經(jīng)顱脈沖電刺激對(duì)不同訓(xùn)練任務(wù)后運(yùn)動(dòng)員疲勞感及大腦皮層局部血流的影響

申陽(yáng)陽(yáng)，劉 建，武慶昌，婁 虎

（南通大學(xué) 體育科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226019）

非侵入性腦刺激是通過(guò)對(duì)大腦特定區(qū)域施加一定強(qiáng)度的電流刺激，從而調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)活動(dòng)的一種神經(jīng)刺激技術(shù)（王開元 等，2019）。近年來(lái)，由于非侵入性腦刺激具有無(wú)創(chuàng)、安全等優(yōu)點(diǎn)，使得該技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域（卞秀玲 等，2018）。便攜式經(jīng)顱脈沖電刺激儀（transcranial pulsed current stimulation，tPCS）是一種非侵入性腦刺激技術(shù)，采用可變頻率、強(qiáng)度等選擇性激活內(nèi)啡肽和皮質(zhì)神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控（Lebedev et al.，2002）。由于tPCS 能夠進(jìn)行大腦深部刺激，改變內(nèi)啡肽分泌，從而可能對(duì)提升某些運(yùn)動(dòng)相關(guān)的功能具有潛在應(yīng)用價(jià)值。但與經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）成果相比，tPCS 的研究還有較大空間。

實(shí)際上，tPCS 已經(jīng)被認(rèn)為是一種有前途的臨床康復(fù)治療技術(shù)。有研究表明，tPCS 是一種安全的干預(yù)措施，可用于治療抑郁、焦慮、疼痛障礙等臨床疾病，也可用于改善帕金森病患者的步態(tài)平衡等康復(fù)治療（Alon et al.，2012；Kirsch et al.，2000）。近年來(lái)有研究將tPCS 應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中，用于緩解運(yùn)動(dòng)員疲勞，已有研究從血液指標(biāo)、行為學(xué)指標(biāo)、主觀問(wèn)卷等維度證實(shí)了tPCS 緩解運(yùn)動(dòng)員疲勞的有效性（Fudin et al.，2019）。

疲勞是所有運(yùn)動(dòng)員必須面對(duì)的問(wèn)題，加速疲勞恢復(fù)是提高訓(xùn)練質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。疲勞研究中既需要關(guān)注肌肉力量的減弱，也需要注意疲勞感的產(chǎn)生（Giulio et al.，2006）。運(yùn)動(dòng)所誘發(fā)的疲勞感被認(rèn)為是疲勞產(chǎn)生和恢復(fù)系統(tǒng)的關(guān)鍵，它源于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng)由于激活水平變化導(dǎo)致潛意識(shí)表征間的時(shí)間差異，這些不匹配被大腦中產(chǎn)生意識(shí)的結(jié)構(gòu)感知為疲勞感（Gibson et al.，2003）。但在以往的疲勞恢復(fù)研究中，多聚焦于肌肉疲勞或心理疲勞的恢復(fù)，而疲勞感恢復(fù)是一個(gè)被廣泛提及，卻較少研究的現(xiàn)象（Ishii et al.，2019）。

運(yùn)動(dòng)員疲勞感可能是一個(gè)復(fù)雜的心理覺察，代表維持一定水平運(yùn)動(dòng)行為的神經(jīng)性努力，而不是實(shí)際動(dòng)作所產(chǎn)生的身體感覺。Swart 等（2012）區(qū)分了運(yùn)動(dòng)中的這2 種疲勞現(xiàn)象，指出運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的疲勞感不僅是基于由運(yùn)動(dòng)引起的生理變化，也是由大腦對(duì)運(yùn)動(dòng)的評(píng)估后所做出的系統(tǒng)反應(yīng)，即疲勞與個(gè)體的主觀判斷有關(guān)，也與大腦的狀態(tài)有關(guān)。因此，可以采用疲勞的主觀問(wèn)卷和監(jiān)測(cè)腦部血流活動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員疲勞感進(jìn)行評(píng)估。主觀疲勞量表（rating of perceived exertion，RPE）是一種主觀評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)疲勞的評(píng)估手段，常在運(yùn)動(dòng)疲勞研究中使用，具有經(jīng)濟(jì)、便捷、高效的優(yōu)點(diǎn)（何志金 等，2021）。功能性近紅外光譜技術(shù)（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）是近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)非侵入光學(xué)測(cè)量方法，在腦組織中，主要的近紅外光吸收體是氧合血紅蛋白（Oxy-Hb）和脫氧血紅蛋白（Deoxy-Hb）（劉佳寧 等，2020）。目前，fNIRS 已用于體育研究領(lǐng)域，包括對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的神經(jīng)加工（Khan et al.，2018）；運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中的肌氧監(jiān)測(cè)、腦氧監(jiān)測(cè)（Chang et al.，2017）；運(yùn)動(dòng)疲勞、運(yùn)動(dòng)認(rèn)知領(lǐng)域的腦機(jī)制研究等（蔣長(zhǎng)好，2010）。

