为期六周的经颅直流电刺激结合抗阻训练能够提升健康年轻人的运动学习能力

经颅直流电刺激联合下肢力量训练可显著提升健康成年男性6周后的运动学习效果，但3周干预未达显著差异且1周后效果消退。研究采用52人随机分组，通过串行反应时间任务（SRTT）评估发现联合干预组在T2时反应时较假刺激联合组及对照组显著缩短（p=0.027,0.040），但T1和T3无持续优势。

　　

田月|张静怡|左志鹏|齐凤雪

中国北京体育大学体育教练学院运动、锻炼与脑科学实验室

摘要

目的

经颅直流电刺激（tDCS）和抗阻训练被广泛报道能够调节神经可塑性。然而，它们对运动学习的综合效应尚不清楚。本研究旨在探讨3周和6周的tDCS结合下肢抗阻训练对健康年轻成人运动学习的影响，以及观察到的任何益处的持久性。

方法

52名健康的年轻男性被随机分配到四个组中：（1）tDCS结合抗阻训练；（2）假tDCS结合抗阻训练；（3）仅tDCS；（4）假tDCS（对照组）。干预每周进行两次，持续6周。tDCS在初级运动皮层施加2 mA的电流，每次持续20分钟。使用连续反应时间任务（SRTT）在基线（T0）、干预后3周（T1）和6周（T2）以及干预后1周（T3）评估运动学习情况。

结果

在T1时，两组结合tDCS和抗阻训练的参与者在多个测试块中的反应时间（RT）均比仅tDCS组和对照组快（所有p值≤0.047）。在T2时，tDCS结合抗阻训练组的运动学习显著改善（p = 0.040），优于假tDCS结合抗阻训练组（p = 0.027），但在T1和T3时与其他组相比没有改善（所有p值≥0.054）。无论是单独的tDCS还是假tDCS结合抗阻训练，在任何时间点上都没有改善序列特异性学习（所有p值≥0.158）。

结论

6周的tDCS结合抗阻训练增强了健康年轻成人的运动学习能力。然而，这些改善在停止训练后减弱了。

临床试验注册

编号：NCT07092098。

引言

运动学习是通过重复练习来提高运动表现的过程，在日常生活、体育表现和康复中起着关键作用[1]。研究表明，运动学习依赖于大脑的神经可塑性，特别是长期增强（LTP）[2]、[3]。在运动学习的早期阶段，初级运动皮层（M1）中α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异噁唑丙酸（AMPA）受体介导的兴奋性突触增加。相比之下，γ-氨基丁酸（GABA）受体介导的抑制性突触在M1和感觉运动皮层中减少[4]、[5]。在运动学习的后期阶段，M1中的AMPA和N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体介导的兴奋性突触也增加，伴随着突触前谷氨酸释放和神经元兴奋性的增强[4]、[6]。NMDA受体介导的谷氨酸传递在运动学习中起关键作用[7]。小鼠M1中NMDA受体的缺失会损害LTP和初级体感皮层与M1之间的突触效能，导致运动学习能力下降[7]。同样，抑制性神经递质GABA的调节对运动学习也是必不可少的。GABA水平的降低与运动学习呈正相关[8]。此外，更明显的GABA能塑性反应与更大的个体学习能力相关[8]。除了突触机制外，人类药理学证据表明，增强去甲肾上腺素状态可以改善运动学习和执行功能，同时增加皮层兴奋性和类似LTP的可塑性[9]。总的来说，LTP机制、兴奋性谷氨酸（NMDA）通路、抑制性GABA能通路和去甲肾上腺素调节之间的动态相互作用构成了运动学习的神经基础。此外，这些机制为旨在增强运动学习的外源性或内源性干预提供了潜在的目标。

经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性脑刺激技术，通过在两个头皮电极之间传递微弱的恒定直流电流来调节皮层神经元的静息膜电位，从而影响皮层兴奋性[10]。通常，阳极tDCS增强皮层兴奋性，而阴极tDCS则抑制皮层兴奋性[10]。研究表明，对M1进行1 mA的阳极tDCS持续10分钟可以降低皮层GABA浓度约10%[11]。此外，tDCS可以促进谷氨酸释放并激活NMDA受体通路，从而促进类似LTP的突触可塑性的诱导[12]、[13]。tDCS还被证明可以增加脑源性神经营养因子（BDNF）的释放，支持并放大LTP[14]。综上所述，这些机制表明tDCS可能有助于促进运动学习。虽然一些研究报道tDCS对健康成人的运动学习有改善作用，但其他研究则没有发现显著效果[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。例如，Nitsche等人报告说，阳极M1刺激后SRTT的隐性序列学习有所改善，Reis等人发现多日训练结合阳极M1 tDCS可以提高技能掌握，其优势主要归因于离线巩固的增强[15]、[17]。与刺激的任务和阶段依赖性影响一致，Saucedo Marquez等人发现，根据任务的不同，表现提升的幅度和时机在学习过程中或保留阶段出现[16]。相比之下，Vancleef等人报告说，在复杂的双手协调任务中，阳极刺激后没有观察到任何效果，无论是技能掌握还是巩固方面[18]。这种差异可能归因于任务的具体要求不同。一些研究使用了高度依赖M1兴奋性的任务，如连续反应时间任务（SRTT）或顺序视觉等长收缩任务，而其他研究则使用了可能更多依赖于小脑或基底节回路的双手协调任务[15]、[16]、[17]、[18]。此外，值得注意的是，大多数tDCS研究只进行1到5次治疗。这些短期方案可能不足以产生持久的行为改善。因此，tDCS连续几周应用于M1对运动学习的累积效应仍不清楚。

