经颅直流电刺激技术对运动表现影响的国外研究进展

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经颅直流电刺激技术对运动表现影响的国外研究进展
乔淇淇1，王 新2，康 灵1，夏忠梁3*

（1.沈阳体育学院 研究生部，辽宁 沈阳 110102；2.沈阳体育学院 体育社会科学研究中心，辽宁 沈阳 110102；3.沈阳体育学院 体育教育学院，辽宁 沈阳 110102）

摘 要：经颅直流电刺激技术是一项非入侵式脑刺激技术，能够调节大脑皮层神经兴奋性，增强大脑与肌肉的连接，提升人体的运动能力。通过检索Web of Science数据库中2000—2019年有关经颅直流电刺激对运动表现影响的研究文献，系统梳理了国外经颅直流电刺激技术对运动表现影响的相关研究文献，并剖析了该技术应用到体育运动中可能存在的安全性、伦理性及最优化问题。研究表明：1）经颅直流电刺激技术在延缓肌肉疲劳、增强肌肉力量、促进运动技能习得、提升运动感觉及平衡能力等运动表现方面具有一定效果与潜在优势，但存在因脑区的选择及刺激范式（刺激强度、时间、极板大小等）差异导致个别研究未达到上述效果；2）在评价肌肉力量、运动技能学习、运动感觉及平衡能力方面的实验任务设置较为简单，选择最佳刺激脑区和刺激范式以及进行复杂难度的评价任务还需深入研究，且选取运动员作为受试对象验证该技术影响运动员运动表现效益的实证研究数量较少；3）经颅直流电刺激技术在运动训练中使用的安全性存在争议，如何在保证安全的前提下使用该项技术仍是关注的重点问题；4）根据世界反兴奋剂机构（World Anti-Doping Agency，WADA）规定的使用兴奋剂条例界定标准，在体育竞赛中使用经颅直流电刺激技术目前还无法判定该技术属于神经兴奋剂；5）未来将该技术以科技助力应用到真实的运动情景，从而提升运动员的运动表现是体育科学研究中新的研究视角与方向。

关键词：经颅直流电刺激；运动表现；安全；伦理

未来体育训练不仅要注重身体训练，更要加强大脑训练（Hornyak，2017）。通过神经调控技术手段探索神经刺激与运动表现、神经效率与运动表现之间的关系，了解运动技能增强的机理，并将此种技术有效应用到体育训练中是未来发展趋势。运动表现是指人们在运动中以良好的身体素质为基础，利用最优化的动作模式、高效的运动技能效率完成一个或一套动作所表现出的能力。最佳运动表现的特征体现为人们完成动作的能量消耗最少、完成动作的时间最短、达成既定目标最大确定性。运动表现的研究一般可分为最佳运动表现的研究和运动失准的研究（伍瑶等，2018）。身体、生理和心理是影响运动表现的 3个重要因素（McCormick et al.，2015；Neumayr et al.，2003；Sleivert etal.，1996），肌肉力量、运动疲劳、技能掌握情况、稳定平衡以及运动感觉等核心要素更是能直接、客观地反映人体运动表现水平。有研究表明，大脑在提升人体肌肉力量、抑制身体疲劳和改善认知与学习能力等方面起着关键作用（Buch et al.，2017；Colzato et al.，2016），脑神经调控技术将神经科学与人体运动表现联系得愈加紧密。

Reardon（2016）和 Hornyak（2017）均提出一项有助于提升竞技体育运动表现水平的科技手段——“神经启动技术”（neuropriming），即经颅直流电刺激技术（transcranial direct current stimulation，tDCS）。这项非入侵式脑神经调控技术可以极大增强大脑与肌肉的联结，高效提升运动员在体育运动中肌肉协调的效率（Hornyak，2017；Reardon，2016）。但如何将经颅直流电刺激技术安全、有效地应用于体育运动中，进而促进运动员提升运动表现水平，仍存在较大争议。通过检索Web of Science数据库中2000—2019年有关经颅直流电刺激对运动表现影响的研究文献，简要介绍tDCS的概况及其生理机制，并重点梳理和分析该项神经调控技术对人体运动表现的影响及其在体育运动中应用存在的安全性、伦理性及最优化问题。

1 经颅直流电刺激概况
1.1 定义及参数
tDCS是一种利用恒定、低强度直流电（1～2 mA）调节皮质神经元活动的非入侵式脑神经调控技术。该技术具有无创、高效、易操作、低价、易便的特点。电流刺激强度一般在0.5～2.0 mA之间，刺激电极的作用面积包括16 cm2、25 cm2、3 5cm2、36 cm2等；电流密度介于0.02～1.00 mA/cm2；电流刺激时长约为3～30 min；电荷总量为15～100µC/cm2。

