在竞争激烈的竞技体育中，提升运动表现和成绩的压力巨大，促使运动员寻求外源性或者神经科学手段的帮助。经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）作为主要脑刺激技术的一种，通过施加于头皮上的持续且微弱的电流（一般小于2mA），达到调节静息膜电位，引起皮层兴奋性变化的效果。tDCS已经被证明在提高健康人群的肌肉力量，延缓运动疲劳以及促进运动技能学习方面有一定潜力。由于其无创、安全无副作用的优势，已有运动员和军队在训练中使用tDCS设备。不少专业运动队将tDCS用于日常训练，以增强大脑与肌肉的连接，提高运动员完成动作的协调性，因此，tDCS也被称为“神经启动技术”。

有研究表明，阳极刺激作用于运动皮层可以延长肘关节屈肌在次最大强度等长收缩运动中达到力竭的时间。此后，又有研究进一步探究了tDCS对于上肢运动表现的影响。其中大部分都关注了tDCS对肘屈肌最大自主收缩或次最大自主等长收缩的影响，并证明了tDCS的增益效果。但是，tDCS对于动态运动中力量表现的研究数量有限，其中一项研究发现tDCS可以增加肘关节完成10RM负荷屈曲的次数，另一项研究关注了腕伸肌1RM。研究表明，不同的运动类型会影响tDCS的作用效果。综上，tDCS对上肢等动运动的影响还需进一步探究，以全面了解tDCS对于上肢力量表现的增益效果，从而应用于健康人或运动员。tDCS改善肌肉表现的潜在机制尚未完全清楚。研究发现，阳极tDCS施加于M1后，能够观察到经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）引起的运动诱发电位（motor evoked potential，MEP）振幅的增加，还有研究发现tDCS能够在短时间肌肉收缩期间调节肌电振幅/力的关系，表明促进了运动单元的募集。此前的研究，只探究了主动肌、拮抗肌在等长收缩中的变化，动态运动中tDCS对神经肌肉的调节作用是否一样还不得而知。

综上所述，本研究旨在探究tDCS作用于M1上肢区域对肘关节屈伸肌群力量输出的影响，并且使用TMS和表面肌电分别观察神经和肌肉在刺激前后的变化，以期为tDCS应用于训练实践提供数据参考和理论基础。

经过招募，来自体育学院的16名健康男性参加了此次实验，年龄（24.4±1.9）岁；身高（173.3±6.0）cm；体质量（68.7±10.3）kg。纳入标准包括：①经过评价为右利手；②近半年没有肩、肘、腕关节的运动损伤；③无针对上肢的乐器学习或运动项目训练经历；④近3个月没有服用精神类或镇定类药物;⑤无皮肤过敏、体内金属植入物等经颅直流电刺激禁忌症。实验前，受试者会被告知本实验的目的、实验流程以及注意事项，在自愿的情况下参加本实验并签署知情同意书。

01 经颅直流电刺激

使用多通道经颅直流电刺激仪对受试者进行电刺激干预。直流电强度大小为0～4.5mA，最大电压为20V，矩形电极片的厚度为2mm，尺寸为35cm²（5cm×7cm）。

02 等动肌力测试仪

使用人体等动测试系统Con-Trex（PM1/MJ，CMVAG Corp.，Switzerland）对右侧肘关节进行等动屈、伸运动的肌力测试。

03 表面肌电采集系统

采用16通道的无线表面肌电测试和分析系统采集肘关节等动运动中的肱二头肌和肱三头肌表面肌电信号，采样频率为2000Hz。

04 经颅磁刺激仪

使用经颅磁刺激仪将直径均为9cm的8字形线圈，连接至经颅磁刺激仪，对受试者左侧M1区进行刺激。

本研究刺激目标区域为M1区，为了提高运动表现，将参考电极置于大脑外比脑上更有效。阳极刺激中阳极电极（红色）放置于左侧M1区（C3），参考电极（蓝色）放置于右侧三角肌中束，以2mA电流强度刺激20min。阴极刺激的电极摆放位置与阳极刺激相反，刺激强度、时间不变。为了证明不同刺激类型的效果，本研究依据前人的类似研究设计了假刺激条件。假刺激的电极摆放位置与阳极刺激相同，采用“渐入渐出”方案，电流强度在开始的20s内上升至2mA，保持30s后下降至0mA，持续至20min。该方案被认为具有足够的盲效，受试者难以区分阳极刺激与假刺激。同时，由于刺激时间较短，难以引发皮层兴奋性的变化，因此常作为对照组以探究不同刺激条件下的效果。所有受试者被要求在干预时保持静坐状态，避免其他实验干扰，刺激电流阻抗控制在5kΩ以下。刺激结束后，受试者被要求填写副作用和盲效问卷。