除了外源性脑刺激外，抗阻训练这种常见的锻炼干预方式也对大脑可塑性产生内源性影响。在抗阻训练的初始阶段，力量的增加主要归因于神经驱动的改善，而不是肌肉肥大，这反映了与运动学习相似的适应过程[20]。重复的抗阻训练会在神经系统的多个层面引起适应，包括皮层运动表征的重组和皮层脊髓兴奋性的增加[21]、[22]、[23]。一些经颅磁刺激研究表明，2-8周的抗阻训练可以增加运动诱发电位并减少M1中的短间隔皮层抑制[21]、[24]、[25]、[26]。此外，抗阻训练已被证明可以提高年轻人和老年人的BDNF水平[27]、[28]。一项研究表明，与有氧训练相比，高强度间歇训练、结合训练以及有氧加抗阻训练能产生最显著的BDNF水平提升[29]。这些发现表明，抗阻训练创造了一个以皮层兴奋性和增加的神经营养支持为特征的内部环境，这可能有利于运动学习。然而，直接支持抗阻训练对运动学习益处的证据仍然有限。

因此，将tDCS与抗阻训练结合使用可能会为改善运动学习提供新的见解。这两种方法有望相互补充，共同促进神经可塑性，可能产生叠加甚至协同效应。例如，抗阻训练主要通过外周肌肉活动诱导内源性生化变化，如BDNF释放和肾上腺素浓度的增加，而tDCS则通过外源性电刺激直接调节皮层兴奋性和突触效能[14]、[29]。Kim和Ko发现，对M1进行tDCS结合抗阻训练比单独使用tDCS或抗阻训练更能增强健康成人的运动诱发电位[30]。此外，Hendy和Kidgell报告说，对M1进行tDCS结合抗阻训练可以增强健康成人的运动诱发电位并减少短间隔皮层抑制[31]。尽管这些对神经可塑性有潜在的好处，但tDCS结合抗阻训练对运动学习行为测量的影响仍不清楚。

研究表明，下肢抗阻训练可以有效增强皮层脊髓兴奋性并减少短间隔皮层抑制，即使在上肢未受训练的皮层中也是如此[26]、[32]、[33]。一项系统评价和元分析发现，下肢训练在提高皮层脊髓兴奋性和减少皮层抑制方面比上肢训练效果更显著[34]。此外，与上肢抗阻训练相比，下肢抗阻训练在提高BDNF水平方面更有效[35]。这些优势使得下肢抗阻训练成为组合干预的理想选择。因此，本研究旨在（1）探讨3周和6周的tDCS结合左侧M1和下肢抗阻训练对健康年轻成人运动学习的影响；（2）检查这些效果在停止训练1周后的持久性。我们假设6周的组合干预、单独的tDCS或假tDCS结合抗阻训练可以改善运动学习，而3周的干预则不会。此外，我们还假设这些改善在停止训练1周后仍然存在。

部分摘录

参与者

在G*Power（版本3.1）中进行了先验功效分析，以根据SRTT的主要序列特异性运动学习结果确定所需的样本量（即随机序列第6块的反应时间减去每次会话中重复序列第5块和第7块的平均RT）。假设一个保守的、基于传统的效应大小f = 0.25，α = 0.05和95%的功效，分析表明需要总共52名参与者。

基线比较

关于RT，重复测量方差分析显示块的主效应显著（F_{4.66, 223.68} = 18.47，p < 0.001），但组的主效应不显著（F_{3, 48} = 0.99，p = 0.403），组与块之间的交互作用也不显著（F_{13.98, 223.68} = 1.01，p = 0.442）。块的主效应是由于第2-8块的RT显著低于第1块；第3块相对于第1、2和6块；第4块相对于第1块。

讨论

本研究探讨了3周和6周的tDCS结合左侧M1和下肢抗阻训练对健康年轻成人运动学习的影响。在3周的干预中，tDCS结合抗阻训练组和假tDCS结合抗阻训练组的块间RT显著快于仅tDCS组和对照组，表明总体运动表现有所改善。然而，这些RT的改善并未伴随其他方面的改善。

结论

本研究提供了新的证据，表明6周的tDCS结合下肢抗阻训练显著增强了健康年轻成人的运动学习，而单独使用tDCS或假tDCS结合抗阻训练则没有类似的益处。然而，在6周的干预后，只有组合干预在总体运动表现上显示出明显优势。在3周的干预中，tDCS结合抗阻训练组和假tDCS结合抗阻训练组都显示出改善。

资助

本研究由北京体育大学高级人才研究基金会资助（资助编号3101037）。

CRediT作者贡献声明

齐凤雪：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、方法学、研究、资金获取、正式分析、概念化。张静怡：数据管理。左志鹏：数据管理。田月：撰写 – 原始草稿、可视化、正式分析。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。