《运动解剖学》课程教学资源（文献资料）经颅直流电刺激对肘关节等动运动中力量输出、肌肉活性的影响

用 力 文竞编号：1000-4939(2022)05-0997-10 经颅直流电刺激对肘关节等动运动中 力量输出、肌肉活性的影响 高扬，宋林杰，李路，傅维杰，黄灵燕 (上海体有学院“运动健身科技”省部共建教有部重点实验室，200438上海) 摘要：探究经颅直流电刺激(DCS)对时关节等动运动中力量输出、肌肉活性、皮层兴奋性的影响。 选取16名健康男性大学生按服随机、双盲、交又的实验设计，分别接受阳极、阴极和假刺激，电流大 小、2mA.持续时间20mm。通过双因素重复量方差分析（时间×树激模式）比较不同条件下时关 节等动运动中屈仲肌群肌肉力量输出、肌肉活性以及皮层兴奋性的差异。结果表明：①力量输出 高速180/s下，尉关节屈肌峰值功率、屈仲总做功在阳极刺激后保持不变，阴极与假刺激后均显考 域小(P<0.05):②肌肉活性：3种刺澈模式均未对屈仲动作时的主动肌和括抗肌激活水平产生显 著影响，组问和组内均无统计学意义；③皮层兴奋性：阳极刺激后运动诱发电位(ME)振幅显著增 大(P<0.05),阴极刻激后显著隆纸(P<0.05),而假刺数前后无统计牵或义。阳极tDCS不能提高 健康年轻男性时关节肌肉力量，但对增肌肉抗劳能力，维持高张度微功能力具有积极影响。 完提示，这种神经调控技术可作为一种新型运动训练辅助装备，用于需要保持上肢高功输出的 项目。 关键词：经颅直流电刺激：肌肉力量：肌肉活性：皮层兴奋性 中图分举号：G842文就标志码：A D01:10.11776/i.issm.10004939.2022.05.023 Effects of transcranial direct current stimulation on force output and muscle activity of elbow joint during isokinetic performance GAO Yang.SONG Linjie,LI Lu,FU Weijie,HUANG Lingyan Key Laboratory of Exercise and Health Sciences of Ministry of Education Shanghai Univ rsity of Sport 200438 Shanghai.China) Abstract:To investigate the effects of transeranial direet current stimulation (DCS)on strength output, muscle activity,and cortical excitability during maximum-intensity elbow isokinetic movements.Sixteen healthy male college students were selected to receive anodal,cathodal or sham stimulation randomly in er s udy.The stimulation asted 20 min at a current intensity of 2.0mA.Twoway (time x stimulation modes)ANOVA with repeated measures was used to analyze the differences in power 销气天林等经候流电版对时关节等动运中为显出肌肉活性的用小应用力学27 C)1994-2022 China Academie Joumal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net

第 39 卷 第 5 期 2022 年 10 月 应 用 力 学 学 报 Chinese Journal of Applied Mechanics Vol． 39 No． 5 Oct． 2022 收稿日期: 2022-02-18 修回日期: 2022-04-09 基金项目:“运动健身科技”教育部重点实验室 2022 开放课题资助项目( No． 2022KF0006) ; 国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项资助项目 ( No． 2018YFF0300501) ; 国家自然科学基金重点资助项目( No． 11932013) 通信作者: 黄灵燕。E-mail: alice37yn@ 163． com 引用格式: 高扬，宋林杰，李路，等． 经颅直流电刺激对肘关节等动运动中力量输出、肌肉活性的影响［J］． 