高精度经颅直流电刺激对足部肌肉力量、踝关节运动觉及...

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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
肖松林1，周俊鸿2,3，王宝峰1，张希妮1，殷可意1，傅维杰1*，刘 宇1

（1.上海体育学院 运动健身科技省部共建教育部重点实验室，上海 200438；2.哈佛医学院，美国 麻州 02115；3.希伯来老年研究所，美国 麻州 02131）

摘 要：目的：探究高精度经颅直流电刺激（HD-tDCS）对足部肌肉力量、踝关节运动觉及静态平衡的影响。方法：选取14名健康男性大学生，间隔1周对受试者进行单组随机双盲的HD-tDCS真刺激（持续20 min的2 mA电流强度的刺激）和假刺激（仅在开始时提供30 s的主动刺激）方案。采用重复测量双因素（刺激方案×刺激前后）方差分析上述自变量对受试者的足趾屈曲力量、跖趾关节屈肌力量、踝关节被动运动觉阈值及静态平衡各指标的影响。结果：HD-tDCS干预后，受试者全部完成干预且无报道相关副作用和不良反应，推测刺激类型总体正确率为35.7%，致盲效果良好；真刺激后体重标准化后的第一足趾屈曲力量显著增加（P＜0.05）；真刺激后踝关节内翻运动觉阈值显著降低（P＜0.05）；真刺激后单足闭眼站立时重心前后、左右平均摆动速度显著降低（P＜0.05）。结论：采用高精度经颅直流电刺激能够即刻提高足趾屈曲力量、降低踝关节内翻被动运动觉阈值，并改善单足闭眼站立平衡控制能力。提示，上述非侵入脑刺激技术是一种提升足部肌肉力量、足踝部感觉功能以及静态平衡能力的有效干预，可将其作为足部功能增强的手段。

关键词：高精度经颅直流电刺激；足部肌肉力量；踝关节运动觉；静态平衡

近年来，经颅直流电刺激（transcranial Direct Current Stimulation，tDCS）作为一种非侵入脑刺激技术，通过诱导放置在头皮上的两个或多个电极之间的低振幅电流来调节皮质兴奋性（Nitsche et al.，2000）。目前已初步引入体育科学领域以探究其如何提升人体运动能力（卞秀玲等，2018；王开元等，2018；殷可意等，2019），如已发现单组（single-session）tDCS刺激大脑运动皮层区（M1区）可以提高股四头肌等长收缩力量（Vargas et al.，2018）、增强足趾夹紧力（toe pinch force）（Tanaka et al.，2009）；单组tDCS能够显著降低足趾指腹的触觉阈值，提高足部触觉功能（Yamamoto et al.，2020）。虽然上述研究证实了tDCS可以部分增强下肢肌肉力量以及足感觉功能，但Montene‐gro等（2015）发现，tDCS不能增加如膝关节屈肌和伸肌的等长收缩力量等。究其原因，考虑是传统tDCS通常采用35 cm2海绵电极进行电流传输时会覆盖较宽区域，使得部分电流分散而无法准确刺激控制下肢的脑区（Datta et al.，2009）。而最新研发的高精度 tDCS（High-Definition tDCS，HD-tDCS）采用半径约为1 cm圆形电极，使电流精准聚焦目标脑区，且刺激的脑功能区域更深，弥补了传统tDCS的局限（Reckow et al.，2018）。因此，未来的研究可考虑探究HD-tDCS对人体运动能力及成绩提升的影响。

最新的研究范式将人体复杂的足部结构考虑为足核心系统（foot core system），包括主动子系统、被动子系统以及神经子系统（肖松林等，2020；McKeon et al.，2015），其中，由足部肌肉构成的主动子系统控制足部运动并提供原动力，而感觉受体构成的神经子系统提供足踝姿势相关的感觉信息（McKeon et al.，2015），二者对于维持站立平衡、控制身体姿势至关重要（Lephart et al.，1997）。Lowrey等（2010）研究指出，足部感觉受损及肌力下降会使步行变异性增加、跌倒风险增加；甚至会诱导慢性踝关节不稳、足底筋膜等运动疾患（Cheung et al.，2016；Lee et al.，2019）。本团队的系统分析亦表明，足部功能增强虽主要通过增加足部肌肉力量，但也应联合足部感觉功能的提升（肖松林等，2020）。结合之前传统tDCS通过调控大脑皮层兴奋性能够增强足部肌肉力量与感觉功能的研究发现，我们有理由推测HD-tDCS可以用来提高足部肌肉力量、足踝部运动感觉以及相应的运动表现，而目前这方面的研究国内、外均鲜见。

