运动学习是获得某种新的运动技能的一种相对永久性的改变，伴随着大脑皮层可塑性以及突触的可塑性的变化，其本质就是通过调控神经系统来调节肌肉功能。在职业、运动、音乐和康复活动等各种环境中新动作学习的过程中，运动学习能力都起着核心作用[1,2,3,4]。经颅电刺激（transcranial electrical stimulation,t ES）技术是一种非侵入性的神经调控技术，可以通过将电极片放置在头颅部位，传递低强度的电流改变局部的突触可塑性来调控目标脑区的神经活动[5]，包括经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation,t DCS)[6]、经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation,t ACS)[7]和经颅随机噪声刺激（transcranial random noise stimulation,t RNS)[8,9]等。大量研究证明，t ES可有效调节运动皮层兴奋性，提升受试者运动学习表现，其中初级运动皮层（primary motor cortex,M1）是调控运动学习能力的主要脑区[10,11,12]。

尽管如此，t DCS、t ACS等常用经颅电刺激多属于泛刺激，无法聚焦目标靶区并且无法刺激到脑深部位置[13]。侵入性刺激方式，如深部脑刺激（deep brain stimulation,DBS）虽然可以刺激脑深部组织、具备高精准特性，但作为一种外科手术，DBS的应用受到潜在并发症的限制[14]。因此，如何采用非侵入的方式同时能够聚焦且深入地调控目标脑区是目前神经调控技术亟待解决的难题。基于相位干涉电场的非侵入性深部脑刺激技术（non-invasive deep brain stimulation via temporally interfering electric fields,NIDBS-TI），又简称TI刺激技术，利用了神经元对频率高于1KHz的正弦电场刺激无反应的特性，将两组频率分别为2.0 k Hz和2.01 k Hz的正弦电场从两个不同位置作用于大脑，可以在不影响浅层组织的前提下，调控深层目标脑区[15]，具有空间分辨率高、可聚焦深部脑组织等优点。目前TI刺激调控人脑功能的研究较少[16,17]，其有效调控参数仍待进一步探索。

人脑是一个高度动态的系统，可以根据内外部环境的变化做出调整。当外部驱动力较弱的情况下，中枢神经系统将产生一种稳态反应，以确保皮层网络的活动保持在功能动态范围内；随机波动或“噪声”的添加则可以增强施加信号的可检测性或传输效率（随机共振），使用恒定t DCS输出时，大脑可以及时做出调整来适应变化，这可能会影响刺激效果[18]；而基于随机变化交流电信号的阈下刺激，t RNS则可以打破神经系统的稳态来更大程度地促进大脑可塑性[19]。临床研究也表明，给大脑施加不同频率切换的刺激模式（变频刺激），用于改善帕金森患者的运动障碍的效果优于固定频率刺激模式[20]。

因此，我们推测变频刺激模式可能是一种在不超过安全电流强度的前提下有效提高大脑功能的方法。本研究主要目的是使用一种变频差频TI刺激模式，探究其对健康成年人初级运动皮层兴奋性和运动学习任务表现的影响。

1、资料与方法

1.1 一般资料

本研究为随机、交叉、双盲设计，包括试验1与试验2，分别探究变频TI刺激对运动皮层兴奋性和运动学习表现的影响。本文招募2021年3月—2022年6月上海体育大学在校学生36例受试者，其中试验1纳入20例[（21.75±2.40）岁；女，55%]、试验2纳入16例[（21.35±2.11）岁；女，47%]。

纳入标准：(1)年龄18—25岁；(2)右利手；(3)身体状况良好；(4)头部及上肢3个月内无损伤。排除标准：(1)有精神相关或神经系统的疾病病史；(2)有经颅电刺激和经颅磁刺激相关的禁忌证（比如头部或大脑中有金属植入物）；(3)使用过可能会影响大脑兴奋状态的神经类的激活药物。

在纳入研究前告知受试者试验的主要目的和具体流程，并签署知情同意书。本研究所使用的测试和刺激方案已通过上海体育大学伦理委员会审核批准（批准号：102772020RT036）。

1.2 试验流程

试验1：受试者随机接受变频TI刺激（靶区为左侧M1区）或sham刺激，刺激前和刺激后即刻使用经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation,TMS）评估初级运动皮层兴奋性的改变，两种刺激方案间隔不少于48h。

试验2：采用试验1相同的刺激方案和干预设置，刺激前和刺激后即刻分别完成随机反应时任务（random reaction time test,RRTT）和序列反应时任务（serial reaction time test,SRTT）以评估受试者的运动学习表现。