应用力学学报，2022，39( 5) : 997-1006． GAO Yang，SONG Linjie，LI Lu，et al． Effects of transcranial direct current stimulation on force output and muscle activity of elbow joint during isokinetic performance［J］． Chinese journal of applied mechanics，2022，39( 5) : 997-1006． 文章编号: 1000-4939( 2022) 05-0997-10 经颅直流电刺激对肘关节等动运动中 力量输出、肌肉活性的影响 高扬，宋林杰，李路，傅维杰，黄灵燕 ( 上海体育学院“运动健身科技”省部共建教育部重点实验室，200438 上海) 摘 要: 探究经颅直流电刺激( tDCS) 对肘关节等动运动中力量输出、肌肉活性、皮层兴奋性的影响。 选取 16 名健康男性大学生按照随机、双盲、交叉的实验设计，分别接受阳极、阴极和假刺激，电流大 小 2 mA，持续时间 20 min。通过双因素重复测量方差分析( 时间 × 刺激模式) 比较不同条件下肘关 节等动运动中屈伸肌群肌肉力量输出、肌肉活性以及皮层兴奋性的差异。结果表明: ①力量输出: 高速 180 °/s 下，肘关节屈肌峰值功率、屈伸总做功在阳极刺激后保持不变，阴极与假刺激后均显著 减小( P ＜ 0． 05) ; ②肌肉活性: 3 种刺激模式均未对屈伸动作时的主动肌和拮抗肌激活水平产生显 著影响，组间和组内均无统计学意义; ③皮层兴奋性: 阳极刺激后运动诱发电位( MEP) 振幅显著增 大( P ＜ 0． 05) ，阴极刺激后显著降低( P ＜ 0． 05) ，而假刺激前后无统计学意义。阳极 tDCS 不能提高 健康年轻男性肘关节肌肉力量，但对增强肌肉抗疲劳能力，维持高强度做功能力具有积极影响。研 究提示，这种神经调控技术可作为一种新型运动训练辅助装备，用于需要保持上肢高功率输出的 项目。 关键词: 经颅直流电刺激; 肌肉力量; 肌肉活性; 皮层兴奋性 中图分类号: G842 文献标志码: A DOI: 10． 11776 /j． issn． 1000-4939． 2022． 05． 023 Effects of transcranial direct current stimulation on force output and muscle activity of elbow joint during isokinetic performance GAO Yang，SONG Linjie，LI Lu，FU Weijie，HUANG Lingyan ( Key Laboratory of Exercise and Health Sciences of Ministry of Education， Shanghai University of Sport，200438 Shanghai，China) Abstract: To investigate the effects of transcranial direct current stimulation ( tDCS) on strength output， muscle activity，and cortical excitability during maximum-intensity elbow isokinetic movements． Sixteen healthy male college students were selected to receive anodal，cathodal or sham stimulation randomly in this double-blind，crossover study． The stimulation lasted 20 min at a current intensity of 2． 0 mA． Two-way ( time × stimulation modes) ANOVA with repeated measures was used to analyze the differences in power