1.2 生理机制
tDCS通过调节自发性神经元网络活性而发挥作用。Ardolino等（2005）指出，tDCS具有极性特征和即刻效应，即通过阳极和阴极两个电极传递1～2 mA弱电流刺激，从而调节大脑皮质特定区域的兴奋性。Nitsche等（2000）指出，tDCS对皮质兴奋性调节的基本机制是依据刺激的极性不同引起静息膜电位超极化或去极化的改变，阳极刺激通常降低神经元产生动作电位的阈值，提高皮层兴奋性；阴极刺激提高神经元动作电位的阈值，降低皮层的兴奋性。

tDCS除能调节刺激时的大脑皮层兴奋性，产生即刻效应，还能产生一定的持久效应。有研究表明，tDCS的后续效应可持续1 h的时长（Furubayashi et al.，2008）。认为tDCS的持久效应可能与突触变化有关，或与NMDA和GABA等神经递质受体的功效受到调节，从而影响长时程抑制（long term drepression，LTD）和长时程增强（long term potentiation，LTP）密切有关（Siebner et al.，2004）。Monai等（2016）指出，tDCS能够重塑突触的原因，可能与tDCS作用下星形细胞钙离子浓度发生变化有关。tDCS还能在脑网络层面上改变大脑的兴奋性（Grefkes et al.，2016；Roche et al.，2012）。

2 经颅直流电刺激对运动表现的影响
近年，tDCS是否能帮助健康人群、运动员提高运动表现（王开元等，2018），进而加速运动员提高专项技能的研究受到关注。Colzato等（2016）指出，脑神经调控技术对人体运动表现的影响主要包括延缓肌肉疲劳、增加肌肉力量、促进动作技能学习和提升运动感觉等。

2.1 对肌肉疲劳的影响
肌肉疲劳是身体肌肉承受工作活动产生的疲劳，对运动员和非运动员人群日常生活的身体表现会产生限制。以呼吸系统和心血管系统为主的氧运输系统对于长时间运动中骨骼肌和神经的能量供应至关重要。有研究表明，阳极tDCS刺激增加相应电极区域下脑血流灌注（Stagg et al.，2013），改善脑部血流，延长脑组织正常工作时间，推迟疲劳的发生（表1）。

Cogiamanian等（2007）研究表明，6 min后进行左肘曲肌35%MVC直至力竭测试，神经肌肉疲劳下降15%，左侧肘关节屈曲等长收缩达到力竭的时间显著延长。Williams等（2013）研究表明，当个体处于疲劳时，利用tDCS可以辅助增加个体继续运动的能力。Okano等（2015）研究表明，受试对象在运动期间自我感知疲劳程度（rating of perception exertion，RPE）增加缓慢、峰值功率输出提升4%。Vitor-costa等（2015）同样证明了阳极tDCS能够延缓受试者达到疲劳的时间。

但Flood等（2017）的研究结果与上述不同。该研究采用HD-tDCS刺激感觉运动皮层，12名受试者进行了最大自主收缩（maxmium voluntary contraction，MVC）和次最大肌肉耐力实验，研究表明，该技术减少了疲劳带来的疼痛，但是对肌肉耐力的影响并不显著。Flood等（2017）认为，造成这种结果的原因可能是通过HD-tDCS施加的电流空间特异性大于传统tDCS，刺激目标可能分散在手区的运动皮层之外，潜在诱导了邻近区域发生不必要的神经元变化；但其同样认为刺激持续时间是需要考虑的重要因素之一。Kan等（2013）和Muthalib等（2013）也发现，阳极tDCS技术在刺激人体M1区时，没有对延缓人体单个肌群疲劳起到积极效果。

本研究发现，目前的实验研究中选择的刺激脑区多为M1，并且认为通过提升M1兴奋性，可增加皮质脊髓通路的输出量，延缓脊髓上段的疲劳，进而提升人体延缓肌肉疲劳的能力；Okano等（2015）的研究证明，刺激脑区不在M1区，同样可以达到延缓运动疲劳的效果。提示在应用tDCS研究对肌肉疲劳影响时，实验中也应考虑刺激其他脑区开展研究。但有研究指出，tDCS不能延缓肌肉疲劳（Kan et al.，2013；Muthalib et al.，2013）。综上，本研究认为，影响延缓疲劳效果的因素可能包括：脑区的选择、刺激强度和持续时间等。因此，需要在今后进行更为严格的设计和深层次的研究，探索出最佳刺激脑区以及相应刺激参数，进而应用该技术提高专业运动员群体的运动表现。