试验过程中，要求受试者在试验前的24h内不要进行激烈的体力活动，且测试前12h之内不能饮用任何含有咖啡因等兴奋成分的食品和饮品，以排除激烈的体力活动或咖啡因成分对TMS测试和运动学习任务测试的潜在影响。

1.3 TI刺激方案

图1 相位干涉电场刺激系统   

TI刺激设备使用相位干涉电场刺激系统，包括电脑控制程序、数模转换器和刺激输出三部分[15,21]。电脑控制程序：MATLAB软件程序生成数字正弦信号；数模转换器（USB-6361,National Instruments Inc.，美国）：将数字正弦信号转换为电压信号；刺激输出：电压信号再传送到线性刺激隔离器（A395,Precision Instruments Inc.，美国）来产生恒定的电流，如图1所示。

根据国际10-20 EEG系统，刺激靶点为左脑初级运动皮层（FC3），两路交流电的电极摆放位置为F5/C5、F1/C1（图2）。每路交流电电流强度为峰峰强度2m A，刺激时间为20min，其中包括刺激刚开始和结束前的30s淡入淡出。变频TI信号每分钟改变1次，两路交流电的频率分别被设定为2k Hz和2.005k Hz、2k Hz和2.01k Hz、2k Hz和2.015k Hz、2k Hz和2.02k Hz、.....、2k Hz和2.04k Hz，最终在目标脑区产生5、10、15、20、25、30、35、40Hz的包络频率。假刺激电极片放置位置与TI刺激相同，但不通电，持续时间为20min。

图2 TI电极放置位置以及电场分布

1.4 经颅磁刺激测试

使用经颅磁刺激仪（Magstim 200，英国）评估运动皮层兴奋性，8字形线圈直径为9cm，同时使用表面电极片用于记录受试者右手第一骨间背侧肌（first dorsal interosseous,FDI）的表面肌电信号。使用神经放电信号采集器（型号CED Micor 1401）进行数据采集，并通过电生理信号调节放大器（型号Model 2024F）进行过滤（带通滤波20Hz—2.5k Hz），过滤放大后信号采样频率为1k Hz。通过Signal 6.0软件进行离线分析。

利用TMS反应皮层兴奋性的指标包括运动诱发电位（motor evoked potentials,MEP）、静息运动阈值（resting motor threshold,RMT）、短时距皮层内抑制（short interval cortical inhibition,SICI）、皮层内促通（intracortical facilitation,ICF）。1m V刺激强度为连续10次刺激，至少有5次诱发的MEP>1m V的最小刺激强度，并用此强度诱发的MEP作为指标反映基线和后测皮层兴奋性的变化。RMT为在FDI放松的情况下，10次试验中有5次需要在运动热点上达到50μv的最小MEP振幅所需的最小刺激器输出强度。对于双脉冲刺激，条件刺激强度为80%RMT的强度，测试刺激为120%RMT的强度，SICI刺激间隔2ms,ICF刺激间隔10ms。SICI和ICF采用双脉冲刺激诱发的MEP振幅占单独测试刺激诱发的平均MEP振幅的百分比表示。

1.5 运动学习任务

本研究运动学习表现使用随机反应时任务（random reaction time test,RRTT）和序列反应时任务（serial reaction time test,SRTT）测试方案[17,23]，这种在有规律的序列组块中穿插随机组块的方法已被前人证实更适合内隐学习的研究[24]。RRTT任务和SRTT任务都共包含8个block，每个block包括120个试验。在RRTT的8个区（R）中，与光矩形相对应的位置均呈伪随机分布。SRTT和RRTT之间唯一的区别是在SRTT组中有些block中光矩形出现的位置不是随机的。其中，2个block为随机序列（block 1与block 6,block 1作为运动表现基线水平以优化个体内变化评估，而block 6则是干扰先前的运动学习模式。另外6个block为固定序列（block 2、3、4、5、7、8），光矩形的位置以12项顺序的方式在每个方块中重复10次。任务完成时用Matlab软件记录按键的反应时（reaction time,RT），计算：(1)RRTT：目标出现时间到按下按键的时间差（ms）的反应时。(2)SRTT：本研究中SRTT有2个学习过程：记blockn的反应时为RTn，第一内隐学习（First Implicit Learning,FIL)=RT1-(RT2+RT3+RT4+RT5）/4，第二内隐学习（second implicit learning,SIL)=RT6-(RT7+RT8）/2，以便进一步分析。