据此，本研究目的：探究单组HD-tDCS能否提高足底肌肉力量以及增强足踝运动觉感知能力，并进一步探究能否提高静态平衡功能，以期为足部健康和功能增强提供新的思路，同时为预防足部损伤以及损伤后恢复提供新的视角。本研究假设：单组HD-tDCS真刺激能够增强足趾屈曲力量、降低踝关节被动运动觉阈值，并进一步提高静态平衡能力。

1 方法
1.1 受试者
选取14名健康男性大学生作为受试者（表1），均自愿参加本研究。所有受试者近半年内无下肢受伤史，身体状况良好，且无皮肤过敏、体内金属植入物等经颅直流电刺激禁忌症。确认受试者于实验前24 h内未从事剧烈运动，且每次测试开始前4 h内未食用含咖啡因等有兴奋作用的饮料。受试者在测试之前了解tDCS相关基本情况，理解本实验意图，清楚实验流程并签署知情同意书。

表1 受试者基本情况
Table 1 Basic Information of the Participants

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1.2 实验仪器
1.2.1 经颅直流电刺激仪

德国neuroConn公司生产的DC-Stimulator仪器用于受试者HD-tDCS干预。

1.2.2 踝关节本体感觉测试仪

采用济南桑尼生产的踝关节本体感觉测试仪采集踝关节跖屈、背屈、内翻和外翻被动运动觉阈值。本实验室团队已经验证该仪器的重测信度，组间相关系数ICC为0.737～0.935（Sun et al.，2015）。

1.2.3 跖趾关节屈肌力量测试仪

采用本团队自主产权的跖趾关节屈肌力量测试仪（发明专利号：CN103278278A，中国）。该仪器采用踏板传递跖趾关节运动，利用力量传感器来测量跖趾关节屈曲力量数据（图1）。本团队前期研究已对该仪器进行重测信度的验证，组间相关系数ICC为0.874（Zhang et al.，2019）。

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图1 跖趾关节屈肌力量测试仪
Figure 1.Metatarsophalangeal Joints Flexor Strength Tester

1.2.4 足趾屈曲力量测试仪

采用日本生产的足趾屈曲力量测试仪（型号：T.K.K.3361），测量范围0～400 N（图2）。该仪器重测信度良好，组间相关系数ICC为0.931～0.960（Kurihara et al.，2014）。

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图2 足趾屈曲力量测试仪（上）及测试示意图（下）
Figure 2.The Toe Grip Dynamometer（above）and the Test Schematic Diagram（below）

1.2.5 Super Balance平衡测试系统

采用奥美生产的静态平衡测试系统（型号：Super Bal‐ance）测试静态平衡，包括双足睁眼站立、双足闭眼站立、单足睁眼站立、单足闭眼站立4种状态下的静态平衡能力。

1.3 HD-tDCS干预方案
本实验是一项双盲随机对照研究，tDCS仪器由能够熟练操作且未参与本研究的人员管理，受试者和研究人员均不知晓刺激类型。为了确保受试者的安全，HD-tDCS的使用及相关程序参考Villamar等（2013）的研究。首先，使用输入电缆将4×1多通道刺激适配器连接到常规tDCS设备，然后将5个半径约为1 cm的氯化银烧结圆形电极连接到4×1适配器，中心电极定义为提供电刺激的阳极，放置于Cz；其余4个为接收电极，分别放置于C3、C4、Fz、Pz（图3A、B）。放置位置基于国际10-20系统电极放置法，将鼻根至枕外粗隆的连线与左耳前点至右耳前点连线的交点定义为Cz，即阳极放置位置；将模式化的脑电电极帽戴好，然后将接受电极分别放置距离Cz约7.5 cm的左右、前后4个方向上的位置，即对应电极帽的C3、C4、Fz、Pz。该电极放置模式可以刺激到控制下肢的M1区（初级运动皮层）、S1区（初级感觉皮层）（图3C）（DaSilva et al.，2015）。刺激开始前，戴好电极固定帽，然后在电极表面以及脑部刺激位置涂上导电凝胶以降低刺激位置的阻抗并放置好电极。刺激电极由电池驱动的电刺激器提供2 mA的电流，刺激时长为20 min。真刺激条件开始时，操作人员在30 s内将电流从0 mA增加到2 mA。在刺激结束时，电流在30 s的时间内自动下降到0 mA。假刺激条件使用与真刺激相同的刺激时间、电流强度和电流加速过程，但在初始加速过程之后，电流仅释放30 s，此时电流自动降回零。整个刺激过程中，当受试者感觉到刺激引起的任何不舒服感觉时，立即停止刺激。每次刺激结束后，受试者填写一份简短的问卷以评估潜在的副作用，并要求他们推测在刺激中接受了真刺激或假刺激，从而评价盲效。

