经颅直流电刺激在运动学习中的研究进展

张娜 北京体育大学

运动学习能力是一种与实践或经验相关的过程，对新运动技能的获得、在动态环境做出反应以及在受伤后重新学习之前的运动技能都是至关重要的。在竞技体育领域，一种新运动技能的习得和巩固要花费很长一段时间，需要经过反复练习和训练才能获得复杂的运动技能和最佳的运动表现，因此，如何最大化地增强运动表现和运动技能习得的策略研究一直是体育界研究的重点。最近，非侵入的神经调控技术受到研究者的关注，已有一系列研究证实，神经调控技术可增强患者和健康人的运动表现，并有部分研究开始用于提升运动员的竞技表现，其中与经颅直流电刺激相关的研究居多。回顾近年来与经颅直流电刺激对健康人群运动学习影响相关的国内外文献，探究影响运动学习能力因素，为后续经颅直流电刺激用于提升运动员运动学习能力进行相关的研究提供借鉴。

一、经颅直流电刺激机制

经颅直流电刺激是一种无创、安全的神经调控技术，将经颅直流电刺激仪的正、负极置于大脑头皮形成闭合回路，通过产生微弱的直流电刺激大脑皮质特定脑区，调节大脑皮质的神经活动和/或兴奋性，影响受刺激脑区的突触可塑性和大脑网络之间的功能连通性，从而对包括运动学习在内的一系列行为产生影响。研究表明，经颅直流电刺激的刺激效果具有极性依赖的特点，即经颅直流电正极刺激导致静息膜电位去极化，提高皮质兴奋性，与长时程增强有关；经颅直流电负极刺激导致静息膜电位超极化，降低皮质兴奋性，与长时程抑制有关[1]。这种神经调节技术能够在刺激结束后持续数分钟、数小时、数天，被广泛应用于临床康复中。

二、经颅直流电刺激与运动学习能力

运动学习是提高运动技能的一种相对永久性的改变，与大脑皮质的神经可塑性有关，其本质就是通过调控神经系统调节肌肉功能。近年来，经颅直流电刺激作为一种神经调控技术，因其安全、非侵入，且刺激效果持久等特点，已被用于探索对运动学习能力的影响。研究指出，经颅直流电刺激对运动学习的影响与皮质中γ-氨基丁酸浓度有关。但是，由于受到刺激参数和评价方式等因素的影响，经颅直流电刺激的干预效果不一致，以下将进一步对干预效果进行分析。

（一）刺激参数对运动学习的影响

研究发现，0.5mA的经颅直流电正极刺激运动皮质15min提高健康受试者在视觉运动任务中以及刺激结束后的任务表现[2]，同样，1mA的经颅直流电刺激双侧运动皮质20min改善运动任务表现[3]，2mA的经颅直流电正极刺激运动皮质20min，提高健康受试者离线运动学习能力[4]。但也有研究发现，在完成序列反应时任务的过程中使用经颅直流电刺激运动皮质，并不能改善运动学习任务表现[5]。此外，研究指出，经颅直流电负极刺激右侧运动皮质降低受试者在运动学习任务中完成正确序列的数量[6]。经颅直流电刺激效果由多种因素决定，其中在电流强度、持续时长、刺激时机尚以及电极极性上无确定的刺激剂量。目前常用的电流为0.5mA-2mA、持续时长为10-20min，刺激时机通常选取在线刺激和离线刺激，电极极性包括正极和负极。目前的研究较少探究经颅直流电负极刺激对运动学习的影响，其极性依赖特点在运动学习上的影响仍有待进一步验证。先前的研究也指出，经颅直流电的刺激效果与电流强度和刺激时长不一定存在正比关系，随着电流强度或者刺激时长的增加，皮质兴奋性没有呈现上升的趋势，可能由于强度过大，导致皮质兴奋性受到抑制。值得注意的是，目前研究使用的最大电流强度是4mA，尚未出现严重的不良事件，但电流强度过大可能造成皮肤灼伤，因此在设计经颅直流电刺激参数时首先要考虑安全问题。