应用力学学报 第39卷 movements under different conditions.Results:Strength output:At a high speed of 180/s,the peak power of elbow flexion and total work of elbow flexion and extension decreased significantly after both cathodal and sham stimulation (P.05),but were not found after anodal stimulation.2Muscle activity: Noe of the three stimulation modes significantly affected the activation leves of agonis andantag motor evoked potential MEP)amplitude increased significantly P<0.05)after anodal stimulation and decreased significantly after cathodal stimulation (P <0.05),but there was no significant difference after sham stimulation.The application of anodal tDCS could not improve the elbow musele strength of healthy ng men,but had a positive effect in enhancing anti-fatigue ability of elbow muscles and maintaining y can be used as a nev type of sports training auxiliary equipment for events that need to maintain high power output of upper Key words:transeranial direct current stimulation:muscle strength:muscle activity:motor cortex excitabil- ity 在竞争激烈的竞技体育中，提升运动表现和成 现的增益效果，从而应用于健康人或运动员： 绩的压力巨大，促使运动员寻求外源性或者神经科 DCS改善肌肉表现的潜在机制尚未完全清楚， 学手段的括助。经颅直流电刺激(出 研究发现，阳极DCS施加于后，能够观察到 ect current stimulation,tDCS)作为主要脑刺技术 领磁刺(transcranial magnetic stimulation,TMS)引 的一种，通过施加于头皮上的持续且微弱的电流( 起的运动诱发电位(motor evoked potential,MEP)振 般小于2mA),达到调节静息膜电位，引起皮层兴 幅的增加.，还有研究发现DCS能够在短时间肌 奋性变化的效果 DCS已经被证明在提高健成 肉收缩期间调节肌电振幅/力的关系，表明促进了运 人群的肌肉力量，延缓运动疲劳以及促进运动技篚 动单元的募集阅。此前的研究，只探究了主动肌、 学习方面有一定潜力。由于其无创、安全无副作 桔抗肌在等长收缩中的变化，动态运动中DCS 用的优势，己有运动员和军队在训练中使用 对神经肌肉的调节作用是否一样还不得而知。 DCS设备. 不少专业运动队将DCS用于日常 综上所述，本研究旨在探究DCS作用于M1 练，以增强大脑与肌肉的连接，提高运动员完成动作 肢区域对肘关节屈伸肌群力量输出的影响，并且使 的协调性9，因此，DCS也被称为“神经 用TMS和表面肌电分别观察神经和肌肉在刺激前 启动技术”o。 后的变化，以期为tDCS应用于训练实践提供数据参 Cogiamanian等首次研究了DCS对于肌肉力 考和理论基础。 量的影响，结果表明，阳极刺激作用于运动皮层可以 延长肘关节屈肌在次最大强度等长收缩运动中达到 1 研究对象与方法 力竭的时间。此后，又有研究进一步探究了DCS对 于上肢运动表现的影 其中大部分都关注了 1.1研究对象 tDCS对时屈肌最大自主收缩或次最大自主等长收 缩的影响4，并证明了DCS的增益效果。但是 经过招募，来自体育学院的16名健康男性参加 DCS对于动态运动中力量表现的研究数量有 了此次实验.年龄(24.4±1.9)岁：身高(173.3± 限，其中 项研究发现DCS可以增加肘关节完 6.0)cm体质量(68.7±10.3)kg 纳入标准包括 成IORM负荷屈曲的次数，另一项研究关注了腕傅 ①经过评价为右利手：②近半年没有肩、时、腕关节 肌1RM。研究表明，不同的运动类型会影响DCS的 的运动损伤：③无针对上肢的乐器学习或运动项目 作用效果。综上，DCS对上肢等动运动的影响 训练经历：④近3个月没有服用结神类或镇定类药 还需进一步探究，以全面了解DCS对于上肢力量表 物：⑤无皮肤过敏、体内金属植入物等经颅直流电刺 投稍网站：hp1m加edm微信公众号：应用力学学报 C)1994-2022 China Academie Joural Electronic Publishing Housc.All rights reserved.http://www.cnki.net

