经颅直流电刺激对反应能力的影响综述

徐思佳

摘 要：完美的运动表现离不开机体良好的反应认知功能，经颅直流电刺激作为一种先进的干预手段可以通过调节大脑皮层兴奋性、增加突触可塑性影响认知能力。因此探究经颅直流电刺激对反应认知能力的影响尤为重要。通过搜集国内外相关文献进行系统回顾、归纳，研究旨在总结经颅直流电刺激的科学原理、特点、并重点探讨经颅直流电刺激反应认知能力的影响，用于探寻更多提高反应认知能力的方法，为探讨运动经颅直流电刺激改善反应认知能力提供新方法和新视角。

关键词：经颅直流电刺激;认知

良好的反应认知能力是取得优异运动成绩的先决条件，在一定程度上决定运动员的竞技能力，尤其是短跑、击剑以及乒乓球、羽毛球、篮球、排球等球类项目，都需要较强的反应认知能力。因此，充分挖掘运动员反应能力的潜能是提升运动表现和竞技能力的迫切需要。但是单纯传统抗阻训练对于反应认知能力的提升有限，因此需要运用科技助力的手段充分挖掘。近几年，脑科学在体育领域应用及研究较为广泛，经颅直流电刺激作为国际上先进的脑科学新手段，它在运动认知领域的应用成为全球研究的热点。经颅直流电刺激最早应用于神经与康复领域，此后作为一项新兴技术在竞技体育领域成为研究热点，国外对此技术应用于体育领域的研究早于国内，且已经初步形成一定研究成果。本研究对经颅直流电刺激在运动能力和反应认知领域的应用进行综述。

1经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）

tDCS是一种非侵入性的、利用恒定、低强度电流（0-2mA）调节大脑皮层神经元活动的技术，其基本机制有以下几点：第一是在皮层附近放置阳极电极刺激（anodal tDCS，a-tDCS）导致神经元膜电位去极化，增加神经兴奋性和可塑性，而放置陰极电极刺激（cathodal tDCS，c-tDCS）使神经元膜电位超极化从而产生相反的结果;第二是可以引起突触可塑性，造成长时程抑制（LDP）或长时程增强（LTP）的效果;除了改变大脑皮层兴奋性和增加突触可塑性之外，国内卞秀玲等人[1]还总结了tDCS其他两个作用机制，分别是改变局部脑血流和调节局部皮层和大脑网络连接。tDCS技术由于其便携、使用简单、安全、耐受性好和经济性的原因受到广泛关注，多种参数影响tDCS的效果，如刺激区域、刺激电流大小、刺激时间和刺激极性等。

2 认知以及认知的测试方法

认知是认识过程的产物，是指人脑加工、存储和提取信息的能力，是人们获得或应用知识或对加工外界信息刺激的过程，简单来说，即我们一般所讲的智力，如观察力、记忆力、想象力等。认知能力与认识过程包括对客观事物的感知（感觉、知觉）、思维（想象、联想、思考）密切相关，作为信息加工认知心理学的用语，指个体接受、编码、贮存、提取和使用信息的过程）、记忆系统（信息编码、贮存和提取）、控制系统（监督执行决定）、反应系统（控制信息输出）等4种成分构成的模式。科学合理的认知功能的测试方法是探究认知能力的关键一步，常见的认知功能测试方法有心理测试、近红外光谱脑成像技术以及脑电技术等。

3 经颅直流电刺激对反应认知能力的影响

tDCS作为一种非侵入性的调节大脑皮层神经元活动的技术为认知功能研究提供一种新的检测手段。经颅直流电刺激作为先进的干预手段，是一种非侵入性技术，利用恒定、低强度电流（0-2mA）调节大脑皮层神经元活动，造成长时程抑制（LDP）或长时程增强（LTP）的效果，从而改变大脑皮层兴奋性和增加突触可塑性，tDCS其他两个作用机制分别是改变局部脑血流和调节局部皮层与大脑网络连接。经颅直流电刺激最早应用于神经与康复领域，而后由于其便携、使用简单、安全、耐受性好和经济性等优点受到广泛关注成为竞技运动方面的研究热点。近几年，脑科学研究成为体育领域应用的热点，已有研究结果显示，tDCS可以对力量、疲劳感受阈值、神经肌肉疲劳等方面有增强和改善作用。以下专门针对经颅直流电刺激对反应认知能力的影响展开探讨。