對(duì)不同的訓(xùn)練任務(wù)，fNIRS 研究常采用不同的興趣腦區(qū)（region of interest，ROI）探討局部血流的情況。在體力任務(wù)的研究中，有研究發(fā)現(xiàn)，體力任務(wù)后運(yùn)動(dòng)皮層的氧合水平顯著增加（Shibusawa et al.，2010；Shibuya et al.，2006，2007）。而注意、記憶、執(zhí)行、計(jì)算等高級(jí)認(rèn)知能力與前額葉皮層氧合血紅蛋白濃度密切相關(guān)（林無(wú)忌等，2021；王莉 等，2019）。在體力與認(rèn)知的混合任務(wù)研究中，通常興趣腦區(qū)包括與感覺系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和自主系統(tǒng)等相關(guān)的腦區(qū)。Nielsen（2002）認(rèn)為，需要體力與認(rèn)知混合的任務(wù)，ROI 與初級(jí)感覺皮層、初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層和輔助運(yùn)動(dòng)皮層的激活有關(guān)。而Thornton 等（2001）發(fā)現(xiàn)，ROI 為右背外側(cè)前額葉和右側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層被激活。王碧天（2017）對(duì)駕駛行為的研究結(jié)果顯示，駕駛員為了完成混合任務(wù)，需要多個(gè)腦區(qū)的協(xié)同作用，而任務(wù)態(tài)的駕駛?cè)蝿?wù)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于保持駕駛員大腦前額葉區(qū)和運(yùn)動(dòng)區(qū)2 部分腦區(qū)的活躍。

綜上，本研究體力任務(wù)的ROI 為頂葉，認(rèn)知任務(wù)的ROI 為前額葉，混合任務(wù)的ROI 為頂葉和前額葉，通過(guò)RPE 和fNIRS 進(jìn)行測(cè)量，探討體力任務(wù)、認(rèn)知任務(wù)、混合任務(wù)后，tPCS 干預(yù)對(duì)運(yùn)動(dòng)員疲勞感及前額葉、頂葉局部血流的影響。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)共招募30 名大學(xué)生運(yùn)動(dòng)員參加訓(xùn)練，為提高分組后2 組被試的同質(zhì)性，第一次訓(xùn)練后將RPE 得分相同或相近的被試隨機(jī)分為真、假刺激組。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，個(gè)別被試出現(xiàn)未達(dá)到疲勞即要求停止實(shí)驗(yàn)的情況，因此，為確保被試有一定的疲勞感，排除RPE 評(píng)分低于5 的被試（第1 次訓(xùn)練后排除2 人，第2 次訓(xùn)練后排除4 人，第3 次訓(xùn)練后沒(méi)有被試排除），最終共24 名被試完整的參加了全部實(shí)驗(yàn)。真刺激組12 名被試［男性8 名，女性4 名；平均年齡（20.67±0.65）歲；平均訓(xùn)練年限（4.17±0.72）年］，假刺激組12 名被試［男性8 名，女性4 名；平均年齡（20.50±0.80）歲；平均訓(xùn)練年限4.08±0.67）年］。

所有被試均無(wú)任何神經(jīng)或精神疾病史以及其他運(yùn)動(dòng)功能障礙疾病，且均為右利手。實(shí)驗(yàn)前告知實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求被試能明確理解實(shí)驗(yàn)過(guò)程。2 組被試的男女比例、年齡、訓(xùn)練年限均無(wú)顯著差異（＞0.05）。所有被試均在實(shí)驗(yàn)前簽署了知情同意書，本研究通過(guò)南通大學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)［通大倫審（2020）1 號(hào)］。

1.2 訓(xùn)練任務(wù)