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图3 HD-tDCS电极放置位置以及电场分布
Figure 3.Placement of HD-tDCS Electrodes and Distribution of Electric Field

注：（A）受试者干预示意图；（B）电极放置位置；（C）电场分布图（脑区上面观图和冠状纵切图），红圈为刺激目标脑区。

1.4 测试流程
每名受试者需要进行2次间隔1周的电刺激干预，一次真刺激，一次假刺激对照，电刺激干预在当天测试的同一时间进行。每次干预时间20 min，两种干预类型按照随机顺序选择。实验前，实验人员记录受试者的基本信息，并向受试者讲解实验流程以及测试项目的注意事项并进行5 min的热身。之后指导受试者进行踝关节被动运动觉、足底屈肌力量、静态平衡测试，不同的测试之间间歇5 min。全部测试分成两轮进行：先在刺激前进行第1轮测试，然后在完成刺激后即刻进行第2轮测试。

1.4.1 踝关节被动运动觉测试

受试者坐于可调节的座椅上，髋、膝、踝关节呈90°屈曲，优势足裸露，脚底裹气压垫，去除一半下肢重力，放松贴于脚踏板底部，戴上遮光眼罩和降噪耳机，听从实验人员指示，至少接受每个方向上3次熟悉性实验。然后要求受试者注意力集中，随机启动平台带动受试者足部跖屈、背屈、内翻、外翻，当受试者感觉到足部运动并确定这种运动的方向时按下停止按钮，实验人员记录角位移及运动方向，受试者足部抬离平台，实验人员复位仪器。每个方向的运动随机测试3次，测试间歇1 min（Sun et al.，2015）。

1.4.2 跖趾关节屈肌力量测试

根据本团队前期研究，采用跖趾关节力量测试仪采集跖趾关节屈肌力量的数据（张燊等，2019）。受试者裸足、裸露小腿坐在测量仪的座位上，调节座椅位置及高度，使得大腿与地面平行，膝关节呈90°屈曲，固定足跟、足踝，并固定膝关节（图1）。随后受试者保持躯干直立，双手自然垂下，放松小腿，在接收到开始的指令后，要求受试者全力屈曲跖趾关节持续按压踏板10 s，重复测量3次，测试间歇1 min。

1.4.3 足趾屈曲力量测试

受试者坐于可调节座椅上，髋、膝、踝关节呈90°屈曲，双手放在胸前，受试者将脚放在测力计上并用止动器固定，另一只脚放在测试仪器旁边，然后用力屈曲足趾，持续屈曲至少3 s，并保持躯干正直（图2）。分别进行第一足趾、其余4趾以及全部足趾屈曲力量测试，重复测量3次，测试间歇 1 min（Kurihara et al.，2014；Yamauchi et al.，2015）。

1.4.4 静态平衡测试

要求每名受试者先更换运动装备（背心、短裤和袜子），然后指导受试者双脚站于测试系统上，双脚与肩同宽，双手叉腰，目视前方，分别进行双足睁眼站立、双足闭眼站立、单足（优势侧）睁眼站立、单足（优势侧）闭眼站立，双足站立测试30 s，单足站立测试10 s，各采集3次有效数据。双足站立时：双足不离开测试平台、双手叉腰；单足站立时：抬起腿不能着地，双手叉腰。测试间歇30 s（Akbari et al.，2015）。

1.5 实验指标
足底力量相关指标取最大值并用体重进行标准化处理：跖趾关节屈肌力量、第一足趾屈曲力量、其余4跖屈曲力量、全部足趾屈曲力量（N/kg）。

踝关节被动运动觉指标：踝关节跖屈、背屈、内翻、外翻被动觉阈值（°）。

静态平衡指标：重心左右、前后平均摆动距离（mm）；重心左右、前后平均摆动速度（mm/s）。

1.6 统计方法
所得的参数值均采用“平均值±标准差”（M±SD）表示。采用重复测量双因素方差（Two-Way Repeated Mea‐sures ANOVA，SPSS 22.0）分析各自变量（刺激方案×刺激前后）对足部肌肉力量、踝关节被动运动觉阈值以及静态平衡各指标的影响，模型的自变量为干预方式（真刺激、假刺激）、时间（刺激前、刺激后）以及两者之间的交互效应。同时，组内采用配对样本t检验以分析各指标在刺激前后的差异，效应量用Cohen's d表示，＜0.19为弱效应、0.20～0.49为低效应、0.50～0.79为中效应、＞0.8为高效应。显著性水平α设为0.05。