本研究一共包含2个实验。

实验1：本实验采用随机、双盲、交叉设计。受试者需要来4次实验室，第1次进行人体测量、熟悉实验流程和测试任务。之后的3次访问随机对受试者进行阳极、阴极以及假刺激干预，中间间隔48～72h。电刺激干预由一名专业的实验人员操作，刺激类型由计算机生成的序列随机分配，受试者和测试人员都不清楚施加的刺激类型。

受试者来到实验室后，首先进行5min的右侧肱二头肌和肱三头肌静态拉伸。拉伸结束后，根据SENIAM放置肌电建议对受试者右侧上肢肌群进行定位。随后，在肌腹位置进行备皮工作，包括剃除毛发，清洁死皮，用医用酒精棉球清理皮肤。将无线表面肌电传感器按照肌纤维走向，平行粘贴于肌腹处，并使用医用胶带固定在肱二头肌和肱三头肌上。使用4kg的哑铃进行弯举和臂屈伸热身后，进行等动肌力测试。测试完成，待受试者休息至心率稳定后，进行20min的tDCS刺激。之后，再完成一次与之前相同的热身以及等动肌力测试。受试者被要求在实验前一天避免高强度的体力活动以及酒精摄入，并保持相同的饮食和作息。同时，避免在实验开始前8h内摄入咖啡，以防对大脑产生兴奋作用，干扰实验结果。

实验2：实验2由实验1中的16人参加，受试者需要来实验室4次。第1次进行TMS基线阈值测试，寻找头皮上的运动热点区域，标记并记录。MEP测试需要使用TMS基线阈值的120%强度，有8名受试者阈值过高，TMS强度提高后产生了疼痛，因此被排除，避免造成不适以及影响实验结果。第2～4次，受试者随机接受阳极、阴极和假刺激，随机方法与实验1相同，并在刺激前后进行MEP测试。

01 等动肌力测试

受试者严格按照等动测力仪操作手册进行座位调节，用绑带将大臂完全固定在椅背上，以使肱二头肌和肱三头肌能够更好地孤立发力。肘关节屈伸活动范围根据每位受试者进行调整，在首次来访时进行记录，确保在后续来访中一致。在按测试动作(速度设定为240°/s)进行3次适应性活动后，开始正式测试。受试者在实验人员的提示下分别进行肘关节在180°/s和60°/s下的屈、伸等动向心测试，每种速度下各做1组，每组5次，组间休息1min。测试过程中，实验人员会持续地给予每位受试者一致的口头鼓励，确保受试者尽全力完成测试。

02 经颅磁刺激

通过单脉冲TMS刺激后产生的MEP变化对比3组干预模式前后M1区右侧第一骨间背侧肌(first dorsal interosseous，FDI)上的皮层兴奋性差异。具体操作为：在Cz点左侧2cm左右定位FDI的运动皮层代表区，手持线圈于颅骨的切线位置呈45°，在内外方向移动线圈，使用TMS刺激。在右侧FDI使用Ag/AgCl电极记录MEP，并在能够持续诱发出目标肌肉最大MEP振幅的皮层部位使用记号笔标记为运动热点(hot spot)。其中，TMS检测强度设置为1mV，即规定当肌肉放松时，在10次刺激中至少一半的连续性测试能够产生1mV MEPs的最小刺激强度。

1）力量输出表现相关指标：通过等动测试系统，可以得到肘关节等动向心收缩过程中屈、伸肌群峰值功率（peak power，W/kg）、平均功率（average power，W/kg）以及总做功（total work，J/kg）指标。

2）肌肉活性指标：对采集的原始肌电信号先进行带通滤波（截止频率为10～100Hz），然后对滤波后的肌电数据进行基线调整与全波整流，最后计算均方根振幅（root mean square，RMS）。使用单块肌肉的5次屈伸运动中RMS最大值RMS max进行标准化处理，主动肌或拮抗肌的激活水平计算方法如下。

