經(jīng)顱直流電刺激對反應(yīng)能力的影響綜述

徐思佳

摘 要：完美的運(yùn)動表現(xiàn)離不開機(jī)體良好的反應(yīng)認(rèn)知功能，經(jīng)顱直流電刺激作為一種先進(jìn)的干預(yù)手段可以通過調(diào)節(jié)大腦皮層興奮性、增加突觸可塑性影響認(rèn)知能力。因此探究經(jīng)顱直流電刺激對反應(yīng)認(rèn)知能力的影響尤為重要。通過搜集國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)回顧、歸納，研究旨在總結(jié)經(jīng)顱直流電刺激的科學(xué)原理、特點(diǎn)、并重點(diǎn)探討經(jīng)顱直流電刺激反應(yīng)認(rèn)知能力的影響，用于探尋更多提高反應(yīng)認(rèn)知能力的方法，為探討運(yùn)動經(jīng)顱直流電刺激改善反應(yīng)認(rèn)知能力提供新方法和新視角。

關(guān)鍵詞：經(jīng)顱直流電刺激;認(rèn)知

良好的反應(yīng)認(rèn)知能力是取得優(yōu)異運(yùn)動成績的先決條件，在一定程度上決定運(yùn)動員的競技能力，尤其是短跑、擊劍以及乒乓球、羽毛球、籃球、排球等球類項(xiàng)目，都需要較強(qiáng)的反應(yīng)認(rèn)知能力。因此，充分挖掘運(yùn)動員反應(yīng)能力的潛能是提升運(yùn)動表現(xiàn)和競技能力的迫切需要。但是單純傳統(tǒng)抗阻訓(xùn)練對于反應(yīng)認(rèn)知能力的提升有限，因此需要運(yùn)用科技助力的手段充分挖掘。近幾年，腦科學(xué)在體育領(lǐng)域應(yīng)用及研究較為廣泛，經(jīng)顱直流電刺激作為國際上先進(jìn)的腦科學(xué)新手段，它在運(yùn)動認(rèn)知領(lǐng)域的應(yīng)用成為全球研究的熱點(diǎn)。經(jīng)顱直流電刺激最早應(yīng)用于神經(jīng)與康復(fù)領(lǐng)域，此后作為一項(xiàng)新興技術(shù)在競技體育領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)，國外對此技術(shù)應(yīng)用于體育領(lǐng)域的研究早于國內(nèi)，且已經(jīng)初步形成一定研究成果。本研究對經(jīng)顱直流電刺激在運(yùn)動能力和反應(yīng)認(rèn)知領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）

tDCS是一種非侵入性的、利用恒定、低強(qiáng)度電流（0-2mA）調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元活動的技術(shù)，其基本機(jī)制有以下幾點(diǎn)：第一是在皮層附近放置陽極電極刺激（anodal tDCS，a-tDCS）導(dǎo)致神經(jīng)元膜電位去極化，增加神經(jīng)興奮性和可塑性，而放置陰極電極刺激（cathodal tDCS，c-tDCS）使神經(jīng)元膜電位超極化從而產(chǎn)生相反的結(jié)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(qiáng)（LTP）的效果;除了改變大腦皮層興奮性和增加突觸可塑性之外，國內(nèi)卞秀玲等人[1]還總結(jié)了tDCS其他兩個作用機(jī)制，分別是改變局部腦血流和調(diào)節(jié)局部皮層和大腦網(wǎng)絡(luò)連接。tDCS技術(shù)由于其便攜、使用簡單、安全、耐受性好和經(jīng)濟(jì)性的原因受到廣泛關(guān)注，多種參數(shù)影響tDCS的效果，如刺激區(qū)域、刺激電流大小、刺激時間和刺激極性等。

2 認(rèn)知以及認(rèn)知的測試方法

認(rèn)知是認(rèn)識過程的產(chǎn)物，是指人腦加工、存儲和提取信息的能力，是人們獲得或應(yīng)用知識或?qū)庸ね饨缧畔⒋碳さ倪^程，簡單來說，即我們一般所講的智力，如觀察力、記憶力、想象力等。認(rèn)知能力與認(rèn)識過程包括對客觀事物的感知（感覺、知覺）、思維（想象、聯(lián)想、思考）密切相關(guān)，作為信息加工認(rèn)知心理學(xué)的用語，指個體接受、編碼、貯存、提取和使用信息的過程）、記憶系統(tǒng)（信息編碼、貯存和提?。?、控制系統(tǒng)（監(jiān)督執(zhí)行決定）、反應(yīng)系統(tǒng)（控制信息輸出）等4種成分構(gòu)成的模式。科學(xué)合理的認(rèn)知功能的測試方法是探究認(rèn)知能力的關(guān)鍵一步，常見的認(rèn)知功能測試方法有心理測試、近紅外光譜腦成像技術(shù)以及腦電技術(shù)等。