经颅直流电刺激在长期干预效果的探索上也取得一定的成效。研究发现，在多个训练阶段应用经颅直流电刺激可进一步提高运动训练效率，对技能的掌握以及康复有潜在影响。研究发现，在连续三天的运动任务中结合1mA的经颅直流电正极刺激运动皮质20min，提高了健康受试者在学习过程中的序列手指敲击任务表现，但视觉等距按压任务仅在保留阶段表现出改善效果[7]。此外，青少年处于习得新技能的关键期，有研究发现，连续三天/五天使用1/2mA的经颅直流电刺激运动皮质20min，提高健康儿童在普渡钉板测验、Jebsen-Taylor测试和系列反应时任务中的表现，改善运动学习能力[8,9]。尽管有研究以健康青少年作为研究对象，但是青少年正处于生长发育的关键期，身体各机能趋于完善，经颅直流电刺激可能潜在影响青少年神经系统的发育，出于安全方面的考虑，经颅直流电刺激用于健康青少年的干预应谨慎安排。经颅直流电刺激的长期干预一般设置在一周三次或五次，未来研究可以延长刺激周期，设计不同的干预安排。

（二）经颅直流电刺激与其他方式相结合对运动学习的影响

研究表明，经颅直流电刺激结合其他的运动学习手段能更好提高技能习得的速度和准确性。Yamaguchi等的研究发现，当注意力集中在第一骨间背侧肌或者拇短展肌肌肉和2mA的经颅直流电正极刺激运动皮质10min相结合能提高弹道手指运动的运动学习和维持[10]。此外，结合身体练习、手指序列协调任务、运动想象、心理意象训练等对运动学习也有积极的效果。但是也有研究发现，经颅直流电刺激的这种协同增强效果存在争议，例如，当高强度运动结合经颅直流电刺激运动皮质没有提高成年人的运动学习能力[11]。研究发现，当2mA的经颅直流电正极刺激运动皮质15min时，提高健康受试者在GO/No GO任务中运动序列的速度和准确性，但是，经颅直流电刺激没有易化运动想象对序列学习的影响[12]。经颅直流电刺激通过调节神经系统功能调节运动学习，可以作为一种辅助的干预手段，缩短人们习得新技能的时间。但在与其他手段相结合时要考虑两者的安排顺序和参数设置。

（三）刺激脑区对运动学习的影响

有研究发现，运动皮质、背外侧前额叶皮质和小脑均参与运动学习。运动皮质作为自主运动的最后通路，在运动学习中发挥重要作用，已有多项研究以运动皮质作为靶区进行了深入探索。最近的研究发现，经颅直流电刺激背外侧前额叶皮质或者小脑也能够提高健康成年人在运动学习任务中表现，缩短技能习得的时间。前额叶被认为是负责认知的重要脑区，经颅直流电刺激前额叶提高运动学习能力与前额叶皮质活动影响其他脑区的皮质兴奋性有关；而小脑负责姿势控制、平衡以及精细动作的完成，经颅直流电刺激小脑提高运动学习能力与运动学习网络的活动和连接有关。此外，研究发现，2mA的经颅直流电刺激运动皮质或小脑20min，表现出不同干预效果，即小脑经颅直流电刺激能够提高在线学习效果，而运动皮质经颅直流电刺激能提高短期离线学习效果[13]。经颅直流电同时刺激左侧大脑运动皮质和背外侧前额叶皮质能提高健康大学生长期离线学习能力[14]。运动皮质、前额叶、小脑三者在运动技能习得的过程中扮演了不同的角色，未来的研究需要进一步探索三者在运动学习中的作用，建立多脑区协同干预方式，为提高运动学习提供新思路。

三、研究结论与展望

经颅直流电刺激能够提高健康人群的运动学习能力，但是刺激效果受多种因素影响包括：电流强度和持续时长、电极极性、干预时机、人群特征和不同刺激脑区等等，导致研究结果存在一定的差异。在使用过程中，电流强度应是首先要考虑的问题，过大的刺激强度可能导致受试者皮肤灼伤，此外针对不同的人群刺激参数也有所差异。当前的研究主要集中在健康人群，对精英运动员运动学习能力提升的研究相对较少，未来在借鉴干预健康人群研究方法的基础上，设计适用于运动员的刺激参数，并结合专项技术动作，用于运动员的专项练习中，提高运动技能习得的速度和准确性。而对于经颅直流电刺激提高运动学习能力的内在机制尚不明确，未来结合神经影像学相关仪器，探索其内在的发生机制，明确不同脑区对运动学习各部分的影响。进一步结合以往用于提高运动学习能力的干预方式，探索他们之间是否真的具有协同增效的效果以及如何实现这种增强效应。