其中，RMSi表示在某一速度下肌肉的RMS平均值，这里i=60°/s，180°/s。

3）皮层兴奋性指标：取后9次连续且有效的MEP峰-峰波幅值计算平均值。

01 肘关节屈伸肌峰值功率

在等动180°/s的条件下，对于屈肌的峰值功率，刺激条件和时间存在交互作用［F(2，30)=4.908，P=0.014］。阴极刺激和假刺激后相比刺激前显著降低（P=0.001，P=0.043），如图4所示。刺激条件和时间对伸肌的峰值功率和等动60°/s的下的屈伸峰值功率均没有交互作用。下文图中*表示同一组刺激前后具有统计学意义，P＜0.05；#表示组间具有统计学意义，P＜0.05，下同。

02 肘关节屈伸肌平均功率

在等动180°/s的条件下，刺激条件和时间对屈肌和伸肌的平均功率，没有交互作用，刺激后的屈伸肌群的平均功率显著降低（屈肌，P=0.016；伸肌，P=0.014）（图5）；在等动60°/s的条件下，对于屈肌和伸肌的平均功率，刺激条件和时间没有交互作用，刺激后的屈伸肌群的平均功率显著降低（屈肌，P=0.009；伸肌，P=0.044）（图6）。

03 肘关节屈伸总功

对于180 °/s下的屈伸总功，刺激条件和时间存在交互作用（F（2,30） =2.644，P =0.036） 。在高速180°/s 条件下，肘关节屈伸总做功在阴极刺激与假刺激干预后均显著减小（P =0.009，P = 0.017） ，而组间无统计学意义（图7）；对于60°/s下的屈伸总功，刺激条件和时间没有交互作用，刺激后的屈伸总功显著下降（P =0.001）。

如表2和表3所示，两种速度下，3种不同刺激类型干预前后，作为主动肌的肱二头肌和肱三头肌激活水平均未发生显著变化，组间和组内没有统计学意义（P＞0．05）；同时，作为拮抗肌的肱二头肌和肱三头肌激活水平也未发生显著变化（P＞0．05），组间和组内没有统计学意义（P＞0．05）。

对于MEP，刺激条件和时间存在交互作用（F（2，14）=5.625，P=0.016）。阳极刺激后MEP振幅较刺激前显著提高了26．8%(刺激前（1.23±0.08）mV，刺激后（1.56±0.2）mV，P=0.046）。阴极刺激后MEP振幅相比刺激前显著降低了26.3%（刺激前（1.33±0.13）mV，刺激后（（0.98±0.09）mV，P=0.034），且显著低于阳极刺激组与假刺激组，而假刺激组干预前后无统计学意义（图8）。

本研究首次探究了tDCS对肘关节屈伸肌群在长时间大强度等动运动中的力量输出的影响。3种tDCS刺激前后，肘关节屈伸肌群在等动运动中的峰值功率、平均功率都没有增强。大量研究表明，10～20min的tDCS可以提高上肢或下肢肌肉（maximum voluntary contraction，MVC）力量或延长次最大自主等长收缩至力竭（TTE）的时间。但与本研究一样，并没有发现2mA，20min的阳极tDCS能够提高膝关节等动运动中的峰值功率、总功等力量表现。对于此现象，已有研究表明，在持续的最大收缩中，对于运动神经元的重复激活可能会降低其对突触输入的应答反应，还可能会增加复发性抑制。对于某些肌肉，小直径的肌肉传入活动会抑制运动神经元。尽管下行的驱动可能不会减小，但即使有额外的运动皮层输出，也无法补偿运动神经元池的变化，最终导致运动单位募集减慢，容易引发中枢疲劳。因此，刺激的有效性可能取决于肌肉收缩的类型（等长与动态）或募集的肌肉量（大肌群与小肌群），这可能会影响神经中枢收到的信息的以及运动皮质需求的大小。未来的研究需要确定tDCS对于不同运动类型的应用效果，以更好的应用于康复和训练中。

本研究中屈伸肌群的平均功率在刺激后显著下降，表明大强度的等动运动测试使受试者产生了疲劳。但是阳极刺激后，180°/s下肘关节屈肌峰值功率和屈伸肌群总做功仍然保持，而阴极和假刺激后显著下降，这表明阳极刺激能够提高肌肉抗疲劳的能力。研究表明，动作速度是等动运动中肌肉疲劳产生的重要因素，随着速度的降低，疲劳的积累会加快，这可能是本研究只在180°/s速度下观察到了阳极tDCS效果的原因。与本研究相似结果相似，阳极刺激可以延长次最大强度下单关节持续收缩和全身性耐力运动至力竭的时间。本研究观察到刺激后MEP提高，但这种由膜极化和神经递质释放变化引起的作用可能对最大运动强度的敏感性较低，因此功率输出没有增加。但是，对M1区的阳极刺激可能促进了肌肉的下行驱动，从而减少了运动前区的活动，使受试者在产生相同力量的同时感觉更少的努力。