2.2 对肌肉力量的影响
肌肉力量是提升人体运动表现的基础性身体素质之一，是由形态与神经因素共同支撑的，这些因素包括肌肉横截面积和结构、肌腱韧性、运动单位募集、速率编码、运动单位同步和神经肌肉抑制等（Suchomel et al.，2018）。长期的力量训练可以提高中枢神经的兴奋性、释放更多的激素，促使运动中枢诱发更高频率的同步化神经冲动，募集到更多的运动单位参与肌肉运动收缩，表现出更大肌肉力量。tDCS可以调整大脑皮层的兴奋性，阳极刺激大脑皮层能够短暂而显著地提高神经兴奋性。Ardolino等（2005）指出，tDCS可以改变脑区局部pH值（H+）及细胞内钙离子浓度，从而改变神经元非突触兴奋性，有助于中枢释放强而集中的神经冲动，增加肌肉力量（表2）。

表1 经颅直流电刺激技术对肌肉疲劳的影响研究
Table 1 Study Effect of Transcranial Direct Current Stimulation on Muscle Fatigue

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注：M1表示初级运动皮层区；MVC表示最大等长收缩；ET表示持续时间；TTE表示达到疲劳时间；RPE表示自我感知疲劳强度；BRUMS表示Brunel情绪量表；T3表示左中颞皮质；Cz表示中央中线；TTF表示任务失败时间；PPO表示峰值功率输出；HRV表示心率变异性；TI表示扭矩积分。

M1区是研究常用的刺激脑区，通过tDCS刺激该区能有效提高人体肌肉力量。Cogiamanian等（2007）运用阳极tDCS刺激24名健康受试者右侧初级运动皮质（M1），采用左肘曲肌MVC测试，受试者左肘曲肌的力量耐力有所改善。Tanaka等（2009）研究表明，对健康受试人群，阳极tDCS刺激右M1区时，可以增加腿部最大夹捏力量，并且受试者接受tDCS刺激后30 min，仍然保持增加受试者肌肉力量的刺激效果，但在刺激后60 min最大夹捏力量下降到基线水平。Tanaka等（2011）的研究证明，运用该技术还可以调节中风患者膝关节伸展的力量。Frazer等（2017）研究表明，采用重复阳极tDCS刺激受试者桡侧腕屈肌（flexor carpi radialis，FCR）的皮层，在刺激后24 h进行最大自主等长收缩测试，仍然能够有效增强腕屈肌的力量。值得注意的是，Hendy等（2014）运用阳极tDCS刺激右侧M1，并结合右侧上肢伸肌力量训练，可以交叉激活异侧未经过力量训练上肢的力量。提示可以根据tDCS的迁移特性，将其应用到临床骨骼肌受伤、中风术后康复以及运动员力量训练中，对提升人体的运动表现质量具有事半功倍的效果。

表2 经颅直流电刺激技术对肌肉力量的影响研究
Table 2 Study Effect of Transcranial Direct Current Stimulation on Muscle Strength

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注：M1表示初级运动皮质；DLPFC表示背外侧前额叶皮质；FCR表示桡侧腕屈肌；MVIC表示最大自主等长收缩；PF表示夹紧力；PT表示峰值扭矩。

随着研究范围的扩大和研究层次的加深，研究趋向于探究使用tDCS刺激其他区域加强人体的肌肉力量。Lattari等（2016）研究显示，受试者完成肘部屈肌10 RM负荷收缩数量增加。Lattari等（2018）采用专业器械进行10 RM最大负荷运动测试，通过刺激15名受试者的左侧背外侧前额叶皮质（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC），有效增加受试者在任务中的（volume-load）负荷量。Hazime等（2017）研究发现，阳极tDCS刺激手球运动员C3和C4皮层后，外旋肌MVIC在刺激过程中、刺激后30 min和60 min显著增加，内旋肌MVIC在刺激过程中、刺激后30 min显著增加，并且短暂增加了运动员肩内旋、外旋最大收缩力量。Vargas等（2017）选取女子足球运动员作为受试对象，将阳极放置受试者C3和C4皮层进行刺激，受试者膝关节伸肌最大等长自主收缩能力明显增强。研究还发现对于优势侧伸肌而言，阳极刺激组与假刺激组在刺激过程中、刺激后30 min和60 min存在显著差异。但Maeda等（2017）发现，阳极tDCS并不能增强人体下肢肌力训练的效果，认为导致上述结果可能与研究的样本量较小、选取的受试个体差异较大以及未采集到肌肉力量训练与阳极tDCS联合作用的神经生理学数据等有关。