2 结果
2.1 刺激类型正确率
本研究14名受试者均完成2次干预，接受的电流强度均为2 mA。电刺激过程中，受试者状态正常，且每次干预之后均无报道有电刺激引起的相关副作用和不良反应。受试者推测出刺激类型的总体正确率为35.7%，具有良好的致盲效果。

2.2 足底屈肌力量
方差分析显示，足底屈肌力量在刺激类型与刺激前后之间不存在交互效应。组内统计分析发现，真刺激干预后，与刺激前相比，刺激后第一足趾屈曲力量显著增高了11.0%（刺激前1.45±0.61 N/kg，刺激后1.61±0.69 N/kg，P=0.047，Cohen's d=0.58）。其中，14名受试中有11名经过真刺激干预即刻后，第一足趾关节屈曲力量变大（图4A）。无论是真刺激干预，还是假刺激干预，与刺激前相比，刺激后跖趾关节屈肌力量、其余4趾屈曲力量以及全部足趾屈曲力量均无显著性差异（图4B～D）。

2.3 踝关节被动运动觉阈值
方差分析显示，踝关节被动运动觉阈值在刺激类型与刺激前后之间不存在交互效应。组内统计分析发现，真刺激干预后，与刺激前相比，刺激后踝关节内翻被动运动觉阈值显著降低了14.7%（刺激前2.73±1.35°，刺激后2.33±1.20°，P=0.002，Cohen's d=1.01）。其中，14名受试中有13名经过真刺激干预即刻后，对内翻被动运动感觉更敏感（图5A）。两种电刺激方案干预前、后，踝关节跖屈、背屈、外翻被动运动觉阈值均无显著性差异（图5B～D）。

2.4 静态平衡
方差分析显示，静态平衡各参数在刺激类型与刺激前后之间不存在交互作用。组内统计分析发现，单足睁眼站立平衡测试时，假刺激干预后，与刺激前相比，重心前后平均摆动速度显著降低了12.8%（P=0.028，Cohen's d=0.66）（图6A）。单足闭眼站立平衡测试时，真刺激干预后，与刺激前相比，重心左右平均摆动速度（P=0.029，Cohen's d=0.65）、前后平均摆动速度（P=0.004，Cohen's d=0.94）分别降低了9.0%、11.1%（图6B）；假刺激干预后，与刺激前相比，重心左右平均摆动速度（P=0.013，Cohen's d=0.77）、前后平均摆动速度（P=0.003，Cohen's d=0.97）分别降低了9.7%、18.2%（图6C，表2）。两种电刺激类型干预前、后，在双足睁眼、双足闭眼站立平衡测试条件下，重心在左右以及前后平均摆动距离和平均摆动速度均没有显著性差异（图7）。

3 讨论
3.1 足部肌肉力量
对运动员及运动爱好者来说，肌肉力量大小直接关系到运动表现、损伤预防以及损伤康复。目前，已有初步的证据证实了tDCS能提高肌肉力量。Tanaka等（2009）采用电流强度为2 mA的传统tDCS刺激M1区10 min，发现刺激后即刻足趾夹紧力显著增加，且在30 min后增强效果依旧存在。Vargas等（2018）采用类似干预方法对M1区刺激20 min，结果发现与刺激前相比，刺激后即刻优势腿膝关节伸肌最大等长收缩力量显著增加5.2%，刺激后30 min增加6.3%，刺激后60 min增加9.4%，证实单组tDCS能够提高肌肉力量并维持一定的时间，可作为一种有效的力量训练方法。本研究的发现与上述结果相似，通过对M1区进行20 min 2 mA电流的HD-tDCS刺激，第一足趾屈曲力量显著提高11.0%。提示，单组HD-tDCS可以作为改善足内在肌发力能力的有效干预手段。其可能的机制是tDCS可以无创的调节M1区的神经兴奋性，从而影响到主动肌群的激活（Krishnan et al.，2014）。这是由于肌纤维中的运动单位之间可以同步放电，即从生理上讲两个运动单位可以同时或接近同时被激活（Farina et al.，2002）。而阳极tDCS通过兴奋M1区以及由此引起的从皮层到脊髓运动神经元的兴奋性的增强，从而增加运动单位同步放电的程度（Dutta et al.，2015；Roche et al.，2011）。即使是电流低聚焦（有限的电流流向特定的目标区域）的传统tDCS也可以通过激活运动单位、募集肌纤维来调节股四头肌外侧的肌肉活动（Dutta et al.，2015；Jeffery et al.，2007）。相比于传统的 tDCS，4×1多通道HD-tDCS干预后即刻，M1区显示更高的运动诱发电位，意味着神经兴奋性高，且相应脑区兴奋程度维持在基线水平以上长达6 h，但对其他脑部区域影响较小（Kuo et al.，2012）。因此，本研究选用4×1HD-tDCS干预模式，使电流精准聚焦于M1区，以募集较多肌纤维，激活较多运动单位，从而提高足内在肌的力量。