Laura Dubreuil-Valla[2]等人研究发现与针对右侧DLPFC的假或阳极 tDCS 后的非显著变化相比，针对左侧DLPFC的阳极tDCS会导致不一致试验中的反应时间显著降低，尽管准确性在统计学上没有显著变化，但仍然值得肯定和注意的是，tDCS对反应时间和准确性的影响之间没有权衡，即左侧刺激后反应时间得到显著降低，但不以牺牲准确性为代价。

Sarah Garcia[3]等人研究发现LDLPFC的阳极和阴极刺激会减少自我报告的焦虑，阳极刺激尤其是可以增强焦虑等级较高的人的执行功能。

此外在军事领域的应用发现阳极tDCS显着提高了参与者的信息处理能力。比如J. Nelson等人为了探究tDCS对在高认知负荷环境中的认知能力，展开了针对经颅直流电刺激对多任务处理能力的影响研究，发现与假tDCS相比，阳极tDCS显着提高了参与者的信息处理能力，从而提高了反应认知性能。例如，假tDCS组的多任务吞吐能力在较高的波特输入（2.0位/ s）时接近1.0位/秒，而阳极tDCS组接近1.3位/秒。这个研究结果为证明tDCS具有增强操作员多任务处理能力提供了新的证据，为了进一步研究确定经颅直流电刺激对多任务处理性能的增强作用提供重要依据，此后在外科手术中，利用经颅直流电刺激增强腹腔镜技术技能培训，或者是增强了手术技能的学习等逐渐成为一种趋势。并且tDCS和fNIRS的结合正在成为一种研究神经调节及其对皮层功能影响的日益流行和有希望的技术。Brian A[4]等人研究发现利用经颅直流电刺激可以增强健康成年人的注意力，学习能力和3种记忆力。

tDCS可能对运动抑制学习过程具有长期调节作用，分析显示阳极tDCS对提高认知任务的反应时间和准确性有很小的显着影响，通常，参与者在主动刺激后反应更快、更准确。

在Josefien Dedoncker[5]等人对188项试验的评估表明，在健康参与者和神经精神病患者的样本中，阳极与假tDCS显着缩短了响应时间并提高了准确性，特别是对于执行功能任务，荟萃分析中包含的研究中使用的认知任务分为三类：记忆、注意力和执行功能。这种分类的目的是试图减少数据的异质性并减少错误。阳极与假tDCS影响了所有三个类别的认知任务的反应时间和准确性。更具体的分析表明，阳极tDCS仅在执行功能任务中降低了反应时间并增加了正确反应的百分比。在其他两个认知任务类别（注意力和记忆力）中，认知功能不受阳极tDCS的影响。

Marian E与Berryhill[6]等人单次阳极tDCS在健康和神经精神病学人群中最常应用于DLPFC的认知影响。在健康人群中，认知任务通常在刺激期间“在线”进行。在临床人群中，情况不太一致。使用的各种研究方法使这些发现难以概括。 保守地说，单个阳极tDCS会话可以适度和暂时地有益于认知表现。新出现的结果表明，参与者之间存在不同的行为影响模式，因此部分参与者可能表现出认知益处，而其他参与者则没有任何影响或损害。

根据Josefien Dedoncker[8]等人的荟萃分析研究发现健康参与者在针对DLPFC区域的单次a-tDCS 后对认知任务的反应明显更快，但不是更准确。然而，其他荟萃分析显示了提高准确性的趋势，或者显示 a-tDCS 对认知没有影响。对于这一现象，一些方法学上的差异可以解释这些不一致的发现。

Maike Splittgerber[7]指出应用于左背外侧前额叶皮层的阳极经颅直流电刺激可以对工作记忆（WM）表现和相关的神经生理活动产生显著影响。然而，先前研究的结果不一致，有时甚至相互矛盾。这种不一致可能都可以归因于实验过程中的方法和个体差异。

4总结与展望

运动与脑科学是21世纪运动科学研究的重点方向之一，本研究将经颅直流电刺激对反应认知能力的影响的期刊文献进行综述。虽然tDCS作为一项新兴的科技应用到体育领域的时间不长，但是在运动认知领域中的价值可见一斑。比如针对DLPFC区域的阳极tDCS可以有效提升提高受试者的反应正确率或者是降低反应时间，并且有效提高对多任务处理的能力，以及改善情绪和缓解焦虑等。