3 經(jīng)顱直流電刺激對反應(yīng)認(rèn)知能力的影響

tDCS作為一種非侵入性的調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元活動的技術(shù)為認(rèn)知功能研究提供一種新的檢測手段。經(jīng)顱直流電刺激作為先進(jìn)的干預(yù)手段，是一種非侵入性技術(shù)，利用恒定、低強(qiáng)度電流（0-2mA）調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元活動，造成長時程抑制（LDP）或長時程增強(qiáng)（LTP）的效果，從而改變大腦皮層興奮性和增加突觸可塑性，tDCS其他兩個作用機(jī)制分別是改變局部腦血流和調(diào)節(jié)局部皮層與大腦網(wǎng)絡(luò)連接。經(jīng)顱直流電刺激最早應(yīng)用于神經(jīng)與康復(fù)領(lǐng)域，而后由于其便攜、使用簡單、安全、耐受性好和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注成為競技運(yùn)動方面的研究熱點(diǎn)。近幾年，腦科學(xué)研究成為體育領(lǐng)域應(yīng)用的熱點(diǎn)，已有研究結(jié)果顯示，tDCS可以對力量、疲勞感受閾值、神經(jīng)肌肉疲勞等方面有增強(qiáng)和改善作用。以下專門針對經(jīng)顱直流電刺激對反應(yīng)認(rèn)知能力的影響展開探討。

Laura Dubreuil-Valla[2]等人研究發(fā)現(xiàn)與針對右側(cè)DLPFC的假或陽極 tDCS 后的非顯著變化相比，針對左側(cè)DLPFC的陽極tDCS會導(dǎo)致不一致試驗(yàn)中的反應(yīng)時間顯著降低，盡管準(zhǔn)確性在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒有顯著變化，但仍然值得肯定和注意的是，tDCS對反應(yīng)時間和準(zhǔn)確性的影響之間沒有權(quán)衡，即左側(cè)刺激后反應(yīng)時間得到顯著降低，但不以犧牲準(zhǔn)確性為代價(jià)。

Sarah Garcia[3]等人研究發(fā)現(xiàn)LDLPFC的陽極和陰極刺激會減少自我報(bào)告的焦慮，陽極刺激尤其是可以增強(qiáng)焦慮等級較高的人的執(zhí)行功能。

此外在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)陽極tDCS顯著提高了參與者的信息處理能力。比如J. Nelson等人為了探究tDCS對在高認(rèn)知負(fù)荷環(huán)境中的認(rèn)知能力，展開了針對經(jīng)顱直流電刺激對多任務(wù)處理能力的影響研究，發(fā)現(xiàn)與假tDCS相比，陽極tDCS顯著提高了參與者的信息處理能力，從而提高了反應(yīng)認(rèn)知性能。例如，假tDCS組的多任務(wù)吞吐能力在較高的波特輸入（2.0位/ s）時接近1.0位/秒，而陽極tDCS組接近1.3位/秒。這個研究結(jié)果為證明tDCS具有增強(qiáng)操作員多任務(wù)處理能力提供了新的證據(jù)，為了進(jìn)一步研究確定經(jīng)顱直流電刺激對多任務(wù)處理性能的增強(qiáng)作用提供重要依據(jù)，此后在外科手術(shù)中，利用經(jīng)顱直流電刺激增強(qiáng)腹腔鏡技術(shù)技能培訓(xùn)，或者是增強(qiáng)了手術(shù)技能的學(xué)習(xí)等逐漸成為一種趨勢。并且tDCS和fNIRS的結(jié)合正在成為一種研究神經(jīng)調(diào)節(jié)及其對皮層功能影響的日益流行和有希望的技術(shù)。Brian A[4]等人研究發(fā)現(xiàn)利用經(jīng)顱直流電刺激可以增強(qiáng)健康成年人的注意力，學(xué)習(xí)能力和3種記憶力。

tDCS可能對運(yùn)動抑制學(xué)習(xí)過程具有長期調(diào)節(jié)作用，分析顯示陽極tDCS對提高認(rèn)知任務(wù)的反應(yīng)時間和準(zhǔn)確性有很小的顯著影響，通常，參與者在主動刺激后反應(yīng)更快、更準(zhǔn)確。