本實(shí)驗(yàn)共分為3 種訓(xùn)練任務(wù)：體力任務(wù)、認(rèn)知任務(wù)和混合任務(wù)。基于實(shí)驗(yàn)前對(duì)專業(yè)運(yùn)動(dòng)員、教練員的訪談，結(jié)合實(shí)際的訓(xùn)練任務(wù)，專業(yè)運(yùn)動(dòng)員可能既存在體力誘發(fā)的疲勞又存在認(rèn)知誘發(fā)的疲勞。因此，本研究選擇體力、認(rèn)知與混合3 種訓(xùn)練任務(wù)。體力任務(wù)要求被試在室內(nèi)進(jìn)行跑臺(tái)訓(xùn)練，女生以7 km/h 開始，男生以8 km/h 開始，遞增幅度為1 km/2 min，保持水平坡度不變。隨負(fù)荷增加，被試主觀感覺很疲勞并已盡最大能力即停止訓(xùn)練（陶?qǐng)?jiān)等，2014）。認(rèn)知任務(wù)要求被試完成心算（20 min）與腦筋急轉(zhuǎn)彎/謎題（20 min），為避免被試手動(dòng)的干擾，全程由同一名實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行輔助操作，被試只需口頭回答（Klaassen et al.，2013，2016）。混合任務(wù)要求被試在跑臺(tái)訓(xùn)練的同時(shí)加以心算與腦筋急轉(zhuǎn)彎任務(wù)。

實(shí)驗(yàn)中被試均參與3 種訓(xùn)練任務(wù)，為避免前一任務(wù)的累加實(shí)驗(yàn)效應(yīng)，在3 種訓(xùn)練任務(wù)之間各進(jìn)行48 h 間隔。因此，在被試參與全部實(shí)驗(yàn)任務(wù)的情況下，可確保3 種實(shí)驗(yàn)任務(wù)相對(duì)獨(dú)立（王建凱 等，2020；夏忠梁，2014）。

1.3 實(shí)驗(yàn)工具

1.3.1 fNIRS

采用Brite 便攜式無(wú)線近紅外腦成像系統(tǒng)（Artinis 公司，荷蘭），監(jiān)測(cè)被試相應(yīng)腦區(qū)血氧信號(hào)。Brite 共有10 個(gè)發(fā)射器（Tx），每個(gè)發(fā)射器發(fā)射2 個(gè)波長(zhǎng)（760 nm 與850 nm），8 個(gè)探測(cè)器（Rx），采樣率為50 Hz。

fNIRS 測(cè)試后，使用3D 定位儀（FASTRAK，Polhemus，美國(guó)）與概率配準(zhǔn)方法將fNIRS 通道位置與MNI 空間坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，獲得與布魯?shù)侣謪^(qū)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系（表1）。

表1 體力任務(wù)通道布局與布魯?shù)侣謪^(qū)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between Physical Task Channel Layout and Brodmann Area

1.3.2 經(jīng)顱脈沖電刺激儀

采用項(xiàng)目組研發(fā)的運(yùn)動(dòng)員經(jīng)顱脈沖電刺激儀，額部正中位置放置1 片面積為5 cm×9 cm 的電極片，左右兩耳乳突處放置2 片面積均為5 cm×5 cm 的電極片，布局方案參考Lebedev 等（2001，2002）研究。脈沖波形為方波，雙向脈沖，占空比29.7%，脈沖頻率60～80 Hz，電流強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍0～2 mA，最大電壓20 V。儀器已通過(guò)深圳華通威國(guó)際檢驗(yàn)有限公司（具有CMA、ilac-MRA、CNAS 質(zhì)量檢查資質(zhì)）的全項(xiàng)目檢驗(yàn)（報(bào)告編號(hào)CHTSM21040050-52），獲得安全認(rèn)證。

1.3.3 RPE問(wèn)卷

采用RPE 的10 級(jí)量表，RPE 評(píng)分越高表示自覺運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度越高，5 分表示主觀上開始感到費(fèi)力（Borg，1988）。

1.4 干預(yù)方案

本實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)隨機(jī)雙盲實(shí)驗(yàn)，tPCS 由能夠操作且未參與本研究的人員管理，被試不知曉刺激類型。刺激強(qiáng)度和調(diào)節(jié)過(guò)程參考Cespón 等（2019）、Marceglia 等（2016）研究方案。真刺激條件開始時(shí)，操作人員在30 s 內(nèi)將電流從0 mA 逐漸增加至1.5 mA，持續(xù)15 min。在刺激結(jié)束時(shí)，電流在30 s 時(shí)間內(nèi)自動(dòng)下降到0 mA。為避免安慰劑效應(yīng)，對(duì)照組進(jìn)行假刺激，假刺激條件使用與真刺激相同的刺激時(shí)間、電流強(qiáng)度和電流加速過(guò)程，但在電流初始加速過(guò)程之后，操作人員將電流重新調(diào)整為0 mA。整個(gè)刺激過(guò)程中，當(dāng)被試感覺到由刺激引起的任何不舒服感覺時(shí)，立即停止刺激。每次刺激結(jié)束后，被試若有任何不適感及時(shí)向?qū)嶒?yàn)人員反饋并記錄。