研究已证实阳极tDCS可以增强人体肌肉力量，并指出受试者接受13 min tDCS刺激所引起的皮层兴奋性能够保持90 min左右（Nitsche et al.，2001）。但研究主要集中在刺激后30 min或60 min肌肉力量的保持效果，鲜有刺激后90 min甚至更长时间肌肉力量的变化研究。提示深入研究tDCS所能引起的痕迹效应，以及在刺激的痕迹效应内进行相应的体育训练是否会获得更为理想的训练效益，尚待进一步研究。

2.3 对运动技能学习的影响
学习和记忆是重要的认知功能，在认识、适应和改造主客观环境等方面发挥着不可替代的作用。学习是获取新信息的过程，其结果便是记忆（周鹏等，2018）。运动技能学习是在大脑皮层主导下，人体接受多种信号刺激，建立复杂条件反射的过程，是从初期兴奋性泛化，到后期兴奋与抑制相互协调的过程。研究表明，tDCS可增加突触可塑性，增强运动前区、运动区及感觉运动区的功能性接。上述机制对于运动技能学习过程中的脑活动会产生积极影响（Kuo et al.，2014），促进运动技能的学习（表3）。

Reis等（2009）指出，tDCS能够促进运动技能学习，提高练习效益和提升运动表现水平。运动技能的学习和适应与脑网络的功能和结构有关，尤其与M1、小脑、辅助运动皮层（SMA区）、DLPFC等脑区关系密切。Nitsche等（2003）认为，M1参与了技能习得阶段和早期巩固阶段的内隐运动学习，刺激M1区能够显著提升动作学习的表现水平，促进运动技能的获得和保持。Vines等（2008）研究发现，阳极tDCS刺激可以提高受试者手指连续敲击键盘的正确率。Ehsani等（2016）研究表明，该技术能够减少测试任务的反应时与错误数量，促进健康人离线运动技能学习的能力，运动技能的学习效果可保持48 h。Hupfeld等（2016）应用阳极tDCS刺激SMA区，同样改善了受试者的简单和选择反应时。还有研究指出，阳极电流刺激M1可以显著减少反应时、提高任务绩效和有效提高学习效果（Ammann et al.，2016；Panico et al.，2016）。Kidgell等（2013）研究表明，运用tDCS（单侧和双侧）刺激M1区，在刺激过程中、刺激后30 min和60 min 3个阶段，学习者均能显著改善PPT的运动表现。Zhu等（2015）应用阴极tDCS刺激左侧DLPFC改善了运动学习和高尔夫推杆练习中的表现。Wade等（2015）指出，观察性学习也是运动技能习得的有效办法，在观察阶段增加PM（前运动区）的兴奋性可以缩短技能习得的时间，还可以提高完成任务的准确性。

总结相关研究发现，该技术促进运动技能习得的主要刺激脑区是M1，刺激其他脑部区域也具有同样效果；促进运动技能学习的刺激参数相对多变，时长多为15～20 min不等，刺激强度多为1 mA或2 mA，极板为25 cm2居多；研究中常用来评价运动技能学习任务有：1）连续的手指敲击任务（SFTT包括隐式或显式序列结构）；2）顺序视觉等距夹紧力任务（the sequential visual isometric pinchforce task，SVIPT）；3）系列反应时任务等（卞秀玲 等，2018；Buch et al.，2017；Ghilardi et al.，2008）。但在应用该技术评价运动技能学习时，采取的任务评价设置较为简单，缺少多关节、多维度复杂运动技能的学习，以及缺少保持和迁移阶段的技能测试。

2.4 对运动感觉的影响
运动感觉又称动觉，是主体对运动中身体姿势和肢体动作的感受或意识，包括对身体各部分所处位置的感觉，动作的样式、幅度和方向的精确性感觉；对动作的速度和平衡的粗略意识，以及身体在空间定向较为模糊的感受（丁世聪等，2017）。例如，蹦床运动员在空中做动作的空间感和方向感，以及高水平滑雪运动员助滑时的速度感和滑出后的角度感等。学习者或运动员通过无数次的练习，将运动感觉存入大脑，才能更有效地做出各种动作技能。有研究显示，经颅直流电刺激可以加强突触的连接，促进对肢体的控制，可以提高运动感觉（表4）。