998 应 用 力 学 学 报 第 39 卷 投稿网站: http: / /cjam． xjtu． edu． cn 微信公众号: 应用力学学报 output，muscle activity，and cortical excitability of elbow flexor and extensor during isokinetic elbow joint movements under different conditions． Results: ①Strength output: At a high speed of 180 °/s，the peak power of elbow flexion and total work of elbow flexion and extension decreased significantly after both cathodal and sham stimulation ( P ＜ 0． 05) ，but were not found after anodal stimulation． ②Muscle activity: None of the three stimulation modes significantly affected the activation levels of agonist and antagonist muscles，and there was no significant difference between and within groups． ③Cortical excitability: The motor evoked potential ( MEP) amplitude increased significantly ( P ＜ 0． 05) after anodal stimulation and decreased significantly after cathodal stimulation ( P ＜ 0． 05) ，but there was no significant difference after sham stimulation． The application of anodal tDCS could not improve the elbow muscle strength of healthy young men，but had a positive effect in enhancing anti-fatigue ability of elbow muscles and maintaining high-intensity work capacity． It was suggested that this neuromodulation technology can be used as a new type of sports training auxiliary equipment for events that need to maintain high power output of upper limbs． Key words: transcranial direct current stimulation; muscle strength; muscle activity; motor cortex excitabil￾ity 在竞争激烈的竞技体育中，提升运动表现和成 绩的压力巨大，促使运动员寻求外源性或者神经科 学手段的帮助［1］。经颅直流电刺激( transcranial di￾rect current stimulation，tDCS) 作为主要脑刺激技术 的一种，通过施加于头皮上的持续且微弱的电流( 一 般小于 2 mA) ，达到调节静息膜电位［2］，引起皮层兴 奋性变化的效果［3］。tDCS 已经被证明在提高健康 人群的肌肉力量，延缓运动疲劳以及促进运动技能 学习方面有一定潜力［4-5］。由于其无创、安全无副作 用的优 势［6-7］，已有运动员和军队在训练中使用 tDCS 设备［8］。不少专业运动队将 tDCS 用于日常训 练，以增强大脑与肌肉的连接，提高运动员完成动作 的 协 调 性［9］，因 此，tDCS 也 被 称 为 “神 经 启动技术”［10］。 Cogiamanian 等［11］首次研究了 tDCS 对于肌肉力 量的影响，结果表明，阳极刺激作用于运动皮层可以 延长肘关节屈肌在次最大强度等长收缩运动中达到 力竭的时间。此后，又有研究进一步探究了 tDCS 对 于上肢 运 动 表 现 的 影 响。其中大部分都关注了 tDCS 对肘屈肌最大自主收缩或次最大自主等长收 缩的影响［11-15］，并证明了 tDCS 的增益效果。