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图4 HD-tDCS刺激对足底屈肌力量的影响
Figure 4.Effects of HD-tDCS on Foot Flexor Strength

注：R-Pre：真刺激干预前；R-Post：真刺激干预后；S-Pre：假刺激干预前；S-Post：假刺激干预后；*表示干预前后存在显著性差异，P＜0.05；下同。

3.2 踝关节被动运动觉
本研究发现，单组HD-tDCS真刺激能够使踝关节内翻被动运动觉阈值降低14.7%，意味着HD-tDCS能够部分改善足踝的本体感觉功能。上述结果得到以往研究结果的支持。Zhou等（2018）采用2 mA强度的tDCS持续刺激健康老年人左侧感觉皮层（S1区）20 min，结果发现，刺激后被试直立时右脚和左脚脚底的振动觉阈值显著降低，推测tDCS可以增强老年人下肢躯体感觉功能。感觉的敏感性取决于大脑感觉皮层兴奋的程度（Fregni et al.，2007），同时也与受试者外周、脊髓和皮质的神经通路完整性有关（Zhou et al.，2018）。肌腱等感受器提供的本体感觉输入（如振动觉、运动觉）通过脊神经-脊髓-丘脑感觉传输通路，传递到S1区（Bosch-Bouju et al.，2013）。以往研究表明，可以通过增强S1区兴奋性从而调节感觉传输通路来改善躯体感觉功能（Tegenthoff et al.，2005）。另外，最近有学者发现，4周tDCS结合离心训练可以提高慢性踝关节不稳受试者踝关节的运动感知能力（Bruce et al.，2020）。提示，未来不仅可以将tDCS考虑为促进足部感觉功能的训练方法，也可以作为感觉功能较弱甚至是有损伤的人群的有效康复手段。

表2 HD-tDCS对静态平衡的影响
Table 2 Effects of HD-tDCS on Static Balance

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图5 HD-tDCS刺激对踝关节被动运动觉阈值的影响
Figure 5.Effects of HD-tDCS on the Threshold of Ankle Passive Kinesthesia

受试者跖屈、背屈时可以在较小的角度变化中准确的感知到动作变化，这代表受试者踝关节运动觉较好，而tDCS的调控效应可能在较低的阈值范围内受到限制，存在“天花板效应”（Hendy et al.，2013）。Yamamoto等（2020）发现，tDCS能够显著降低第一足趾指腹中心触觉阈值，而不能改善足部其他部分的触觉阈值。提示，tDCS神经调控作用可能与受试者感觉敏感性等因素相关。因此，踝关节跖屈、背屈被动运动觉阈值没有观察到显著性改变。

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图6 HD-tDCS对不同体位下平均摆动速度的影响
Figure 6.Effects of HD-tDCS on Average Sway Velocity under Different Postures

注：（A）单足睁眼站立时重心前后平均摆动速度，（B）单足闭眼站立时重心左右平均摆动速度，（C）单足闭眼站立时重心前后平均摆动速度。

3.3 静态平衡
经过HD-tDCS真刺激干预后，与刺激前相比，受试者单足闭眼站立时重心左右、前后平均摆动速度分别减小9.0%、11.1%。人体平衡由大脑整合多方面信息进行调控，大脑M1区包含在额叶皮质基底神经节网络中，被认为与姿势控制有关（Demain et al.，2014）。已有研究表明，阳极tDCS刺激M1区可以改善年轻人闭眼安静站立时的姿势稳定性（Dutta et al.，2012），增强应对复杂姿势的调整能力（Saruco et al.，2017）。然而，受试者双足睁眼、闭眼站立平衡以及单足睁眼站立平衡经过刺激后并没有改善。一方面，考虑到相比于单足闭眼站立平衡测试，受试者双足站立时更加稳定，且视觉信息对受试者双足站立平衡影响较小，不需要大脑皮层整合更多的信息来维持平衡；另一方面，受试者本身的双足站立平衡能力较好，tDCS提升其效果也会存在一定“天花板效应”。