Antal等（2004b）研究表明，tDCS改变了视觉运动感知和运动性能，在阳极刺激的早期学习阶段，正确跟踪运动的百分比显著增加，视觉运动协调能力得到增强。Antal等（2004a）进一步研究指出，接受阴极刺激视觉皮层，能改善视觉运动协调任务的性能，包括动态、高分辨率感知和移动目标预定的运动选择。值得注意的是，当采用2 mA阳极电流刺激高水平运动员左背外侧前额叶皮层，运动员的认知表现和情绪方面得到改善，可以获得潜在的竞争优势（Borducchi et al.，2016）。tDCS同样用于治疗临床患者，恢复其感知觉功能。在Mortensen等（2016）的研究中，阳极tDCS较多应用于脑卒中患者上肢运动功能障碍的康复，刺激脑区为损伤侧大脑半球，增加运动皮质的兴奋性，促进潜在的神经元恢复丧失的功能。Olma等（2013）研究表明，受试者运动灵敏度可以显著提升，改善了视觉系统中残存完整神经元的视觉感知功能，并有较长时间保持效果，弥补了中风相关神经元丧失的视觉功能不足。樊京京等（2015）认为，应用tDCS刺激癫痫患者的大脑皮层，调节大脑皮层的兴奋性，有助于控制癫痫的发作。本研究推测，在需要保持镇静及抑制颤动的项目（如射击等），应用该技术可能存在潜在的提升效果。该技术还可以应用于帕金森（乔娜等，2019）、脑卒中（Hummel et al.，2005；Jo et al.，2008）及抑郁症（Boggio et al.，2008；Fregni et al.，2006）等进行治疗与康复，均表现为有效改善患者的运动能力及认知能力。

表3 经颅直流电刺激技术对运动技能学习的影响研究
Table 3 Study Effects of Transcranial Direct Current Stimulation on Motor Learning

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注：M1表示初级运动皮层；G1表示刺激组1；G2表示刺激组2；PM表示前运动区；RT表示反应时；SMA表示辅助运动皮层；SRT表示简单反应时；CRT表示选择反应时；PPT表示普渡钉板测试。

鉴于运动感觉属于较微妙的意识或感知，研究无法进行直接的评价和测量，在应用tDCS探究对运动感觉的影响时，应多采用间接的方式进行研究，包括视知觉运动任务（视觉运动协调任务、视觉动作追踪任务）、简单动作控制任务以及运动障碍患者的运动能力康复测试等。

2.5 对平衡能力的影响
平衡能力是一项重要的身体素质，是抵抗破坏平衡的外力，保持身体处于稳定状态的能力。在竞技体育比赛中，如雪上技巧类项目、蹦床以及体操等，提升运动员平衡能力尤为重要。神经影像学数据显示，动态平衡任务（dynamci baalnce task，DBT）中的平衡学习与运动相关区域的功能相关结构脑改变之间存在密切的关联（Taubert et al.，2010）。Sohn等（2013）研究表明，tDCS刺激脑部皮质可增强大脑皮层的兴奋性，能加强人体的姿势控制和提升肌肉力量，具有潜在提升平衡能力价值（表5）。

Kaminski等（2016）研究表明，阳极tDCS组较假刺激组提升了动态平衡能力，表现为更好的平衡运动表现与较小的平衡误差，并且受试者可以将这种平衡能力保持24 h。Ehsani等（2017）指出，小脑对姿势的控制与平衡具有重要作用，小脑蚓部相当于控制轴肌，主导运动平衡和姿势控制（Shumway-Cook et al.，2012）。Ehsani等（2017）研究表明，阳极tDCS刺激小脑对老年人姿势控制和平衡的改善有直接作用，能够提升老年人平衡能力。Yosephi等（2018）研究证明了阳极刺激M1和小脑，能够改善高风险老年人的平衡能力。Hupfeld等（2016）研究显示，受试者缩短了平衡能力测试中达到平衡状态的时间。提示tDCS能够帮助人体提升平衡能力及平衡任务的快速学习。

表4 经颅直流电刺激技术对运动感觉的影响研究
Table 4 Study Effects of Transcranial Direct Current Stimulation on Motor Sensation

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注：Cz表示中央中线；V1表示初级视皮层；PM表示前运动皮层。

但Kaminski等（2013）研究表明，将阳极极板放置SMA、阴极极板放置前额叶皮质（prefrontal cortex，PFC）未能促进动态平衡能力的提升，甚至损害了受试者的平衡能力。当互换阳极和阴极极板位置再次进行实验时，发现受试者的动态平衡能力并没有显著变化。为了进一步探究受试者平衡能力受损的原因，研究人员又进行了一项对照实验，仍将阳极极板放置SMA区，阴极极板放置PFC区，但是增大阴极刺激PFC极板面积，结果显示，对照实验中受试者的动态平衡能力并没有像第1次实验一样受到影响。提示在研究tDCS对平衡能力影响时，首先应该考虑两个刺激电极放置的位置；其次，在严格控制极板面积的前提下，将阴极极板放置PFC区可以对人体的平衡能力产生抑制影响。Lee等（2012）和Kaminski等（2017）应用tDCS分别刺激CZ和双侧M1腿部区，也未能促进受试者的平衡能力提升，认为：1）受试对象为老年人，平衡能力提升可能与年龄差异存在影响；2）老年人在执行运动任务时比年轻人表现出更精细的大脑激活，只刺激M1区可能不能激活脑的整个网络完成复杂的平衡任务；3）刺激的方式及时机，也可能与受试者的平衡能力存在必然联系。