但是目前国内外研究对单次tDCS是否可以提高受试者的反应认知能力有着不同的实验结果，且虽然他们已经对相关刺激参数（如刺激区域、刺激强度、刺激时间）有了相对的统一，但还存在着研究对象范围单一，较少考虑受试者的个体差异性（解剖变异、局部回路的组织、基础功能水平、心理状态、神经递质水平和受体敏感性、基线神经生理状态和遗传学）等方面问题。因为研究结果不一，这仍然需要更多的研究来验证。特别是需要采用更多不同tDCS参数（如刺激区域、刺激强度、刺激时间等）设置。此外，除了考虑阳极电极放置位置还要注意返回电极的位置，因为即使将阳极电极放置在相同的解剖位置上，返回电极位置的变化也可能引起电流路径或电流密度集中的变化，从而影响tDCS的可能效果[8]。个体差异性也是不容忽视的因素。有研究总结了与tDCS反应个体间差异相关的几个因素，包括解剖变异、局部回路的组织、基础功能水平、心理状态、神经递质水平和受体敏感性、基线神经生理状态和遗传学等方面[9-11]。

因此未来的研究在注重tDCS对不同反应认知能力影响的同时还需要注意tDCS参数差异和个体差异，这都可能会导致不同的实验结果。

参考文献

[1]卞秀玲， 王雅娜， 王开元， et al. 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（05）： 66-72.

[2]Hughes LE， Rittman T， Regenthal R， Robbins TW， Rowe JB. Improving response inhibition systems in frontotemporal dementia with citalopram. Brain. 2015 Jul;138（Pt 7）：1961-75. doi： 10.1093/brain/awv133. Epub 2015 May 21. PMID： 26001387; PMCID： 5412666.

[3]Garcia S， Nalven M， Ault A， Eskenazi MA. tDCS as a treatment for anxiety and related cognitive deficits. Int J Psychophysiol. 2020 Dec;158：172-177. doi： 10.1016/j.ijpsycho.2020.10.006. Epub 2020 Oct 28. PMID： 33129848.

[4]Pennell A， Yee N， Conforti C， Yau K， Brian A. Standing Long Jump Performance in Youth with Visual Impairments： A Multidimensional Examination. Int J Environ Res Public Health. 2021 Sep 16;18（18）：9742. doi： 10.3390/ijerph18189742. PMID： 34574667; PMCID： PMC8468760.

[5]Dedoncker J， Brunoni AR， Baeken C， Vanderhasselt MA. A Systematic Review and Meta-Analysis of the Effects of Transcranial Direct Current Stimulation （tDCS） Over the Dorsolateral Prefrontal Co反應时间ex in Healthy and Neuropsychiatric Samples： Influence of Stimulation Parameters. Brain Stimul. 2016 Jul-Aug;9（4）：501-17. doi： 10.1016/j.brs.2016.04.006. Epub 2016 Apr 12. PMID： 27160468.

[6]Berryhill ME， Martin D. Cognitive Effects of Transcranial Direct Current Stimulation in Healthy and Clinical Populations： An Overview. J ECT. 2018 Sep;34（3）：e25-e35. doi： 10.1097/YCT.0000000000000534. PMID： 30095685.

[7]BIKSON M， DATTA A， RAHMAN A. Electrode montages for tDCS and weak transcranial electrical stimulation： Role of “return” electrode’s position and size [J]. Clinical Neurophysiology， 2010， 121（12）：

[8]BIKSON M， DATTA A， RAHMAN A. Electrode montages for tDCS and weak transcranial electrical stimulation： Role of “return” electrode’s position and size [J]. Clinical Neurophysiology， 2010， 121（12）：

[9]LI L M， UEHARA K， HANAKAWA T. The contribution of interindividual factors to variability of response in transcranial direct current stimulation studies [J]. Frontiers in cellular neuroscience， 2015， 9（181.

[10]DATTA A. Inter-individual variation during transcranial direct current stimulation and normalization of dose using MRI-derived computational models [J]. Frontiers in psychiatry， 2012， 3（91.

[11]FRITSCH B， REIS J， MARTINOWICH K， et al. Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity： potential implications for motor learning [J]. Neuron， 2010， 66（2）： 198-204.

課题信息：本文系江苏省研究生科研与实践创新计划资助，编号： SJCX21_0898