1.5 實(shí)驗(yàn)流程

在體力任務(wù)實(shí)驗(yàn)中，所有被試進(jìn)行體力訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)束后對(duì)2 組被試Oxy-Hb 濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行第1 次采集并要求被試填寫RPE 問(wèn)卷，采集結(jié)束后進(jìn)行tPCS 干預(yù)。干預(yù)結(jié)束后，對(duì)被試Oxy-Hb 濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行第2 次采集并再次填寫RPE 問(wèn)卷。認(rèn)知任務(wù)與混合任務(wù)實(shí)驗(yàn)中，除訓(xùn)練任務(wù)與體力任務(wù)實(shí)驗(yàn)不同，其余步驟均與體力任務(wù)實(shí)驗(yàn)相同。3 種訓(xùn)練任務(wù)間隔不少于48 h。

為避免被試疲勞感隨時(shí)間自然恢復(fù)的影響，在被試完成訓(xùn)練任務(wù)后，即刻對(duì)其RPE、fNIRS 進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)束后即刻進(jìn)行tPCS 干預(yù)，干預(yù)結(jié)束后即刻重復(fù)對(duì)被試RPE、fNIRS 進(jìn)行測(cè)量；同時(shí)，設(shè)置假刺激組，通過(guò)與真刺激組的對(duì)比減少自然恢復(fù)的影響。

1.6 數(shù)據(jù)采集

1.6.1 體力任務(wù)后fNIRS采集方案

體力任務(wù)后，采用1×27 的模板，覆蓋頂葉。根據(jù)國(guó)際10-20 系統(tǒng)將Cz 放置在Tx5 和Rx4 之間（圖1）。

圖1 體力任務(wù)探頭、通道布置Figure 1.Probes and Channel Layout in Physical Task

1.6.2 認(rèn)知任務(wù)后fNIRS采集方案

在認(rèn)知任務(wù)后，采用2×12 的模板，覆蓋前額葉。根據(jù)國(guó)際10-20 系統(tǒng)將Tx4 放置在Fp2，Tx6 放置在Fp1（圖2）。

圖2 認(rèn)知任務(wù)探頭、通道布置Figure 2.Probes and Channel Layout in Cognitive Task

1.6.3 混合任務(wù)后fNIRS采集方案

結(jié)合已有研究和本研究體力任務(wù)與認(rèn)知任務(wù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后選擇1×15＋1×8 的模板，覆蓋右側(cè)的部分前額葉和左側(cè)的部分運(yùn)動(dòng)區(qū)，將Cz 放置在Tx4 和Rx2 之間（圖3）。

圖3 混合任務(wù)探頭、通道布置Figure 3.Probes and Channel Layout in Mixed Task

1.7 數(shù)據(jù)分析

在Matlab 2013b（Mathworks，美國(guó)）軟件中使用Homer 2.8（MGH-Martinos Center for Biomedical Imaging，美國(guó)）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。首先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行通道信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)，剔除變異系數(shù)（CV）高于所有通道最大值25%的通道（姜?jiǎng)?等，2015）；采用主成分分析（principle component analysis，PCA）對(duì)每個(gè)通道去除生理噪音，參數(shù)選擇0.97（Cooper et al.，2012）。通過(guò)Spline 矯正運(yùn)動(dòng)偽跡；采用帶通濾波0.01～0.15 Hz 去除高頻噪音和低頻偽跡的影響（Naseer et al.，2015）；計(jì)算每名被試在每個(gè)任務(wù)下的Oxy-Hb 數(shù)值，納入計(jì)算的Oxy-Hb 持續(xù)時(shí)間為3 min。經(jīng)過(guò)以上的預(yù)處理過(guò)程，得出每名被試在每個(gè)任務(wù)中的單通道氧合血紅蛋白濃度數(shù)據(jù)。為了使結(jié)果更加直觀，通過(guò)Matlab程序根據(jù)通道的具體位置，基于氧合血紅蛋白濃度描繪腦區(qū)熱點(diǎn)圖。

1.8 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 24.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。以刺激條件（真刺激組、假刺激組）為組間變量，以時(shí)間（前、后測(cè)）為組內(nèi)變量對(duì)被試Oxy-Hb 濃度進(jìn)行2（刺激條件）×2（時(shí)間）的雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析。＜0.05表示差異顯著，＜0.01 表示差異非常顯著。數(shù)據(jù)采用均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示。