到目前为止，针对tDCS改善平衡功能和姿势控制的机制尚不清晰。已知的是，tDCS刺激大脑皮层过程中存在复杂的相互作用，其影响姿势控制是多个方面的，包括传入的感觉信息、感觉信号的整合以及最终的运动控制反应，即tDCS通过兴奋M1区神经网络，提高动作诱发电位，同时反馈与运动控制相关的知觉注意并向下一级神经中枢传输，进而产生一系列的效应（Craig et al.，2017）。

尽管本研究具有良好的盲效（35.7%），但仍然观察到一定程度的安慰剂效应，即与刺激前相比，假刺激干预后受试者单足闭眼站立时重心摆动速度显著下降。这可能是由于假刺激方案所提供的短暂刺激过程对脑区产生了一定的神经生物学效应（Fertonani et al.，2015）。一般认为，假刺激仅短暂提供真刺激的相似感觉，就可以控制与真刺激本身无关的任何潜在影响，并不会产生与表现相关的效果（Fonteneau et al.，2019）。但以往研究也发现，与反应、准确性相关的脑电图成分在假刺激方案中存在一定的生物效应（Nikolin et al.，2018）。在目前的文献中，假刺激方案产生相关的神经生理学效应仍未被充分解释清楚。因此，未来的研究应关注tDCS等非侵入电刺激技术假刺激方案的优化，如主动假刺激模式（active sham）等。

3.4 局限性
由于tDCS 效果存在个体差异，未来的研究可以考虑用经颅磁刺激（TMS）、磁共振成像（MRI）确定受试者脑区精确位置，制定个性化的tDCS方案，以提高干预效果。此外，可进一步完善假刺激方案，如通过控制电流走向，实现不经过皮层，仅通过皮肤和颅骨，从而不影响神经元活动等。

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图7 HD-tDCS刺激对静态平衡的影响
Figure 7.Effects of HD-tDCS on Static Balance

注：（A）双足睁眼站立，（B）双足闭眼站立，（C）单足睁眼站立，（D）单足闭眼站立。

4 结论
本研究证明，采用高精度经颅直流电刺激（HD-tDCS）能够即刻提高足趾屈曲力量、降低踝关节内翻被动运动觉阈值，并改善单足闭眼站立平衡控制能力。提示，上述非侵入脑刺激是一种提升足部肌肉力量、足踝部感觉功能以及静态平衡能力的有效干预，可将其作为足部功能增强的手段。

参考文献：

卞秀玲，王雅娜，王开元，等.2018.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，38（5）：68-74.

王开元，刘宇.2018.“神经启动”技术增强运动表现［J］.体育科学，38（1）：96-97.

肖松林，张希妮，孙晓乐，等.2020.基于足核心系统的足部功能增强研究进展［J］.中国康复理论与实践，已录用.

殷可意，刘宇.2019.无创深部定位脑刺激：提升运动表现［J］.体育科学，39（5）：96-97.

张燊，崔科东，张希妮，等.2019.后跟着地跑步技术对足弓肌肉力量的影响［J］.中国运动医学杂志，38（11）：955-959.

AKBARI A，GHIASI F，MIR M，et al.，2015.The effects of balance training on static and dynamic postural stability indices after acute ACL reconstruction［J］.Glob J Health Sci，8（4）：68-81.

BOSCH-BOUJU C，HYLAND B I，PARR-BROWNLIE L C，2013.Motor thalamus integration of cortical，cerebellar and basal ganglia information：Implications for normal and parkinsonian conditions［J］.Front Comput Neurosci，7：163.

BRUCE A S，HOWARD J S，VAN WERKHOVEN H ，et al.，2020.The effects of transcranial direct current stimulation on chronic ankle instability［J］.Med Sci Sports Exer，52（2）：335-344.

CHEUNG R T H，SZE L K Y，MOK N W，et al.，2016.Intrinsic foot muscle volume in experienced runners with and without chronic plantar fasciitis［J］.J Sci Med Sport，19（9）：713-715.

CRAIG C E，DOUMAS M，2017.Anodal transcranial direct current stimulation shows minimal，measure-specific effects on dynamic postural control in young and older adults：A double blind，shamcontrolled study［J］.PLoS One，12（1）：e0170331.

DASILVA A F，TRUONG D Q，DOSSANTOS M F，et al.，2015.State-of-art neuroanatomical target analysis of high-definition and conventional tDCS montages used for migraine and pain control［J］.Front Neuroanat，doi：10.3389/fnana.2015.00089.