综上，研究选取的刺激脑区、刺激参数及平衡评价任务存在差异，可能是tDCS对平衡能力产生影响的主要原因。tDCS诱发行为的改变可能与年龄差异具有一定关系，应用tDCS时应考虑年龄因素的影响。tDCS对平衡能力影响的相关研究中缺少运动员等受试人群的参与。因此，该技术是否能有效改善运动员的平衡能力，有待进一步研究。

3 体育运动中使用tDCS面临的问题
3.1 应用tDCS的安全性问题
tDCS使用的安全性问题是研究关注的焦点。有研究证实，在广泛的刺激参数范围内（≤40 min，≤4 mA，≤7.2 C）不会对人体造成损伤（Bikson et al.，2016），且该技术无论是对健康者还是有神经疾病的患者，应用于皮质的运动区和非运动区，其不良作用都很小。最常见的不良作用为电极板下轻微的麻感和痒感，但存留时间较短（Brunoni et al.，2012）。Iyer等（2005）对1 mA和2 mA tDCS刺激额叶的安全性进行了研究，研究表明，在有限的暴露于tDCS下产生极化的额叶皮质是安全的，且能选择性提高健康者的言语流利度。Alonzo等（2012）和Verònica Gálvez等（2013）的研究分别证实了连续使用5天tDCS进行刺激，观察受试者无不良反应。美国国立卫生研究院（NationalInstitutesofHealth，NIH）认为，在使用合适的电极和导电膏条件下，电流密度约为2.546 mA/cm2，持续时间＜20 min，均为安全范围（Bikson et al.，2009）。刘盼等（2011）指出，电流密度0.05mA/cm2，平均电量0.06C/cm2为组织损伤的阈值，tDCS的安全参数设置为电极板5×7 cm2，刺激持续30 min以内，电流1.0～2.0 mA证实为安全。上述研究证据表明，tDCS是一项安全的非入侵式脑神经调控技术。

表5 经颅直流电刺激技术对平衡能力的影响研究
Table 5 Study Effect of Transcranial Direct Current Stimulation on Balance Ability

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注：M1表示初级运动皮层；Cz表示中央中线；TiB表示平衡时间；APSI表示前后稳定指数；MLSI表示内测外侧稳定指数；OSI表示整体稳定指数。

但研究指出，tDCS仍然处于试验阶段，还需要大量的实践研究证明这项脑刺激技术产生的效果及应用前景。且现有研究均来自以病人和普通健康者为受试对象研究得出的结论，而以运动员和体育活动参与者为受试对象的研究证据仍然匮乏（Banissy et al.，2013）。Nitsche等（2008）研究指出，脑刺激技术对身体存在以下潜在风险：1）电刺激脉冲会导致脑组织受到伤害；2）电化学反应会产生毒素物质；3）电流会对皮肤产生损伤；4）电荷沉积以及通过电流调整氨基酸和蛋白质会造成脑损伤；5）造成神经系统疾病，如癫痫、急性湿疹；6）造成头疼、皮肤瘙痒、恶心等症状。Seller等（2015）研究表明，tDCS刺激大脑额叶皮质后，真刺激组相比于假刺激组，阻碍了知觉推理指数和总智力分数提升幅度。

3.2 在体育运动中应用tDCS的伦理性问题
“以人为本”是竞技体育本源，是竞技体育可持续、健康发展的根本。tDCS可以增强大脑与肌肉的联结，提高运动员在体育运动中肌肉协调的效率，增强肌肉力量、延缓肌肉疲劳、促进运动技能学习、提升运动感觉，辅助提升运动员运动成绩的客观事实不容忽视。同时，tDCS还可以提升观察力、记忆力，尤其对于国际象棋、电子竞技这类要求运动员在比赛中高度集中注意力、良好的创造力和记忆力的体育项目存在潜在提升效果。因此，在不同的运动项目中使用经颅直流电刺激是否违背了“以人为本”的体育内涵，该技术是否被认为是用一种新兴的非药理性兴奋剂——“神经兴奋剂”，均有待考究。