2 結(jié)果

2.1 tPCS被試使用評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)期間所有被試均未出現(xiàn)不良反應(yīng)，被試填寫《實(shí)驗(yàn)操作主觀感受問(wèn)卷》結(jié)果顯示，“刺激干預(yù)中我感覺很不舒服”“刺激干預(yù)中我感覺很疼痛”2 個(gè)條目均未出現(xiàn)得分大于5 的情況，表明本項(xiàng)目組研發(fā)的tPCS 用于運(yùn)動(dòng)員疲勞感干預(yù)的使用者評(píng)價(jià)較好。

2.2 基線數(shù)據(jù)采集

被試訓(xùn)練結(jié)束后，對(duì)24 名被試進(jìn)行基線數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行組間同質(zhì)性檢驗(yàn)。結(jié)果表明2 組間Oxy-Hb 指標(biāo)均未出現(xiàn)顯著性差異：體力任務(wù)中，=-2.009，=0.066；認(rèn)知任務(wù)中，=-1.153，=0.273；混合任務(wù)中，=2.068，=0.053?？梢暈? 組同質(zhì)。

2.3 RPE問(wèn)卷

體力訓(xùn)練任務(wù)中，對(duì)時(shí)間與刺激條件在RPE 問(wèn)卷得分的差異進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析。結(jié)果顯示（表2），時(shí)間主效應(yīng)顯著［=107.800，=0.000］，刺激條件主效應(yīng)顯著［=6.828，＜0.05］，時(shí)間與刺激條件交互作用顯著［=55.000，=0.000］。事后兩兩比較發(fā)現(xiàn)，真刺激組評(píng)分低于假刺激組（＜0.05），實(shí)驗(yàn)后測(cè)評(píng)分顯著低于前測(cè)（＜0.05）。

表2 2組被試RPE結(jié)果Table 2 RPE Results in Two Groups

認(rèn)知訓(xùn)練任務(wù)中，對(duì)時(shí)間與刺激條件在RPE 問(wèn)卷得分的差異進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析。結(jié)果顯示（表2），時(shí)間主效應(yīng)顯著［=67.305，=0.000］，刺激條件主效應(yīng)顯著［=44.775，0.000］，時(shí)間與刺激條件交互作用顯著［=31.508，=0.000］。事后兩兩比較發(fā)現(xiàn)，真刺激組評(píng)分低于假刺激組（＜0.05），實(shí)驗(yàn)后測(cè)評(píng)分顯著低于前測(cè)（＜0.05）。

混合訓(xùn)練任務(wù)中，對(duì)時(shí)間與刺激條件在RPE 問(wèn)卷得分的差異進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析。結(jié)果顯示（表2），時(shí)間主效應(yīng)顯著［=39.553，=0.000］，刺激條件主效應(yīng)顯著［=4.840，＜0.05］，時(shí)間與刺激條件交互作用顯著［=11.468，＜0.01］。事后兩兩比較發(fā)現(xiàn)，真刺激組評(píng)分低于假刺激組（＜0.05），實(shí)驗(yàn)后測(cè)評(píng)分顯著低于前測(cè)（＜0.05）。

2.4 tPCS干預(yù)前后fNIRS結(jié)果

2.4.1 體力任務(wù)：tPCS干預(yù)后Oxy-Hb濃度變化

被試在完成體力任務(wù)，接受tPCS 干預(yù)后，被顯著激活的通道為ch3、ch5、ch8，對(duì)應(yīng)激活的腦區(qū)為運(yùn)動(dòng)皮層（圖4）。

圖4 體力任務(wù)后tPCS干預(yù)的腦部激活熱點(diǎn)圖Figure 4.Heatmaps of tPCS-induced Brain Activation after Physical Task

對(duì)時(shí)間與刺激條件在Oxy-Hb指標(biāo)的差異進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析。結(jié)果顯示（表3），時(shí)間主效應(yīng)顯著［=140 797.477，=0.000］，刺激條件主效應(yīng)顯著［=3 214.182，=0.000］。時(shí)間與刺激條件交互效應(yīng)顯著［=10 745.407，=0.000］。事后兩兩比較發(fā)現(xiàn)，真刺激組Oxy-Hb 濃度較假刺激組高。真刺激組與假刺激組間Oxy-Hb 濃度差異對(duì)比見圖5。

圖5 體力任務(wù)后tPCS干預(yù)的組間各通道Oxy-Hb濃度差Figure 5.Concentration Difference of Oxy-Hb in Each Channel Caused by tPCS Intervention after Physical Task