DATTA A，BANSAL V，DIAZ J，et al.，2009.Gyri-precise head model of transcranial direct current stimulation：Improved spatial focality using a ring electrode versus conventional rectangular pad［J］.Brain Stimul，2（4）：201-207.

DEMAIN A，WESTBY G W M，FERNANDEZ-VIDAL S，et al.，2014.High-level gait and balance disorders in the elderly：A midbrain disease？［J］.J Neurol，261（1）：196-206.

DUTTA A，CHUGH S，2012.Effect of transcranial direct current stimulation on cortico-muscular coherence and standing postural steadiness［C］//The 2nd IASTED International Conference on Assistive Technologies.Calgary，Canada：IASTED.

DUTTA A，KRISHNAN C，KANTAK S，et al.，2015.Recurrence quantification analysis of surface electromyogram supports alterations in motor unit recruitment strategies by anodal transcranial direct current stimulation［J］.Restor Neurol Neurosci，33（5）：663-669.

FARINA D，FATTORINI L，FELICI F，et al.，2002.Nonlinear surface EMG analysis to detect changes of motor unit conduction velocity and synchronization［J］.J Appl Physiol（1985），93（5：1753-1763.

FERTONANI A，FERRARI C，MINIUSSI C，2015.What do you feel if I apply transcranial electric stimulation？ Safety，sensations and secondary induced effects［J］.Clin Neurophysiol，126（11）：2181-2188.

FONTENEAU C，MONDINO M，ARNS M，et al.，2019.Sham tDCS：A hidden source of variability？ Reflections for further blinded，controlled trials［J］.Brain Stimul，12（3）：668-673.

FREGNI F， PASCUAL-LEONE A， 2007.Technology insight：Noninvasive brain stimulation in neurology-perspectives on the therapeutic potential of rTMS and tDCS［J］.Nat Clin Pract Neurol，3（7）：383-393.

HENDY A M，KIDGELL D J，2013.Anodal tDCS applied during strength training enhances motor cortical plasticity［J］.Med Sci Sports Exer，45（9）：1721-1729.

JEFFERY D T，NORTON J A，ROY F D，et al.，2007.Effects of transcranial direct current stimulation on the excitability of the leg motor cortex［J］.Exp Brain Res，182（2）：281-287.

KRISHNAN C，RANGANATHAN R，KANTAK S S，et al.，2014.Anodal transcranial direct current stimulation alters elbow flexor muscle recruitment strategies［J］.Brain Stimul，7（3）：443-450.

KUO H-I，BIKSON M，DATTA A，et al.，2012.Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4×1 ring tDCS：A neurophysiological study［J］.Brain Stimul，6（4）：644-648.

KURIHARA T， YAMAUCHI J， OTSUKA M， et al.， 2014.Maximum toe flexor muscle strength and quantitative analysis of human plantar intrinsic and extrinsic muscles by a magnetic resonance imaging technique［J］.J Foot Ankle Res，7（1）：26.

LEE E， CHO J， LEE S， 2019.Short-foot exercise promotes quantitative somatosensory function in ankle instability：A randomized controlled trial［J］.Med Sci Monit，25：618-626.

LEPHART S M，PINCIVERO D M，GIRALDO J L，et al.，1997.The role of proprioception in the management and rehabilitation of athletic injuries［J］.Am J Sports Med，25（1）：130-137.

LOWREY C R，STRZALKOWSKI N D J，BENT L R，2010.Skin sensory information from the dorsum of the foot and ankle is necessary for kinesthesia at the ankle joint［J］.Neurosci Lett，485（1）：6-10.

MCKEON P O，FOURCHET F，2015.Freeing the foot：Integrating the foot core system into rehabilitation for lower extremity injuries［J］.Clin Sports Med，34（2）：347-361.

MCKEON P O，HERTEL J，BRAMBLE D，et al.，2015.The foot core system：A new paradigm for understanding intrinsic foot muscle function［J］.Br J Sports Med，49（5）：290.

MONTENEGRO R A，OKANO A，GURGEL J，et al.，2015.Motor cortex tDCS does not improve strength performance in healthy subjects［J］.Motriz J Phys Educ，21：185-193.

NIKOLIN S，MARTIN D，LOO C K，et al.，2018.Effects of TDCS dosage on working memory in healthy participants［J］.Brain Stimul，11（3）：518-527.

NITSCHE M A，PAULUS W，2000.Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation［J］.J Physiol，527（3）：633-639.

RECKOW J，RAHMAN-FILIPIAK A，GARCIA S，et al.，2018.Tolerability and blinding of 4x1 high-definition transcranial direct current stimulation （HD-tDCS） at two and three milliamps［J］.Brain Stimul，11（5）：991-997.

