基于神经启动技术的急性经颅直流电刺激对运动员体能表现的影响

摘      要：为深入探讨经颅直流电技术对运动员动态平衡、灵敏反应等方面的急性影响及效果延续。招募24名国家健将或一级水平的男性运动员，随机抽签决定电刺激干预类型（真刺激或假刺激）与体能表现测试指标（动态平衡等），大脑皮层M1区安排电流强度2 mA、20 min电刺激；采集基准值和0、10、20、30、40 min共5个时间点的数据，每两次电刺激之间的洗脱期为48～72 h。通过SPSS软件，对采集的有效数据进行双因素重复测量方差分析（电刺激类型×测试时间点）。结果显示：所有体能表现指标存在显著交互作用，简单效应分析发现真刺激组在干预后5个时间点的测试数据均显著优于基准值及假刺激组（P＜0.05），且干预效果可延续至刺激后40 min，假刺激组较干预前未发现显著提高。研究表明：运动员经颅直流电刺激后，动态平衡、灵敏反应等体能表现水平显著增强，具有见效快、时效长等特点，可考虑将其应用至运动员的训练实践或竞赛过程中。

关  键  词：体能表现；经颅直流电刺激；初级运动皮层；大学生运动员

中图分类号：G804.6    文献标志码：A    文章编号：1006-7116（2023）05-0138-07

The effect of acute transcranial direct current stimulation on athletes' physical performance based on the neural priming technique

ZHOU Zhexiao

（Faculty of Sports Science，Ningbo University，Ningbo 315211，China）

Abstract： To deeply explore the acute effects of transcranial direct current technology on the dynamic balance and sensitive response of athletes and the continuation of its effects， twenty-four national athletes or first-class male athletes were recruited. All the subjects were randomly selected to determine the type of electrical stimulation intervention （a-tDCS or s-tDCS） and the physical performance test indexes （dynamic balance， etc.）. Electrical stimulation with current intensity of 2mA and 20min was arranged in M1 area of cerebral cortex， and the data of baseline， instant， 10min， 20min， 30min and 40min were collected， and the elution period between every two electrical stimulation was from 48 to 72 hours. Through SPSS software， the collected valid data was analyzed by two-factor repeated measurement ANOVA （type × time）， and the results showed that all physical performance indicators had significant interaction. Simple effect analysis found that the test data of a-tDCS group at five time points after the intervention were significantly better than those of the baseline and s-tDCS group （P<0.05）， and the intervention effect could last for 40 min minutes after the intervention， but s-tDCS group did not find significant improvement compared with that before the intervention. The conclusions revealed that after transcranial direct current stimulation， athletes' physical performance level such as dynamic balance， sensitive response， was obviously enhanced， which has the characteristics of quick effect and long time-effect. Given that， it can be considered to be applied to athletes' training practice or competition process.

Keywords： physical performance；tDCS；primary motor cortex；college athletes

体能表现，泛指完成某项运动技能或复杂动作任务时，在神经系统的精准支配下，协调、快速、高效调动平衡、力量、速度等素质，以最优化模式展示人体的运动能力，是运动员专项竞技能力提高、优异运动成绩获得的重要因素[1]。传统观点认为，提高运动负荷是激发体能表现水平的重要途径，例如聚组训练、复合式训练、激活后增强效应及神经整合训练等方法[2]，其思路均是高负荷与多训练模式组合，诱导机体潜能，但其负面作用也显而易见，运动员长期大强度训练，易引起运动损伤。近些年，随着科技水平的突飞猛进，“科技精准助力竞技体育”，已逐渐在体育科研、运动实践中蓬勃开展，其中最引人注目的是“经颅直流电刺激”。

经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS），是一种非侵入性、无创伤性脑刺激技术（也称“神经启动技术”）[3]。通过低强度电流作用于特定脑区，引起电场变化促使神经元发生去极化或超极化，进而兴奋或抑制大脑特定区域，促进神经元冲动同步化发放、增加突触可塑性与脑血流量、调节局部皮质及大脑网络连接等功能[4]。

近几年，tDCS应用于运动科学领域的研究趋于增多，多数研究结果表明tDCS对提升运动能力具有积极作用。⑴促进运动技能获得、延缓运动疲劳。由于初级运动皮层（M1区）参与了技能习得阶段和早期巩固阶段的内隐运动学习，电刺激M1区能够显著提升动作学习效率，促进运动技能的获得和保持[5]。a-tDCS（阳极刺激）通过提升运动皮层的兴奋性，降低中枢神经的疲劳反应[6]，受试者完成力竭运动任务的时间明显延长。⑵增强力量素质、优化灵敏与平衡。右侧运动皮质区实施阳极刺激，显著提高肘关节伸肌耐力[7]。刺激右下额叶皮层可提高知觉敏感与反应偏差，加速个体对复杂检测任务的学习进程[8]；改善闭眼站立时的姿势稳定性，增强应对复杂运动的姿态调整能力[9]。