表3 2組被試Oxy-Hb結(jié)果Table 3 Oxy-Hb Results in Two Groups

2.4.2 認(rèn)知任務(wù)：tPCS干預(yù)后Oxy-Hb濃度變化

被試在完成認(rèn)知任務(wù)，接受tPCS 干預(yù)后，被顯著激活的通道為ch2、ch6、ch9、ch10、ch14、ch18、ch21，對(duì)應(yīng)激活的腦區(qū)為額極區(qū)、Broca 三角部、背外側(cè)前額葉皮質(zhì)（圖6）。

圖6 認(rèn)知任務(wù)后tPCS干預(yù)的腦部激活熱點(diǎn)圖Figure 6.Heatmaps of Tpcs-induced Brain Activation after Cognitive Task

對(duì)時(shí)間與刺激條件在Oxy-Hb指標(biāo)的差異進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析。結(jié)果顯示（表3），時(shí)間主效應(yīng)顯著［=64 810.402，=0.000］，刺激條件主效應(yīng)顯著［=1 068.784，=0.000］。時(shí)間與刺激條件交互效應(yīng)顯著［=976.678，=0.000］。事后兩兩比較發(fā)現(xiàn)，真刺激組Oxy-Hb 濃度較假刺激組高。真刺激組與假刺激組間Oxy-Hb 濃度差異對(duì)比見圖7。

圖7 認(rèn)知任務(wù)后tPCS干預(yù)的組間各通道Oxy-Hb濃度差Figure 7.Concentration Difference of Oxy-Hb in Each Channel Caused by tPCS Intervention after Cognitive Task

2.4.3 混合任務(wù)：tPCS干預(yù)后Oxy-Hb濃度變化

被試在完成混合任務(wù)，接受tPCS 干預(yù)后，被顯著激活的通道為ch1、ch2、ch6、ch12、ch13、ch17、ch22，對(duì)應(yīng)激活的腦區(qū)為體感聯(lián)合皮層、運(yùn)動(dòng)皮層、前輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、前額葉皮層（圖8）。

圖8 混合任務(wù)后tPCS干預(yù)的腦部激活熱點(diǎn)圖Figure 8.Heatmaps of Tpcs-induced Brain Activation after Mix Task

對(duì)時(shí)間與刺激條件在Oxy-Hb指標(biāo)的差異進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析。結(jié)果顯示（表3），時(shí)間主效應(yīng)顯著［=26 208.163，=0.000］，刺激條件主效應(yīng)顯著［=2 288.062，=0.000］。時(shí)間與刺激條件交互效應(yīng)顯著［=1 564.792，=0.000］。事后兩兩比較發(fā)現(xiàn)，真刺激組Oxy-Hb 濃度較假刺激組高。真刺激組與假刺激組間Oxy-Hb 濃度差異對(duì)比見圖9。

圖9 混合任務(wù)后tPCS干預(yù)的組間各通道Oxy-Hb濃度差Figure 9.Concentration Difference of Oxy-Hb in Each Channel Caused by tPCS Intervention after Mix Task

3 討論

本研究采用RPE 和fNIRS，對(duì)被試在體力任務(wù)、認(rèn)知任務(wù)、混合任務(wù)3 種訓(xùn)練后，相應(yīng)腦區(qū)Oxy-Hb 激活狀態(tài)及主觀感受進(jìn)行分析，探討tPCS 干預(yù)對(duì)運(yùn)動(dòng)員疲勞感恢復(fù)的效應(yīng)，并揭示腦部血流狀況。研究發(fā)現(xiàn)，真刺激組被試在分別完成3 種訓(xùn)練任務(wù)并接受tPCS 干預(yù)后，RPE 得分均顯著降低，且大腦相關(guān)腦區(qū)的皮層被顯著激活。

3 種訓(xùn)練任務(wù)后，被試的RPE 得分均高于5，表明被試出現(xiàn)疲勞的主觀狀態(tài)，真刺激組被試接受tPCS 干預(yù)后，RPE 得分降低，且效果優(yōu)于假刺激組。這驗(yàn)證了本研究的假設(shè)，并與Lebedev 等（2001）研究結(jié)果一致，該研究發(fā)現(xiàn)，tPCS 能夠有效緩解疲勞的生理、認(rèn)知和情感成分。其原因可能是tPCS 誘發(fā)β-內(nèi)啡肽的分泌。疲勞感產(chǎn)生的可能原因之一是β-內(nèi)啡肽濃度下降，反之，當(dāng)β-內(nèi)啡肽濃度上升則可能會(huì)削弱疲勞的主觀感受（Mousa et al.，2021）。也有可能是因?yàn)橹饔^疲勞知覺的形成來(lái)自外周感受器的傳入信息在大腦皮層中的加工，在被試疲勞狀態(tài)下，大腦運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元發(fā)出更多的神經(jīng)沖動(dòng)，而神經(jīng)沖動(dòng)的增加也伴隨著放電的增加，當(dāng)放電的增加傳遞給軀體感覺皮質(zhì)區(qū)，從而使被試產(chǎn)生了疲勞的感覺（Clark et al.，2016）。因此，真刺激組被試主觀疲勞感降低可能是由于tPCS 代償了一部分皮質(zhì)神經(jīng)元興奮性，從而彌補(bǔ)疲勞狀態(tài)下被試主觀感受的下降。