ROCHE N，LACKMY A，ACHACHE V，et al.，2011.Effects of anodal transcranial direct current stimulation over the leg motor area on lumbar spinal network excitability in healthy subjects［J］.J Physiol，589（11）：2813-2826.

SARUCO E，DI RIENZO F，NUNEZ-NAGY S，et al.，2017.Anodal tDCS over the primary motor cortex improves motor imagery benefits on postural control：A pilot study［J］.Sci Rep，7（1）：480.

SUN W，SONG Q，YU B，et al.，2015.Test-retest reliability of a new device for assessing ankle joint threshold to detect passive movement in healthy adults［J］.J Sports Sci，33（16）：1667-1674.

TANAKA S， HANAKAWA T， HONDA M， et al.， 2009.Enhancement of pinch force in the lower leg by anodal transcranial direct current stimulation［J］.Exp Brain Res，196（3）：459-465.

TEGENTHOFF M， RAGERT P， PLEGER B， et al.， 2005.Improvement of tactile discrimination performance and enlargement of cortical somatosensory maps after 5 Hz rTMS［J］.PLoS Biol，3（11）：e362.

VARGAS V Z，BAPTISTA A F，PEREIRA G，et al.，2018.Modulation of isometric quadriceps strength in soccer players with transcranial direct current stimulation：A crossover study［J］.J Strength Cond Res，32（5）：1336-1341.

VILLAMAR M F，VOLZ M S，BIKSON M，et al.，2013.Technique and considerations in the use of 4x1 ring high-definition transcranial direct current stimulation（HD-tDCS）［J］.J Vis Exp，（77）：e50309.

YAMAMOTO S，ISHII D，ICHIBA N，et al.，2020.Cathodal tDCS on the motor area decreases the tactile threshold of the distal pulp of the hallux［J］.Neurosci Lett，719：133887.

YAMAUCHI J，KOYAMA K，2015.Influence of ankle braces on the maximum strength of plantar and toe flexor muscles［J］.Int J Sports Med，36（7）：592-595.

ZHANG S，FU W，LIU Y，2019.Does habitual rear-foot strike pattern with modern running shoes affect the muscle strength of the longitudinal arch？［J］.Isoki Exer Sci，27（3）：213-218.

ZHOU J，LO O-Y ，LIPSITZ L A，et al.，2018.Transcranial direct current stimulation enhances foot sole somatosensation when standing in older adults［J］.Exp Brain Res，236（3）：795-802.

Effects of High-definition Transcranial Direct Current Stimulation on Foot Muscle Strength，Ankle Kinesthesia，and Static Balance

XIAO Songlin1，ZHOU Junhong2，3，WANG Baofeng1，ZHANG Xini1，YIN Keyi1，FU Weijie1*，LIU Yu1
1.Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China;2.Harvard Medical School,Boston,MA 02115,USA;3.Hebrew Senior Life Hinda and Arthur Marcus Institute for Aging Research,Roslindale,MA 02131,USA

Abstract:To investigate the effects of a single-session high-definition transcranial direct current stimulation(HD-tDCS)on foot muscle strength,ankle kinesthesia,and static balance.In this double-blinded sham-controlled study,14 healthy young male college students completed two trials with a 20-minute session of tDCS targeting the sensorimotor cortex or a sham stimulation,respectively.Two-way ANOVA with repeated measures was used to analyze the effects of tDCS on the flexor strength of toes,the threshold of ankle passive kinesthesia,and static balance.All participants completed the experiments with no unexpected side effects or adverse events.The total correct rate of subjective guesses was 35.7%,which showed the blinding protocol was acceptable.Compared to pre-tDCS,a significant increase of the flexor strength of first toe(P＜0.05),and decrease in the ankle varus passive kinesthesia(P＜0.05)was observed after real tDCS,while no significant changes were observed after sham.Additionally,the anteroposterior and medio-lateral sway velocity of the center of gravity was significantly decreased in single-leg standing with closed eyes after real tDCS and sham(P＜0.05).This study demonstrated that HD-tDCS can improve the flexor strength of the toes and reduce the ankle passive kinesthesia threshold immediately,and then improve the single-leg standing balance with closed eyes.It was suggested that the non-invasive brain stimulation technology may serve as a novel strategy to enhance foot muscle strength,foot perception function and static balance ability in daily training for foot core.

Keywords:high-definition transcranial direct current stimulation(HD-tDCS);foot muscle strength;ankle kinesthesia;static balance