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.pdf

第 30 卷 第 5 期 2023 年 9 月 体 育 学 刊 Journal of Physical Education Vol.30 No.5S e p.2 0 2 3 运动人体科学 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 周喆啸21(宁波大学 体育学院，浙江 宁波 315211)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 4872 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(P0.05)，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(P0.25)11。2 结果与分析 2.1 tDCS 对平衡稳定能力的影响 右侧下肢动态平衡(结果见图 3)，刺激类型与测试时 间 点 交 互 作 用 显 著(F(5,115)=25.332，P0.001，2p=0.835)。测试时间点简单效应，真刺激组：基准值显著低于0 min(P=0.005)、10 min(P=0.006)、20 min(P=0.003)、30 min(P=0.012)及 40 min(P0.001)；40 min 显著高于0 min(P=0.009)、10 min(P=0.039)、20 min(P=0.003)。假刺激组：基准值显著高于10 min(P=0.023)、20 min(P=0.01)、30 min(P=0.001)、40 min(P=0.003)。刺激类型简单效应，真刺激显著高于假刺激，在0 min(P=0.001)、10 min(P=0.003)、20 min(P=0.001)、30 min(P=0.006)、40 min(P0.001)。左侧下肢动态平衡(见图 3)，刺激类型与测试时间点交互作用显著(F(5,115)=36.284，P0.001，2p=0.879)。测试时间点简单效应，真刺激组：基准值显著低于 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显著低于 10 min(P=0.035)、20 min(P=0.029)、30 min(P=0.048)、40 min(P=0.015)；40 min 显著高于10 min(P=0.014)、20 min(P=0.045)。假刺激组：基准值显著高于 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 显著低于 0 min(P=0.048)、10 min(P=0.044)；40 min显著低于 0 min(P=0.006)、10 min(P=0.013)。刺激类型简单效应，真刺激显著高于假刺激，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 对灵敏反应及变向敏捷能力的影响 灵敏墙测试(结果见图 4)，刺激类型与测试时间点交互作用显著(F(5,115)=7.556，P0.05)。刺激类型简单效应，真刺激显著快于假刺激，在 10 min(P0.001)、20 min(P0.001)、30 min(P=0.003)及 40 min(P=0.011)。T 形变向跑动测试(结果见图 4)，刺激类型与测试时 间 点 交 互 作 用 显 著(F(5,115)=10.682，P0.05)。刺激类型简单效应，真刺激显著快于假刺激，在 10 min(P=0.038)、20 min(P=0.009)、30 min(P=0.009)、40 min(P=0.007)。图 3 真刺激与假刺激组动态平衡能力的变化趋势 图4 真刺激与假刺激组灵敏反应、变向敏捷能力的变化趋势 2.3 tDCS 对肌肉爆发能力的影响 纵跳高度测试(结果见图 5)，刺激类型与测试时间点交互作用显著(F(5,115)=5.966，P=0.001，2p=0.544)。测试时间点简单效应，真刺激组：基准值显著低于10 min(P=0.027)、20 min(P=0.005)、30 min(P=0.049)及40 min(P=0.013)；假刺激组各时间点均无显著差异(P0.05)。刺激类型简单效应，真刺激显著高于假刺激，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)。峰值功率测试(结果见图 5)，刺激类型与测试时间点交互作用显著(F(5,115)=6.163，P=0.001，2p=0.552)。测试时间点简单效应，真刺激组：基准值显著低于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)；假刺激组各时间点均无显著差异(P0.05)。刺激类型简单效应，真刺激显著高于假刺激，在 0 min(P=0.002)，10 min(P=0.009)，20 min(P0.001)，30 min(P0.001)及 40 min(P=0.005)。图 5 真刺激与假刺激组纵跳高度、峰值功率的变化趋势 3 讨论 从研究结果可知，经颅直流电刺激后，真刺激组在平衡稳定、灵敏反应、敏捷变向及肌肉爆发方面要优于干预前，较假刺激组也存在显著差异，且呈现出一定的效果延续特征，表明经颅直流电技术(简称 tDCS)可以应用于运动员的体能表现促进方面。以往研究主要关注 tDCS 对非运动员群体或人体基本运动能力的作用效果，其测试指标与运动员实际需求相差较远，未考虑到测试结果在真实训练环境中的适应性。针对此问题，本研究所选测试指标均来自运动员日常训练内容或体能水平经典评测项目，从而保证了测试结果的实践性与应用性价值。平衡稳定指标，同类型研究主要针对静态平衡21，而本研究侧重动态平衡，动态平衡是预防下肢运动损伤、能量有效输出及技能精准表达的前提，更加符合运动实际中机体在非稳环境下抵抗外力干扰的姿态调控情况。灵敏反应与敏捷变向指标，以往研究仅是观察 tDCS 对某一个方面的作用效果，例如反应时、跑动速度等22，而真实竞赛情景中运动员既需要满足耗时短、重复多、准确率高等要求，还需兼备迅速、协调地变化身体的空间位置与运动方向的能力，其综合呈现价值远高于单一方面的结果输出。本次选择的灵敏墙连续敲击测 第 5 期 周喆啸：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 143 试与 T 形跑动测试，前者将反应时、准确度及重复次数进行融合，后者将高速奔跑与急停变向进行结合，较高程度还原了运动员的临场动作展现情况，贴近真实运动环境。