在3 種訓(xùn)練任務(wù)后的fNIRS 探索中，本研究通過(guò)檢測(cè)不同的ROI，結(jié)果支持了tPCS 可能會(huì)選擇性激發(fā)不同腦區(qū)的血氧水平，其靶向腦區(qū)與任務(wù)類型有關(guān)。在體力任務(wù)中，本研究ROI 區(qū)域?yàn)轭~葉眼動(dòng)區(qū)、前輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、運(yùn)動(dòng)皮層、體感皮層和體感聯(lián)合皮層，結(jié)果顯示ch3、ch5、ch8 被顯著激活，對(duì)應(yīng)的腦區(qū)為左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層。雖然沒(méi)有以往的研究直接支持本研究結(jié)果，但相關(guān)研究支持了體力任務(wù)的疲勞感發(fā)生與運(yùn)動(dòng)皮層有關(guān)，特別是與對(duì)側(cè)腦區(qū)關(guān)系更強(qiáng)，而疲勞感發(fā)生后會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)皮層血氧含量降低。Liu 等（2002）研究部分支持了本研究結(jié)果，該研究發(fā)現(xiàn)，由體力任務(wù)誘發(fā)的肌肉疲勞發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)皮層激活水平的下降。對(duì)運(yùn)動(dòng)皮層進(jìn)行磁刺激的研究表明，單側(cè)肢體肌肉疲勞后，對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層興奮性顯著降低，并在疲勞任務(wù)停止后，興奮性持續(xù)降低（Hashemirad et al.，2017；S?is?nen et al.，2019）。

在認(rèn)知任務(wù)中，疲勞感的ROI 為額葉眼動(dòng)區(qū)、背外側(cè)前額葉皮質(zhì)、額極區(qū)、Broca 三角部、額下回眶部，結(jié)果顯示，tPCS 顯著激活的通道為ch2、ch6、ch9、ch10、ch14、ch18、ch21，對(duì)應(yīng)的腦區(qū)為大腦額極區(qū)、Broca 三角部、背外側(cè)前額葉皮質(zhì)。以往研究支持了本研究結(jié)果，楊桂芬等（2007）發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)、記憶、算術(shù)任務(wù)等高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)與前額葉皮層密切相關(guān)。而tPCS 干預(yù)可以有效加強(qiáng)神經(jīng)連接從而誘導(dǎo)認(rèn)知功能加強(qiáng)，Morales-Quezada 等（2015）認(rèn)為，tPCS 可以有效促進(jìn)被試數(shù)學(xué)任務(wù)的算術(shù)處理能力，顯著增強(qiáng)其認(rèn)知效應(yīng)。因此被試在認(rèn)知訓(xùn)練任務(wù)后接受tPCS干預(yù)，增加被試大腦額極區(qū)、Broca 三角部、背外側(cè)前額葉皮質(zhì)Oxy-Hb 濃度，從而加強(qiáng)被試認(rèn)知功能。

在混合任務(wù)中，疲勞感的ROI 為前額葉皮層、前輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、運(yùn)動(dòng)皮層、體感皮層、體感聯(lián)合皮層，結(jié)果顯示，tPCS 顯著激活的通道為ch1、ch2、ch6、ch12、ch13、ch17、ch22，對(duì)應(yīng)激活的腦區(qū)為體感聯(lián)合皮層、運(yùn)動(dòng)皮層、前輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、前額葉皮層。這種混合任務(wù)與現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)動(dòng)員疲勞感更為接近，通常在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要感覺系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和自主系統(tǒng)的持續(xù)活動(dòng)，伴有認(rèn)知任務(wù)的體力活動(dòng)，通常會(huì)發(fā)生認(rèn)知加工競(jìng)爭(zhēng)，從而在運(yùn)動(dòng)皮層之外，還出現(xiàn)前額葉皮層等其他區(qū)域的失活（Dietrich，2003）。前額葉皮層已經(jīng)被證明不僅與認(rèn)知信息處理有關(guān)，而且對(duì)運(yùn)動(dòng)期間認(rèn)知功能的調(diào)節(jié)至關(guān)重要（Miller，2007）。在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的疲勞感研究中，前額葉皮層聯(lián)合其他腦區(qū)皮層共同輸出到運(yùn)動(dòng)皮層，從而表現(xiàn)出復(fù)雜的大腦區(qū)域協(xié)調(diào)和激活（Fontes et al.，2015）。