M1区是tDCS研究中最主要的刺激区域。tDCS刺激M1区改善运动表现的可能原因是提高了运动皮层的兴奋性，从而维持运动神经元的神经活动，延缓活动肌肉的神经单元的减少。本研究对优势脑半球的M1区进行刺激，但是等动运动的表现没有提升。有研究发现，阳极tDCS刺激非优势半脑M1区后，非优势手的运动表现显著提升，然而，阳极tDCS刺激优势半脑M1区并没有导致显著的手部运动功能改善。对于此种现象，已有研究表明与非优势运动皮层相比，优势运动皮层表现出更低的运动阈值、更高的运动诱发电位，以及更短的静默期。这表明优势脑半球已经处在或接近最佳激活状态，因此外部来源(如阳极刺激)造成的神经元兴奋性增加，不会对优势手的功能带来额外的收益。近年来的一些研究改变了参考电极的摆放位置，发现置于对侧额头或对侧眼上框可以提高最大力量表现。这种现象可能是由于参考电极的摆放位置决定了电流在头皮上的走向，特殊位置的参考电极可能刺激了周边的脑区，因此对于刺激效果有很大影响。之后的研究需要对刺激方案进一步探究，以确定M1区是否是最佳的刺激区域。

本研究对肘关节执行等动向心运动时屈伸肌（肱二头肌与肱三头肌）的肌肉活动进行了监测，并没有发现干预前后主动肌、拮抗肌的激活水平有显著提高。研究发现，阳极tDCS刺激后，肱二头肌在37.5%和50%MVC肘关节屈曲运动中肌肉激活水平显著提高。造成这种差异的原因可能是由于等动运动强度较高，受试者在测试任务执行中都尽了最大努力，因此，主动肌的平均激活程度在两种速度上均接近于100%的水平，存在“天花板效应”，即指标接近测量上限，变化幅度较小，难以反映出电刺激对激活程度的真实影响。此外，在持续的最大强度收缩中可观察到肌电的时域信号幅值减小的现象，这是由于在此类运动中所募集的运动单位趋于饱和，随着疲劳的发展运动单位募集程度降低所导致的，但在本研究中，单组测试持续时间较短（＜20s），而肌电参数对其评定并不敏感，可能无法准确检测到短时间内运动神经元中枢募集的细微变化。

MEP振幅的变化可以反映运动-皮质脊髓传导通路兴奋性的改变。本研究发现，与刺激前相比，阳极刺激后MEP振幅显著提高（26.8%），而阴极刺激后显著下降（26.3%），假刺激后则无显著性差异。这与前人的研究结果一致，表明tDCS可以提高刺激区域皮层的兴奋性。研究发现，4次20min，2mA的阳极tDCS刺激后，力量输出表现和MEP振幅都显著提高。而本研究只观察到了MEP的提高，而运动表现并没有改善。这可能是因为个体之间皮层兴奋性和可塑性存在差异，与变异性低的个体相比，在变异性高的个体中，TMS可能会引发更大的MEP振幅。此外，有研究表明，在使用大电极片时，除了刺激靶区，还会影响邻近的躯体感觉和一些运动前皮层区域，从而影响了持续收缩期间的感觉运动整合和相关的认知需求，而不改变发送到脊髓运动神经元的运动指令，进而提高了运动表现。

研究局限：本研究使用的是传统的35cm²的矩形电极片，过大的尺寸可能导致运动皮层周边的区域也受到了刺激，从而降低了tDCS刺激的精确性，不能确定M1区的兴奋性提高是运动表现改善的主要原因。未来可能需要使用高精度tDCS或经过软件模拟的个性化电极放置方案以提高刺激精确性。此外，运动环境、心理和情感因素可能会影响本研究的结果，但这些因素并没有得到评估，未来可以结合心理量表等手段获取更多这方面的证据支持。最后，在实验设计方面，本研究的运动任务和皮层兴奋性测试不在同一研究中，这在一定程度上增加了对于tDCS作用机制研究的难度。

参考文献

高扬,宋林杰,李路,傅维杰,黄灵燕.经颅直流电刺激对肘关节等动运动中力量输出、肌肉活性的影响[J].应用力学学报,2022,39(05):997-1006.