尽管 tDCS 可以对运动员的体能表现产生作用，但这仅是干预后的结果呈现，更需要透过现象抓住本质，对影响外在结果的内在机制进行探讨。此外，国内对 tDCS 的研究仍处于初期探索阶段，应用前景广阔，未来定会涌现 tDCS 干预运动表现的相关研究，但后续研究的成功开展必须建立在清晰的理论机制之上。本研究与同类型研究在测试结果方面存在异质性：(1)肌肉爆发方面，Grosprtre 等23与 Romero 等24研究发现受试者 tDCS 干预后，无论在水平跳跃或垂直跳跃测试中，均没有显著提高甚至出现下降。而本研究发现，tDCS 可以对反映下肢蹬伸爆发能力的腾空高度、峰值功率产生积极作用，与前人研究结果不一致。其原因是以往研究中选择的脑部刺激区域为背外侧前额叶皮层，前额叶区主导功能是执行与判断，虽然与感觉、运动皮层具有联系，但主要调节注意力、思维及行动，对人体运动能力的刺激效果远不如 M1区。(2)效果保持方面，目前，针对 tDCS 的时效性结果并不一致，Ardolino 等25与Kaminski 等26认为 920 min阳极刺激，运动皮层兴奋性长达 1 h，平衡能力维持可以长达 24 h。但是，仍有研究发现延续效果较差，刺激效果会随着时间延长逐渐减弱27。而本研究发现受试者在 tDCS 后所获得的干预效果可以保持至刺激后40 min。其原因可能为以下两点：第一，经典运动能力衰减学说运动能力下降为能源物质耗竭与机体疲劳累积双重影响。但 Berthelot 等28发现，运动员自我主观疲劳“误判”的强烈认知输出，也会导致运动能力下降，即“暗示”机体已经“高度疲劳”应该“出现”能力下降。而 tDCS 通过提升岛叶皮层或颞叶的神经元活性，调高主观疲劳阈值29，间接降低运动员的疲劳认知敏感性，使机体保持较长时间的效率输出。第二，tDCS 后人体内分泌机制的变化，神经元静息膜电位进行阈上电刺激，钙离子通道的数量和活性增加，间接诱导谷氨酸能系统中参与突触可塑性形成的 N-甲基天冬氨酸受体活化5，从而产生长时程电位增强，诱导出较为持久的后效应。研究局限及展望：耐力素质也是运动员体能表现的内容之一，但考虑到耐力素质测试周期较长，以及长耗时会消磨受试者的配合程度，无法真实反映耐力素质在干预后的急性变化情况，故本研究没有涉及耐力素质指标。望未来同领域学者，能够进一步探究tDCS 对耐力素质的作用效果。综上所述，大脑皮层双侧 M1 区经颅直流电刺激，可对运动员动态平衡、灵敏反应、敏捷变向及肌肉爆发等体能表现产生作用，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。参考文献：1 G.格雷戈里哈夫，N.特拉维斯特里普利特.NACA-CSCS 美国国家体能协会体能教练认证指南 M.第四版.王雄，闫琪，周爱国，等译.北京：人民邮电出版社，2021.2 姜自立，李庆.激活后增强效应研究进展述评J.体育学刊，2016，23(1)：136-144.3 REARDON S.Performance boost paves way for brain doping：Electrical stimulation seems to boost endurance in preliminary studiesJ.Nature，2016，531(7594)：283-285.4 卞秀玲，王雅娜，王开元，等.经颅直流电刺激技术及其在提升运动表现中的应用J.体育科学，2018，38(5)：66-72.5 JAEHYUK L，YAN J，BUMCHUL Y.Bilateral transcranial direct stimulation over the primary motor cortex alters motor modularity of multiple musclesJ.Journal of Motor Behavior，2021，52(4)：474-488.6 OLDRATI V，SCHUTTER D J.Targeting the human cerebellum with transcranial direct current stimulation to modulate behavior：A Meta-analysisJ.Cerebellum，2018，17(2)：228-236.7 郭峰，鲁盼盼.经颅直流电刺激技术作用机制及其在运动科学中的应用进展J.中国康复医学杂志，2020，35(7)：891-895.8 ANGIUS L，PASCUAL L A，SANTARNECCHI E.Brain stimulation and physical performanceJ.Progress in Brain Research，2018：317-339.9 HAFEZ Y M，FATEMEH E，MARYAM Z，et al.Multi-session anodal tDCS enhances the effects of postural training on balance and postural stability in older adults with high fall risk：Primary motor cortex versus cerebellar stimulationJ.Brain Stimulation，2018，11(6)：1239-1250.10 LIANG Z，ZHOU J，JIAO F，et al.Effect of transcranial direct current stimulation on endurance performance in elite female rowers：A pilot，single-blinded studyJ.Brain Sciences，2022，12(5)：1-9.11 MESQUITA P H，LAGE G M，FRANCHINI E，et al.Bi-hemispheric anodal transcranial direct current stimulation worsens taekwondo-related performanceJ.Human Movement Science，2019，66(8)：578-586.144 体育学刊 第 30 卷 12 BORNHEIM S，CROISIER J L，LECLERCQ V，et al.The effects of tDCS on physical performances：A systematic literature reviewJ.Science&Sports，2020，35(5)：255-270.13 HAZIME F A，CUNHA R，SOLIAMAN R