1.6 统计学分析

采用双因素重复测量方差分析（two-way repeated measures ANOVA）模型分别探究时间因素和刺激模式因素对运动皮层兴奋性的影响以及对运动学习表现的影响。模型因素包括时间（刺激前vs.刺激后）、刺激模式及其交互作用。如果存在交互作用则进行事后分析，进一步分析刺激模式因素或时间因素对试验指标的影响。使用SPSS 25.0进行统计分析，显著性水平α设为0.05，效应量用ηP2表示。

2、结果

2.1 TI刺激对运动皮层兴奋性的影响

2.1.1 MEP和RMT:

双因素重复测量方差分析显示，MEP存在显著的交互作用（F=28.787,P<0.001,ηP2=0.602）。事后分析进一步发现，TI刺激结束后MEP振幅显著增加（P<0.001），与干预前相比提升59%；假刺激后MEP振幅显著降低，P=0.035；见图3和表1。双因素重复测量方差分析显示，RMT存在显著的交互作用（F=23.524,P<0.001,ηP2=0.580）。事后分析进一步发现，TI刺激结束后RMT显著降低（P<0.001），与干预前相比下降5%；但假刺激后无显著变化（P=0.579），见图3和表1。

表1 TI刺激对运动皮层兴奋性的影响（±s)  

图3 TI刺激对MEP和RMT的影响 。

2.1.2 SICI和ICF:

双因素重复测量方差分析显示，SICI不存在显著的交互作用（F=0.044,P=0.836,ηP2=0.003);ICF也不存在显著的交互作用（F=0.925,P=0.351,ηP2=0.058），见表1。

2.2 TI刺激对运动学习表现的影响

2.2.1 RRTT:

双因素重复测量方差分析显示，RRTT任务的RT不存在显著的交互作用（F=1.822,P=0.197,ηP2=0.108），但存在显著时间主效应（F=12.873,P=0.003,ηP2=0.462）。组内分析发现，TI和Sham刺激后RT均显著下降（P=0.014;P=0.029),TI刺激后RT减少7.9%;Sham减少3.8%，如图4(A）和表2所示。

2.2.2 SRTT:

双因素重复测量方差分析显示，SRTT任务中FIL存在显著的交互作用（F=4.601,P=0.049,ηP2=0.235）。事后分析进一步发现，TI刺激后FIL值显著增加（P=0.019）。具体而言，TI刺激后受试者FIL值增加50.57%;Sham刺激后无显著变化，如图4(B）和表2所示。  

表2 TI刺激对运动学习任务的影响  

在SRTT任务中SIL不存在显著的交互作用（F=0.430,P=0.522,ηP2=0.028），但存在出时间的主效应（F=13.760,P=0.002,ηP2=0.478）。组内分析发现，TI刺激后SIL显著上升（P=0.017），具体而言，TI组在刺激后SIL增加了58.75%，而Sham刺激后无显著变化，如图4(C）和表2所示。

2.3 盲校和不良反应

试验1和试验2中，受试者猜测刺激方式（TI组或Sham组）的正确率分别为46.00%、48.00%，致盲良好。此外，两种刺激条件下均未出现严重不良反应，且两者不存在显著差异。

3、讨论

本研究结果表明，变频TI刺激可以作为一种新型经颅电刺激技术显著增加初级运动皮层的兴奋性，且有效提升内隐学习任务表现。此外，在安全性方面，试验过程中大多数受试者报告没有明显的不良反应，其不良反应报告率少于常规t ES[25]，提示TI刺激在安全性和致盲性方面可能比常规t ES更具优势。

尽管TI技术具有调控深层目标脑区的优势，但是作为一种新型的无创脑刺激技术，目前该技术尚处于探索和验证阶段。已发表的研究多集中于动物实验和理论验证[26,27,28,29,30]，少数人体研究也多聚焦于浅层靶点（例如M1区、额顶叶皮层）[16,21]，其理论可信度、临床技术可行性、参数标准化等仍需进一步的研究和验证。此外，人体头部的尺寸、电导率等均存在较高个体差异性，在探究TI刺激调控人体深层脑区有效性之前，首先应该明确人脑TI刺激的安全性及其对浅层脑区调控效果的一致性，这将有助于进一步探究TI刺激在更深层脑区调控效果和临床应用。特别是，如果TI调控深层脑区不显示效果的话，基于TI刺激对浅层脑区的调控机制将有利于探寻影响其调控效应的可能原因，例如刺激的物理属性、刺激调控参数、人体脑模差异等问题。