在Josefien Dedoncker[5]等人對188項(xiàng)試驗(yàn)的評估表明，在健康參與者和神經(jīng)精神病患者的樣本中，陽極與假tDCS顯著縮短了響應(yīng)時間并提高了準(zhǔn)確性，特別是對于執(zhí)行功能任務(wù)，薈萃分析中包含的研究中使用的認(rèn)知任務(wù)分為三類：記憶、注意力和執(zhí)行功能。這種分類的目的是試圖減少數(shù)據(jù)的異質(zhì)性并減少錯誤。陽極與假tDCS影響了所有三個類別的認(rèn)知任務(wù)的反應(yīng)時間和準(zhǔn)確性。更具體的分析表明，陽極tDCS僅在執(zhí)行功能任務(wù)中降低了反應(yīng)時間并增加了正確反應(yīng)的百分比。在其他兩個認(rèn)知任務(wù)類別（注意力和記憶力）中，認(rèn)知功能不受陽極tDCS的影響。

Marian E與Berryhill[6]等人單次陽極tDCS在健康和神經(jīng)精神病學(xué)人群中最常應(yīng)用于DLPFC的認(rèn)知影響。在健康人群中，認(rèn)知任務(wù)通常在刺激期間“在線”進(jìn)行。在臨床人群中，情況不太一致。使用的各種研究方法使這些發(fā)現(xiàn)難以概括。 保守地說，單個陽極tDCS會話可以適度和暫時地有益于認(rèn)知表現(xiàn)。新出現(xiàn)的結(jié)果表明，參與者之間存在不同的行為影響模式，因此部分參與者可能表現(xiàn)出認(rèn)知益處，而其他參與者則沒有任何影響或損害。

根據(jù)Josefien Dedoncker[8]等人的薈萃分析研究發(fā)現(xiàn)健康參與者在針對DLPFC區(qū)域的單次a-tDCS 后對認(rèn)知任務(wù)的反應(yīng)明顯更快，但不是更準(zhǔn)確。然而，其他薈萃分析顯示了提高準(zhǔn)確性的趨勢，或者顯示 a-tDCS 對認(rèn)知沒有影響。對于這一現(xiàn)象，一些方法學(xué)上的差異可以解釋這些不一致的發(fā)現(xiàn)。

Maike Splittgerber[7]指出應(yīng)用于左背外側(cè)前額葉皮層的陽極經(jīng)顱直流電刺激可以對工作記憶（WM）表現(xiàn)和相關(guān)的神經(jīng)生理活動產(chǎn)生顯著影響。然而，先前研究的結(jié)果不一致，有時甚至相互矛盾。這種不一致可能都可以歸因于實(shí)驗(yàn)過程中的方法和個體差異。

4總結(jié)與展望

運(yùn)動與腦科學(xué)是21世紀(jì)運(yùn)動科學(xué)研究的重點(diǎn)方向之一，本研究將經(jīng)顱直流電刺激對反應(yīng)認(rèn)知能力的影響的期刊文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。雖然tDCS作為一項(xiàng)新興的科技應(yīng)用到體育領(lǐng)域的時間不長，但是在運(yùn)動認(rèn)知領(lǐng)域中的價(jià)值可見一斑。比如針對DLPFC區(qū)域的陽極tDCS可以有效提升提高受試者的反應(yīng)正確率或者是降低反應(yīng)時間，并且有效提高對多任務(wù)處理的能力，以及改善情緒和緩解焦慮等。

但是目前國內(nèi)外研究對單次tDCS是否可以提高受試者的反應(yīng)認(rèn)知能力有著不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且雖然他們已經(jīng)對相關(guān)刺激參數(shù)（如刺激區(qū)域、刺激強(qiáng)度、刺激時間）有了相對的統(tǒng)一，但還存在著研究對象范圍單一，較少考慮受試者的個體差異性（解剖變異、局部回路的組織、基礎(chǔ)功能水平、心理狀態(tài)、神經(jīng)遞質(zhì)水平和受體敏感性、基線神經(jīng)生理狀態(tài)和遺傳學(xué)）等方面問題。因?yàn)檠芯拷Y(jié)果不一，這仍然需要更多的研究來驗(yàn)證。特別是需要采用更多不同tDCS參數(shù)（如刺激區(qū)域、刺激強(qiáng)度、刺激時間等）設(shè)置。此外，除了考慮陽極電極放置位置還要注意返回電極的位置，因?yàn)榧词箤㈥枠O電極放置在相同的解剖位置上，返回電極位置的變化也可能引起電流路徑或電流密度集中的變化，從而影響tDCS的可能效果[8]。個體差異性也是不容忽視的因素。有研究總結(jié)了與tDCS反應(yīng)個體間差異相關(guān)的幾個因素，包括解剖變異、局部回路的組織、基礎(chǔ)功能水平、心理狀態(tài)、神經(jīng)遞質(zhì)水平和受體敏感性、基線神經(jīng)生理狀態(tài)和遺傳學(xué)等方面[9-11]。

因此未來的研究在注重tDCS對不同反應(yīng)認(rèn)知能力影響的同時還需要注意tDCS參數(shù)差異和個體差異，這都可能會導(dǎo)致不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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課題信息：本文系江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃資助，編號： SJCX21_0898