但是， tDCS 对于动态运动中力量表现的研究数量有 限［16-17］，其中一项研究发现 tDCS 可以增加肘关节完 成 10RM 负荷屈曲的次数，另一项研究关注了腕伸 肌 1RM。研究表明，不同的运动类型会影响 tDCS 的 作用效果［18］。综上，tDCS 对上肢等动运动的影响 还需进一步探究，以全面了解 tDCS 对于上肢力量表 现的增益效果，从而应用于健康人或运动员。 tDCS 改善肌肉表现的潜在机制尚未完全清楚。 研究发现，阳极 tDCS 施加于 M1 后，能够观察到经 颅磁刺激( transcranial magnetic stimulation，TMS) 引 起的运动诱发电位( motor evoked potential，MEP) 振 幅的增加［3，19］，还有研究发现 tDCS 能够在短时间肌 肉收缩期间调节肌电振幅/力的关系，表明促进了运 动单元的募集［20］。此前的研究，只探究了主动肌、 拮抗肌在等长收缩中的变化［11，21］，动态运动中 tDCS 对神经肌肉的调节作用是否一样还不得而知。 综上所述，本研究旨在探究 tDCS 作用于 M1 上 肢区域对肘关节屈伸肌群力量输出的影响，并且使 用 TMS 和表面肌电分别观察神经和肌肉在刺激前 后的变化，以期为 tDCS 应用于训练实践提供数据参 考和理论基础。 1 研究对象与方法 1． 1 研究对象 经过招募，来自体育学院的 16 名健康男性参加 了此次实验，年龄( 24． 4 ± 1． 9) 岁; 身高( 173． 3 ± 6. 0) cm; 体质量( 68． 7 ± 10． 3) kg。纳入标准包括: ①经过评价为右利手; ②近半年没有肩、肘、腕关节 的运动损伤; ③无针对上肢的乐器学习或运动项目 训练经历; ④近 3 个月没有服用精神类或镇定类药 物; ⑤无皮肤过敏、体内金属植入物等经颅直流电刺

第5期 高扬，等：经颅直流电刺激对射关节等动运动中力量输出、肌肉活性的影响 999 激禁忌症。实验前，受试者会被告知本实验的目的、 不变。为了证明不同刺激类型的效果，本研究依据 实验流程以及注意事项，在自愿的情况下参加本实 前人的类似研究设计了假刺激条件 。假刺激日 验并签署知情同意书。 电极摆放位置与阳极刺激相同，采用“渐入渐出”方 室，电流强度在开始的20、内上升至2mA.保持30 1,2实验仪器 后下降至0mA,持续至20mi。该方被认为有 1.2.1经颅直流电刺激仪 足够的盲效，受试者难以区分阳极刺激与假刺 本研究使用德国Ne eonn公司生产的DC 激。同时，由于刺激时间较短，难以引发皮层兴奋性 STIMULATOR多通道经颅直流电刺激仪对受试者进 的变化，因此常作为对照组以探究不同剌激条 行电划澈干预。直流电强度大小为04.5mA,最 件下的效里[列。 大电压为20V,矩形电极片的厚度为2mm.尺寸为 所有受试者被要求在干预时保持静坐状态 35 gm2(5 om y7om 免其他实验干扰，刺激电流阻抗控制在5kΩ以下 1.2.2等动肌力测试仅 刺激结束后，受试者被要求填写副作用和盲效问卷。 使用瑞士CMV AG公司生产的人体等动测试系 统Con-Trex(PM1/MU,CMVAG Corp.,Switzerland对 右侧肘关节进行等动屈、伸运动的肌力测试。 1.2.3表面肌电采集系统 采用16通道的美国Dly无线表面肌电测试 和分析系统(Trigno Wirele s EMG,DELSYS Ine.,Na ik,USA)(图1)，采集时关节等动运动中的肱二头 肌和肱三头肌表面肌电信号，采样频率为2000Hz。 图2阳极刺激电极片放置位置 (红色为阳极，整色为参老电极) Fig.2 Electrodes'placement of anodal stimulation red represents anode and blue represents reference) 1.4实验流程 本研究一共包含2个实验 实验1：本实验采用随机、双盲、交叉设计。受 图1无线传感器与基站 试者需要来4次实验室，第1次讲行人体测量、熟采 Fig.1 Wireless sensors and base station 实验流程和测试任务。之后的3次访问随机对受试 1.2.4经颅磁刺撒仪 者进行阳极、阴极以及假刺激干预，中间间隔48 使用英国lagstim公司生产的经颅磁划激仪 72h。电刺激干预由一名专业的实验人员操作，刺 （型号Magstim200),将直径均为9。 m的8字形线 激类型由计算机生成的序列随机分配，受试者和测 圈，连接至经颅磁刺激仪，对受试者左侧M1区进行 试人员都不清楚施加的刺激类型。 刺激。 受试者来到实验室后，首先进行 5min的右侧 1.3电刺激方案 二头肌和肱三头肌静态拉伸。拉伸结束后，根据 SENIAM放留肌电建议】对受试者右侧上肢肌群进 本研究刺激目标区域为M1区四，为了提高运 行定位。