图4 TI刺激对运动学习任务表现的影响   

运动皮层是支配躯体各部分运动的区域，而初级运动皮层是大脑产生神经冲动的主要部位，这些神经冲动下传至脊髓，控制着人体运动的执行。所以，通过脑神经调控技术增强运动皮层的兴奋性是改善运动表现的关键。本研究发现变频TI刺激后显著增强了初级运动皮层的兴奋性，再次验证了TI刺激技术对初级运动皮层的调控的有效性。朱志强等人以FDI作为目标靶区，采用电流强度2m A，固定频率差频20Hz的TI刺激20min，核磁影像结果表明，TI刺激过程中，刺激侧大脑的中央旁小叶、中央前回、中央后回、辅助运动区、梭前叶等区域局部一致性显著激活；上顶叶、中央后回、中央前回、辅助运动区、额上回、额中回等区域功能连接也被激活[31]。与上述结果相似，本研究对初级运动皮层进行20min、2m A的变频TI刺激后，由TMS诱导的MEP显著上升，RMT显著下降。这提示初级运动皮层兴奋性显著提高，变频TI刺激可以作为激活初级运动皮层的有效手段。

在未确定TI对人体最佳的刺激参数前，本试验尝试使用变频刺激方案证明了该刺激参数是一种可行方案。其可能机制是在大脑中不断变化的包络频率打破了神经系统的稳态，增强了相关神经的活动。一般来说，随机变化的噪声会降低性能，但非线性系统，利用随机波动或噪声的添加增强弱施加信号的可检测性或传输效率，这种现象被称为随机共振[32]。神经元噪声的存在可能使神经元对给定范围的弱输入更为敏感，那些与信号走向相同的神经元被“随机激活”。基于随机共振现象的框架理论，随机噪声刺激可能打破了神经系统的稳态，并增强相关的神经活动；相反，当t DCS刺激时，神经元处于一个恒定的电场中，这促使膜反应产生适应并返回至最初的“静息”状态[19,33]。在临床研究中，有学者发现变频刺激改善帕金森患者的运动障碍的效果优于固定频率刺激模式[20]。尽管本研究未设置固定刺激方案作为对照，但结果进一步证实变频TI刺激一种有效提升运动皮层兴奋性的刺激模式，其刺激效应也可能基于随机共振机制。

反应时任务（尤其是序列反应时任务）是一种评价运动学习能力经典范式。本研究发现在初级运动皮层施加变频TI刺激（峰强度2m A,20min）后，健康成年人的第一内隐学习能力显著提升，但第二内隐学习能力和RRTT任务无显著变化。TI刺激不仅可以有效激活初级运动皮层，也可以通过下行神经传导调控外周行为，促进运动学习表现，尤其是内隐学习。这与前人研究结果相似，Ma等[17]的研究中，对健康成年人施加20min固定频率差频20Hz和70Hz的TI刺激后发现，相比于70Hz TI刺激和假刺激，差频20Hz TI刺激更显著地提升第一内隐学习能力，同样也未观察到第二内隐学习和RRTT的显著改变。许多t ACS研究也证实了α频段和β频段对改善运动学习的有效性。例如，Pirulli等[33]对13例健康受试者的左侧M1分别施加10、20Hz的t ACS和假刺激进行SRTT测试，结果显示10和20Hz的t ACS均有效地提升了SRTT表现。本研究中TI刺激所产生的8个包络频率中大部分属于α和β频段，这可能解释了我们所使用刺激方案对运动学习能力的调控作用。此外，运动学习的过程常伴随着皮质脊髓兴奋性和突触可塑性的改变，在本研究中变频TI刺激后的1h内运动皮层的兴奋性都处于升高状态，这可能是促进运动学习的另一个原因。Nitsche等[34]观察到在执行连续反应时任务时，用弱电流强度的t DCS刺激运动皮层能够改善人类的内隐运动学习能力，并且在刺激后的30min时评估了皮质脊髓兴奋性和运动学习改善的保留效果，结果显示受试者仍保持着这种提高，皮层兴奋性变化伴随着运动学习，这与本研究发现一致。

4、结论

变频TI刺激可以显著增加初级运动皮层的兴奋性，这种调控效应可能有助于促进健康成年人运动学习表现。尽管本研究的刺激靶点为浅层初级运动皮层而不是深层脑区，但本研究进一步补充了TI刺激对人脑活动的调控特点，有助于为未来由浅入深地将该技术用于调控更深层脑区和临床应用奠定基础。

参考文献:

[11]乔淇淇,王新,康灵,等.经颅直流电刺激技术对运动表现影响的国外研究进展[J].体育科学,2020,40(6):83—95.

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

[31]朱志强.无创深部脑刺激对神经肌肉功能的影响及其神经机制[D].上海:上海体育学院,2021.

文章来源:闫金龙,朱春月,付田莉,等.变频相位干涉电场刺激对运动皮层兴奋性及运动学习表现的影响[J].中国康复医学杂志,2024,39(07):971-977+983.