世界反兴奋剂机构（World Anti-Doping Agency，WADA）规定：如果某些物质或手段符合其列出的3个要素中的至少2个，就被视为兴奋剂。这些因素包括：1）提高运动成绩；2）违反体育精神；3）个人风险。按照WADA的标准，假设tDCS具备一定的安全性，那么关于tDCS是否被判定为兴奋剂，则可简化为应tDCS是否违反“体育精神”。Davis（2013）从原则和实践的角度提出，在训练过程中的神经增强不应该被认为是不道德的行为。因此，训练期间在安全的条件下使用经颅直流电刺激作为辅助训练手段，通过增强其神经的连接，提高运动员的运动表现，并没有违反体育精神，不应认为使用了兴奋剂。“急性”是tDCS的一个特性，研究表明，tDCS刺激后大脑皮层的兴奋性即刻提高，刺激效应一般可维持20～60 min，急性效果取决于刺激的强度和时长（Nitsche et al.，2001）。如果经颅直流电刺激被认为是一种“神经兴奋剂”，就现阶段神经兴奋剂检测技术而言，由于无法采取有效办法检测出运动员在训练期间或比赛前是否接受tDCS刺激，因此不能判定其使用了兴奋剂手段。但Park（2017）认为，tDCS的效果与增加中枢神经兴奋的安非他明和减少震颤的β受体阻滞剂（Zhang et al.，2016）等几种流行药物相似，是一种新兴的“神经兴奋剂”，同样会危害运动员健康。

tDCS的伦理关注高于其他方面研究的关注，但在运动中使用该技术是否被视为违反体育道德仍未明确（Riggall et al.，2015）。不可否认的是，tDCS对提升运动表现有着积极的效果，但目前还存在公平性问题、世界反兴奋剂机构对该项技术是否被列为神经兴奋剂的定位问题以及伦理道德性问题等。

3.3 在体育运动中最优化使用tDCS问题
tDCS的研究已经证实能够增强人体的运动表现（卞秀玲 等，2018；Angius et al.，2018），探究经颅直流电刺激、运动训练以及刺激联合运动训练三者之间的效益关系，明确tDCS的具体定位，是制定训练计划的前提，更是服务运动训练的重要保障。卞秀玲等（2018）认为，将经颅直流电刺激联合运动训练产生的效益可能会超过两者单独训练的效益。Yosephi等（2018）的研究表明，相较于单独的平衡姿势训练或刺激小脑训练，采用tDCS刺激联合平衡姿势训练能够显著提升受试者的姿势稳定指数、提升平衡能力。Mahmoodifar等（2019）的研究同样证实了接受阳极tDCS刺激联合运动技能训练有效改善了受试者的平衡能力。这些研究证据表明，经颅直流电刺激联合运动训练对于平衡能力的提升效果优于单独接受经颅直流电刺激或运动训练。通过梳理相关文献发现，将tDCS应用到力量、疲劳的研究中，多采用离线刺激任务，即在训练前或训练后接受刺激；将该技术应用到运动技能学习的研究，多采取在线刺激任务，即在训练过程中同时开展刺激。

tDCS可以改变大脑皮层兴奋性、增强突触连接、提高人体在运动中肌肉协调效率，进而提升人体运动表现。分析发现（表1～5），研究中所使用的刺激剂量与运动表现存在不确定关系。Davis（2014）指出，提升人体运动表现所需最优化刺激剂量（刺激电流强度、刺激持续时长、极板大小）尚未明确。表明不同的刺激剂量可能产生相同的刺激效果，而相同的刺激剂量也可能提升人体不同方面的运动表现，提升运动表现最佳刺激剂量可能是一个集合。因此，探究最优化刺激剂量与运动表现之间的效应关系是未来的研究方向。

4 对tDCS使用的反思与展望
tDCS作为非入侵式脑神经调控技术之一，以其无创、高效、易操作、低价、便携等特点，在神经科学、康复医学及运动科学等领域取得了飞跃式发展。但是，使用该技术提升人体运动表现时仍存在一些不足及亟需改进的内容。

1）围绕肌肉力量、运动疲劳、技能掌握、身体平衡以及运动感觉五大要素评价人体运动表现的研究中，M1是提升人体运动表现的主要刺激脑区；但是DLPFC、SMA以及小脑等刺激脑区对提升普通人群，甚至运动员特定的运动表现能力同样发挥作用。提示在未来的研究中，一方面将tDCS与运动学、神经生理学、脑神经影像学等多学科技术相结合，进行多信息融合分析，剖析刺激不同脑区与提升运动员运动表现的关系；另一方面，应继续明晰该技术提升人体运动表现具体的神经生理机制。

2）梳理、分析现有研究成果的实验设计，在实验中刺激参数的选取与组合各不相同；进行保持任务测试的时间间隔较短；设置的实验任务较为简单，缺乏复杂任务范式及真实运动情景的任务范式。研究多选取健康普通人作为受试对象，选取运动员作为受试对象验证tDCS提升运动员运动表现的实证研究数量较少。提示在未来研究中，一方面通过开展实证研究调整相关刺激参数的大小，确定最佳刺激参数（刺激强度、刺激时间、刺激极板），以及研究刺激后不同时间间隔的痕迹效应；在真实运动情景下，通过设计多关节、多维度实验任务探索利用该技术原理的便捷式设备开展实证研究，提升研究的生态学效度；另一方面，选取运动员作为受试对象进行更多的实证研究，探究tDCS对运动员运动表现的影响效益，进而通过科技助力方式提高运动员的运动成绩。