R，et al.Anodal transcranial direct current stimulation(tdcs)increases isometric strength of shoulder rotators muscles in handball playersJ.International Journal of Sports Physical Therapy，2017，12(3)：402-407.14 VARGAS V Z，BAPTISTA A F，PEREIRA G O，et al.Modulation of Isometric quadriceps strength in soccer players with transcranial direct current stimulation：A crossover studyJ.Journal of Strength and Conditioning Research，2018，32(5)：1336-1341.15 KAMALI A M，SAADI Z K，YAHYAVI S S，et al.Transcranial direct current stimulation to enhance athletic performance outcome in experienced bodybuildersJ.Plos One，2019，14(8)：1-20.16 王玮，朱志强，殷可意，等.经颅直流电刺激对纵跳生物力学特征的影响J.体育科学，2020，40(7)：57-64.17 MACHADO S，JANSEN P，ALMEIDA V，et al.Is tDCS an adjunct ergogenic resource for improving muscular strength and endurance performance?A systematic reviewJ.Frontiers in Psychology，2019，10(8)：1-14.18 FUSCO A，GIANCOTTI G F，FUCHS P X，et al.Y balance test：Are we doing it right?J.Journal of Science and Medicine in Sport，2020，23(2)：194-199.19 ARMSTRONG R，GREIG M.The functional movement screen and modified star excursion balance test as predictors of T-test agility performance in university rugby union and netball playersJ.Physical Therapy in Sport，2018，31(9)：15-21.20 GORDON D，HAYWARD S，VAN K，et al.Reliability of bilateral and shear components in a two-legged counter-movement jumpJ.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part P-Journal of Sports Engineering and Technology，2022，236(3)：159-171.21 肖松林，周俊鸿，王宝峰，等.高精度经颅直流电刺激对足部肌肉力量、踝关节运动觉及静态平衡的影响J.体育科学，2020，40(5)：42-51.22 赵云波，刘占捷，李玲，等.阳极经颅直流电刺激技术对反应时及提升运动表现的影响J.首都体育学院学报，2021，33(5)：522-531.23 GROSPRETRE S，GRANDPERRIN Y，NICOLIER M，et al.Effect of transcranial direct current stimulation on the psychomotor，cognitive，and motor performances of power athletesJ.Scientific Reports，2021，11(1)：1-13.24 ROMERO A，SALVADORCALDERON N，GIANCARLOALIX F，et al.Transcranial direct current stimulation does not improve countermovement jump performance in young healthy menJ.Journal of Strength and Conditioning Research，2021，35(10)：1-4.25 ARDOLINO G，BOSSI B，BARBIERI S，et al.Non-synaptic mechanisms underlie the after-effects of cathodal transcutaneous direct current stimulation of the human brainJ.Journal of Physiology，2010，568(2)：653-663.26 KAMINSKI E，STEELE C J，HOFF M，et al.Transcranial direct current stimulation(tDCS)over primary motor cortex leg area promotes dynamic balance task performanceJ.Clinical Neurophysiology，2016，127(6)：2455-2462.27 姜祎凡.经颅直流电刺激对纵跳影响的时效性及神经肌肉征召特性分析D.上海：上海体育学院，2020.28 BERTHELOT G，SEDEAUD A，MARCK A，et al.Has athletic performance reached its peak?J.Sports Medicine，2015，45(9)：1263-1271.29 MAUDRICH T，RAGERT P，PERREY S，et al.Single-session anodal transcranial direct current stimulation to enhance sport-specific performance in athletes：A systematic review and meta-analysisJ.Brain Stimulation，2022，15(6)：1517-1529.