還原了運動員的臨場動作展現情況，貼近真實運動環境。

盡管tDCS 可以對運動員的體能表現產生作用，但這僅是干預后的結果呈現，更需要透過現象抓住本質，對影響外在結果的內在機制進行探討。此外，國內對tDCS 的研究仍處于初期探索階段，應用前景廣闊，未來定會涌現tDCS 干預運動表現的相關研究，但后續研究的成功開展必須建立在清晰的理論機制之上。

本研究與同類型研究在測試結果方面存在異質性：(1)肌肉爆發方面，Grosprêtre 等[23]與Romero 等[24]研究發現受試者tDCS 干預后，無論在水平跳躍或垂直跳躍測試中，均沒有顯著提高甚至出現下降。而本研究發現，tDCS 可以對反映下肢蹬伸爆發能力的騰空高度、峰值功率產生積極作用，與前人研究結果不一致。其原因是以往研究中選擇的腦部刺激區域為背外側前額葉皮層，前額葉區主導功能是執行與判斷，雖然與感覺、運動皮層具有聯系，但主要調節注意力、思維及行動，對人體運動能力的刺激效果遠不如M1區。(2)效果保持方面，目前，針對tDCS 的時效性結果并不一致，Ardolino 等[25]與Kaminski 等[26]認為9～20 min陽極刺激，運動皮層興奮性長達1 h，平衡能力維持可以長達24 h。但是，仍有研究發現延續效果較差，刺激效果會隨著時間延長逐漸減弱[27]。而本研究發現受試者在tDCS 后所獲得的干預效果可以保持至刺激后40 min。其原因可能為以下兩點：第一，經典運動能力衰減學說——運動能力下降為能源物質耗竭與機體疲勞累積雙重影響。但Berthelot 等[28]發現，運動員自我主觀疲勞“誤判”的強烈認知輸出，也會導致運動能力下降，即“暗示”機體已經“高度疲勞”應該“出現”能力下降。而tDCS 通過提升島葉皮層或顳葉的神經元活性，調高主觀疲勞閾值[29]，間接降低運動員的疲勞認知敏感性，使機體保持較長時間的效率輸出。第二，tDCS 后人體內分泌機制的變化，神經元靜息膜電位進行閾上電刺激，鈣離子通道的數量和活性增加，間接誘導谷氨酸能系統中參與突觸可塑性形成的N-甲基天冬氨酸受體活化[5]，從而產生長時程電位增強，誘導出較為持久的后效應。

研究局限及展望：耐力素質也是運動員體能表現的內容之一，但考慮到耐力素質測試周期較長，以及長耗時會消磨受試者的配合程度，無法真實反映耐力素質在干預后的急性變化情況，故本研究沒有涉及耐力素質指標。望未來同領域學者，能夠進一步探究tDCS 對耐力素質的作用效果。

綜上所述，大腦皮層雙側M1 區經顱直流電刺激，可對運動員動態平衡、靈敏反應、敏捷變向及肌肉爆發等體能表現產生作用，具有見效快、時效長等特點，可考慮將其應用至運動員的訓練實踐或競賽過程中。