雖然實(shí)驗(yàn)前后2 組被試都出現(xiàn)了fNIRS 的Oxy-Hb 濃度增加，但真刺激組在tPCS 作用下大腦運(yùn)動(dòng)皮層Oxy-Hb濃度增加更為明顯。有研究表明，Oxy-Hb 濃度下降可能意味著神經(jīng)抑制，當(dāng)被試疲勞之后會(huì)削弱腦部相關(guān)功能區(qū)的生理心理加工（Dietrich et al.，2004；Lorist et al.，2002）。tPCS 對(duì)不同ROI 中Oxy-Hb 含量增加的機(jī)制可能在于體力或認(rèn)知任務(wù)誘導(dǎo)的神經(jīng)激活會(huì)導(dǎo)致腦皮質(zhì)代謝增加，表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)過(guò)程中皮質(zhì)激活對(duì)血液中氧的攝取量增加。隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加，單靠皮質(zhì)對(duì)血氧的攝取已不能夠滿足皮質(zhì)的需氧量，此時(shí)需要增加局部血液供應(yīng)來(lái)滿足神經(jīng)激活后對(duì)氧的需求（丁南，2012）。tPCS 對(duì)被試大腦進(jìn)行干預(yù)，可以有效增強(qiáng)皮質(zhì)脊髓興奮性，更有效地增加ROI 腦區(qū)皮層的腦血流，加強(qiáng)肌肉之間的協(xié)調(diào)性，進(jìn)而表現(xiàn)為Oxy-Hb 濃度的增加（Benwell et al.，2005；Dissanayaka et al.，2020；Jaberzadeh et al.，2015；Paul et al.，2014）。Vasquez 等（2016）研究認(rèn)為，tPCS 可以通過(guò)調(diào)節(jié)神經(jīng)元之間的突觸連接，在一定時(shí)間內(nèi)增強(qiáng)神經(jīng)通信和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)間信號(hào)傳輸?shù)哪芰?。這也可能解釋tPCS 干預(yù)后，促進(jìn)了大腦對(duì)資源的有效分布，協(xié)調(diào)大腦血液向運(yùn)動(dòng)皮層與前額葉皮層等的流動(dòng)，也增強(qiáng)了與被試所進(jìn)行的任務(wù)有關(guān)的腦區(qū)之間的相互連接。

本研究局限主要有：1）被試為大學(xué)生運(yùn)動(dòng)員，其運(yùn)動(dòng)能力、訓(xùn)練年限以及訓(xùn)練負(fù)荷等均與專業(yè)運(yùn)動(dòng)員存在差距，tPCS 對(duì)專業(yè)運(yùn)動(dòng)員的腦區(qū)激活情況是否與之相同仍需進(jìn)一步研究驗(yàn)證；2）尚不清楚tPCS 對(duì)被試的影響是否存在長(zhǎng)期效應(yīng)，下一步可以采取長(zhǎng)期訓(xùn)練下監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員大腦激活狀態(tài)的變化，以更加全面科學(xué)的理解tPCS 的作用機(jī)制并應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域。

4 結(jié)論

被試對(duì)經(jīng)顱脈沖電刺激儀使用感評(píng)價(jià)較好，無(wú)不良反應(yīng)；tPCS 可以有效降低被試主觀疲勞感；tPCS 能夠選擇性增加不同腦區(qū)的Oxy-Hb 含量。

被試完成體力訓(xùn)練任務(wù)后接受tPCS 干預(yù)，大腦運(yùn)動(dòng)皮層被顯著激活；完成認(rèn)知訓(xùn)練任務(wù)后接受tPCS 干預(yù)，大腦額極區(qū)、Broca 三角部、背外側(cè)前額葉皮質(zhì)被顯著激活；完成體力訓(xùn)練任務(wù)后接受tPCS 干預(yù)，大腦體感聯(lián)合皮層、運(yùn)動(dòng)皮層、前輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、前額葉皮層被顯著激活。