3）tDCS刺激靶向的精确性是影响研究结果的关键因素。一方面，如果刺激电流聚焦分散到其他脑部区域，将直接影响提升运动表现的效果，在运动训练过程使用该项技术也可能会降低运动训练效益；另一方面，运动员在竞赛中的运动表现是其综合竞技能力水平的体现，现有的研究设计多为刺激一个脑区，验证是否提升运动员某一项运动能力；研究未关注是否提升了运动员多种运动能力以及多种运动能力之间是否存在抑制作用。提示在未来研究中，一方面，研究应利用高精度tDCS，确保刺激精准靶向目标脑区，提高刺激诱发行为变化的效果；另一方面，建议设计刺激单一脑区的多任务实验方案或设计同时刺激多个脑区的实验方案，分别验证多种竞技能力之间是否存在同时提升或相互抑制的关系，以及根据运动员提升不同的运动能力需求，选择最佳的刺激脑区或区域组合，综合提升运动员能力与素质，避免提升某一运动能力而损害另一运动能力。

4）tDCS在体育运动应用中仍存在潜在的安全问题，还未有权威的机构发布其确切的安全诊断处方；竞技体育领域中使用tDCS的伦理问题主要体现在该技术是否会被定义为“神经兴奋剂”，以不正当的行为提高运动成绩。提示在未来研究中，一方面，应在已知安全的范围内谨慎使用tDCS，保证运动员的安全；另一方面，针对该技术在竞技体育中的应用，建议尝试开发检测仪器设备、制订检测神经兴奋剂的量化标准，如刺激的时长、刺激的电流强度等刺激参数的上下限，针对运动员进行“神经兴奋剂”精确检测。

5）tDCS可以提升人体运动表现，但对不同的群体，尤其是运动员群体，该技术联合运动训练所产生的复合效益对比单一训练或单一刺激是否更为理想，仍需要更多的研究证据；提升人体运动表现所需的最优化刺激剂量尚未明确。提示在未来研究中，一方面，需要进一步探究tDCS、运动训练、刺激联合运动训练三者对运动员运动表现的提升效益；另一方面，仍需要进行大量实证研究，探究刺激剂量与运动表现的效应关系，确定最优化刺激剂量，从而更好地提升运动员的运动表现，取得出色的竞技成绩。

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Foreign Research Progress on the Effect of Transcranial Direct Current Stimulation on Sports Performance

QIAO Qiqi1,WANG Xin2,KANG Ling1,XIA Zhongliang3*
1.Shenyang Sport University，Department of Postgraduate，Shenyang 110102，China；2.Shenyang Sport University，Sports Social Science Research Center，Shenyang 110102，China；3.Shenyang Sport University，College of Physical Education，Shenyang 110102，China

Abstract:Transcranial Direct Current Stimulation is a non-invasive brain stimulation technology,which can regulate the excitability of cortical nerve and enhance the connection between brain and muscle,thereby improve the motor ability.By searching the literature in the database of Web of Science,this paper systematically summarizes the oversea researches about the influence of transcranial Direct Current Stimulation technology on sports performance,and analyzes the safety,ethics and optimization methods in the application of this technology to sports.It is concluded that：1)Transcranial Direct Current Stimulation technology has potential advantages in improving motor performance,including delaying muscle fatigue,enhancing muscle strength,promoting motor skill acquisition,enhancing motor sense and improving balance ability.However,a small number of studies didn’t observe these effects because of the differences in brain regions selection and stimulation patterns(stimulation intensity,time,plate size,etc.);2)the experimental task setting in the evaluation of muscle strength,motor skill learning,motor sensation and balance ability are relatively simple,and the selection of the best stimulation brain area and stimulation paradigm as well as the evaluation of complex and difficult motor tasks needs further study.Only a few empirical studies recruited athletes to verify the effect of this technology on their sports performance;3)the safety of the application of transcranial Direct Current Stimulation technology in sports training is controversial,so more studies are needed to clarified how to use the technology safely;4)according to the doping standard defined by the World Anti-Doping Agency(WADA),whether the transcranial Direct Current Stimulation technology in competitive sports is a nerve stimulant or not is not very clear;5)in the future,more studies should be carry out to apply this technology to real sports situations with the help of science and technology,so as to improve athletes’performance.

Keywords:transcranial direct current stimulation;sport performance;safety;ethics