随后，在肌腹位置进行备皮工作，包括剃除 动表现，将参考电极置于大脑外比脑上更有 毛发，清洁死皮，用医用酒精棉球清理皮肤。 将无线 效 ,阳极刺激中阳极电极（红色）放置于左侧 表面肌电传感器按照肌纤维走向，平行粘贴于肌腹 M1区(C3),参考电极（蓝色）放置于右侧三角肌中 处，并使用医用胶带固定在肱二头肌和肱三头肌上。 束2，以2mA电流强度刺激20min(图2)。阴极刺 使用4kg的哑铃进行弯举和臂屈伸热身后.进行等 激的电极摆放位置与阳极刺激相反，刺激强度、时间 动肌力测试。测试完成，待受试者休息至心率稳定 稿网站：htp:/c 微信公众号：应用力学学报 C)1994-2022 China Academie Joumal Electronie Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne

第 5 期 高扬，等: 经颅直流电刺激对肘关节等动运动中力量输出、肌肉活性的影响 999 投稿网站: http: / /cjam． xjtu． edu． cn 微信公众号: 应用力学学报 激禁忌症。实验前，受试者会被告知本实验的目的、 实验流程以及注意事项，在自愿的情况下参加本实 验并签署知情同意书。 1． 2 实验仪器 1． 2． 1 经颅直流电刺激仪 本研究 使 用 德 国 Neuroconn 公 司 生 产 的 DC￾STIMULATOR 多通道经颅直流电刺激仪对受试者进 行电刺激干预。直流电强度大小为 0 ～ 4． 5 mA，最 大电压为 20 V，矩形电极片的厚度为 2 mm，尺寸为 35 cm2 ( 5 cm × 7 cm) 。 1． 2． 2 等动肌力测试仪 使用瑞士 CMV AG 公司生产的人体等动测试系 统 Con-Trex( PM1 /MJ，CMVAG Corp． ，Switzerland) 对 右侧肘关节进行等动屈、伸运动的肌力测试。 1． 2． 3 表面肌电采集系统 采用 16 通道的美国 Delsys 无线表面肌电测试 和分析系统( Trigno Wireless EMG，DELSYS Inc． ，Na￾tick，USA) ( 图 1) ，采集肘关节等动运动中的肱二头 肌和肱三头肌表面肌电信号，采样频率为2 000 Hz。 图 1 无线传感器与基站 Fig． 1 Wireless sensors and base station 1． 2． 4 经颅磁刺激仪 使用英国 Magstim 公司生产的经颅磁刺激仪 ( 型号 Magstim200) ，将直径均为 9 cm 的 8 字形线 圈，连接至经颅磁刺激仪，对受试者左侧 M1 区进行 刺激。 1． 3 电刺激方案 本研究刺激目标区域为 M1 区［22］，为了提高运 动 表 现，将参考电极置于大脑外比脑上更有 效［21，23］。阳极刺激中阳极电极( 红色) 放置于左侧 M1 区( C3) ，参考电极( 蓝色) 放置于右侧三角肌中 束［12］，以2 mA 电流强度刺激20 min( 图2) 。阴极刺 激的电极摆放位置与阳极刺激相反，刺激强度、时间 不变。为了证明不同刺激类型的效果，本研究依据 前人的类似研究设计了假刺激条件［24-25］。假刺激的 电极摆放位置与阳极刺激相同，采用“渐入渐出”方 案，电流强度在开始的 20 s 内上升至 2 mA，保持 30 s 后下降至 0 mA，持续至 20 min。该方案被认为具有 足够的盲效［26］，受试者难以区分阳极刺激与假刺 激。同时，由于刺激时间较短，难以引发皮层兴奋性 的变化［3，25］，因此常作为对照组以探究不同刺激条 件下的效果［27］。 所有受试者被要求在干预时保持静坐状态，避 免其他实验干扰，刺激电流阻抗控制在 5 kΩ 以下。 刺激结束后，受试者被要求填写副作用和盲效问卷。 图 2 阳极刺激电极片放置位置 ( 红色为阳极，蓝色为参考电极) Fig． 2 Electrodes' placement of anodal stimulation ( red represents anode and blue represents reference) 1． 4 实验流程 本研究一共包含 2 个实验。 实验 1: 本实验采用随机、双盲、交叉设计。受 试者需要来 4 次实验室，第 1 次进行人体测量、熟悉 实验流程和测试任务。之后的 3 次访问随机对受试 者进行阳极、阴极以及假刺激干预，中间间隔 48 ～ 72 h。电刺激干预由一名专业的实验人员操作，刺 激类型由计算机生成的序列随机分配，受试者和测 试人员都不清楚施加的刺激类型。 受试者来到实验室后，首先进行5 min 的右侧肱 二头肌和肱三头肌静态拉伸。拉伸结束后，根据 SENIAM 放置肌电建议［28］对受试者右侧上肢肌群进 行定位。随后，在肌腹位置进行备皮工作，包括剃除 毛发，清洁死皮，用医用酒精棉球清理皮肤。将无线 表面肌电传感器按照肌纤维走向，平行粘贴于肌腹 处，并使用医用胶带固定在肱二头肌和肱三头肌上。 使用 4 kg 的哑铃进行弯举和臂屈伸热身后，进行等 动肌力测试。测试完成，待受试者休息至心率稳定