尽管tDCS应用于运动领域已存在一定数量的研究，当测试人群为运动员时仍存在以下问题：⑴针对运动员的研究结果呈现两极化。一类研究发现，电刺激后运动能力没有显著提高[10]，甚至是下降[11]，其解释为运动员长期进行运动训练，“天花板效应”愈加明显，进一步提升的空间很小。另一类研究认为，由于运动员具有较好的神经肌肉痕迹保持经验，可以将电刺激后所获得的急性痕迹效应迁移至运动过程中，通过影响动作技能的高质量重现、优化神经肌肉调控机制，间接提高体能表现[12]，但此方面仍需进一步验证。⑵简单运动任务居多。以单关节[13]、单平面[14]、肌肉近端固定收缩形式[15]的简单测试任务居多，干预前后测试分数确有提高，但是这些受控制的、偏静态的测试动作与运动实际中的多维平面、运动速度以及肌肉收缩机制等因素偏差较大、重叠效果较差。⑶刺激效果的延续性特征不够稳定。多数研究发现tDCS刺激前后存在显著差异，随着时间延长其激活效果逐渐消退至干预前[16]。个别研究发现，电刺激后其效果可保持大约1 h，但此类研究较少，对运动员而言，无论是日常训练或运动竞赛，长时间保持最佳运动状态是客观需求。

综上所述，经颅直流电技术具有无创、高效、易操作等特点，增强大脑与肌肉的联结，提升肌肉工作效率，强化人体多种运动能力。但是，当测试主体为运动员时仍存在以上问题，故本研究重点如下：选择接近运动实际需求的、多维运动平面的、多关节参与的复杂测试任务时，经颅直流电刺激技术能否对运动员体能表现产生较为全面的急性作用，以及此效果的时效延续特征。为进一步丰富电刺激技术运用至竞技体育的相关研究，科技助力运动员训练与竞赛，精准、有效提升体能表现水平，以及同行学者开展此方面研究提供可借鉴的依据。

1  测试对象与方法

1.1  测试对象

通过G*Power 3.1.9软件，设置样本计算参数（ES=0.25、α=0.05、Power=0.9），计算出所需样本量为24人，故本研究招募24名男性大学生运动员（运动项目为田径、健美操、篮球及网球；运动水平为国家健将或国家一级）。受试者基本信息：年龄（21.14±1.09）岁、身高（1.78±0.09） m、体重（71.30±13.04） kg、BMI（22.35±2.26） kg/m2。所有受试者身体状况良好，脑部没有疾病史，不存在皮肤过敏、体内金属植入等经颅直流电刺激禁忌症；实验前24 h内未从事剧烈运动，实验前4 h内未摄入含酒精或咖啡因等具有兴奋作用的饮料。实验方案通过宁波大学体育学院伦理委员会审批（批准号：TY2022026），受试者在实验前均已知晓测试的基本流程与注意事项，自愿参加本研究并签署知情同意书。

1.2  试验方法

1）干预内容与实施步骤。

（1）干预内容：采用DC-STIMULATOR多通道经颅直流电刺激仪（德国，Neuroconn），依据国际10-20系统国际标准电极放置法以及Brodmann脑部皮层分区，对真刺激组受试者脑部C3、C4区放置阳极电极，以覆盖双侧初级运动皮层（primary motor cortex，M1），阴极电极置于两侧肩膀[16]。静坐状态下，接受2 mA电流、持续20 min的电刺激干预。为避免安慰剂效应以及验证电刺激效果，安排假刺激组，电流强度、刺激时间及电极片位置与真刺激组相同，但在干预30 s后未告知受试者的情况下关闭仪器。干预过程中，若受试者感觉到任何脑部不适或其他异常反应，立即停止刺激。所有经颅直流电刺激操作均由同一试验人员完成。

（2）实施步骤：①干预前，受试者先进行10 min中等强度热身（7 km/h慢跑），以及对全身大肌肉群进行拉伸与激活，达到最佳状态、避免运动损伤。然后，体能表现能力测试（具体内容见下文“2）测试指标”），将测试结果作为此项指标的基准值。②干预中，随机安排电刺激干预（具体操作见“（1）干预内容”。③干预后，受试者在0、10、20、30、40 min时间点依次进行与前测指标相同的体能表现任务评估，每个时间点采集3次数据（间隔0.5～1 min），记录最佳值。具体实施流程见图1。