1000 应用力学学报 第39卷 后，进行20min的DCS刺激。之后，再完成一次与 试，寻找头皮上的运动热点区域，标记并记录。ME 之前相同的热身以及等动肌力测试。受试者被要求 测试斋要使用TMS基线值的120%强度 ,有8 在实验前一天避免高强度的体力活动以及酒精摄 名受试者阅值过高，TMS强度提高后产生了疼痛，因 入，并保持相同的饮食和作息。同时，避免在实验开 此被排除，避鱼造成不话以及影响实验结果[。第 始前8h内摄入咖啡，以防对大脑产生兴奋作用，干 2一4次，受试者随机接受阳极、阴极和假刺激 扰实验结果例 随机方法与实验1相同，并 刺激前后进行MEP 实验2：实验2由实验1中的16人参加，受试者 测试。 需要来实验室4次。第1次进行TMS基线阀值测 图3测试流程图 Fig.3 Flow chart of the experimen 1.4.1等动肌力测试 2)肌肉活性指标：对采集的原始肌电信号先进 受试者严格按照等动测力仪操作手册讲行座位 行带通滤波（截止频率为10~100Hz),然后对滤波 调节，用绑带将大臂完全固定在椅背上，以使肱 后的肌电数据进行基线调整与全波整流，最后 肌和肱三头肌能 更好地孤立发 肘关节屈伸酒 均方根振 使用 单 动范围根据每位受试者进行调整，在首次来访时进 行记录，确保在后续来访中一致。在按测试动作（速 化处理，主动肌或洁抗肌的激活水平计算方法 度设定为240°18)进行3次适应性活动后，开始正 如下 武别试。哥试著在实骑人品的提示下分别进行时关 RMS 节在10 和60下的屈、伸等动向心测试，每 RMS()=RMS ×100% 种速度下各做1组，每组5次，组间休息1min。测 其中，RMS,表示在某一速度下肌肉的RMS平均值 试过程中，实验人员会持续地给子每位受试者一致 这里i=60/s,180/s 的口头鼓励，确保受试者尽全力完成测试。 3)皮层兴奋性指标：取后9次连续且有效的 1.4.2经颅碳刺澈 EP峰峰波幅值计算平均值。 通过单脉冲TMS刺激后产生的MEP变化对比 1.6统计与分析 3组干预模式前后M区右侧第一骨间背侧肌(s orsal interosseous.FDD上的皮层兴奋性差异。具体 实验数据均以平均值±标准差(X±SD)的形式 操作为：在Cz占左测2cm左右定位FDI的运动皮 表示.所有数据使用SPsS22.0和EXCEL2019软件 层代表区，手持线图于烦晋的切线位留呈45。，在内 进行统计·本研究采用双因素（时间×刺激模式）重 外方向移动线圈，使用TMS刺激 在右侧FDI使用 复测量方差分析(！ Ag/AgCl电极记录MEP,并在能够持续诱发出目柯 探究不同条件下肌肉力量输出、肌肉活性和皮层 肌肉最大正P振幅的皮层部位使用记号笔标记为运 奋性的变化。如果存在交互作用，则通过ISD事后 动热点(hot spot)。其中.TS检强度设置为1mV 检验进行两两比较。显著性水平均设为P<0.05。 即规定当肌肉放松时，在10次刺激中至少一半的连 续性测试能够产生1 mV MEP,的最小刺激强度。 2研究结果 1.5数据处理 2.1电刺激副作用及盲效 1)力量输出表现相关指标：通过等动测试系统， 可以得到肘关节等动向心收缩过程中屈、伸肌群峰 本研究的16名受试者完成了2个实验中的全 值功率(eko er.Wkg、平均功率( e pow 部刺激，没有出现相关副作用和不自反应。2次实 er,Wkg)以及总做功(total work,J/kg指标。 验共收到盲效问卷72份，只有42份预测正确，正碗 微倍公众号：应用力学学报 C)1994-2022 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net

1000 应 用 力 学 学 报 第 39 卷 投稿网站: http: / /cjam． xjtu． edu． cn 微信公众号: 应用力学学报 后，进行 20 min 的 tDCS 刺激。之后，再完成一次与 之前相同的热身以及等动肌力测试。受试者被要求 在实验前一天避免高强度的体力活动以及酒精摄 入，并保持相同的饮食和作息。同时，避免在实验开 始前 8 h 内摄入咖啡，以防对大脑产生兴奋作用，干 扰实验结果［29］。 实验 2: 实验 2 由实验 1 中的 16 人参加，受试者 需要来实验室 4 次。第 1 次进行 TMS 基线阈值测 试，寻找头皮上的运动热点区域，标记并记录。MEP 测试需要使用 TMS 基线阈值的 120% 强度［11］，有 8 名受试者阈值过高，TMS 强度提高后产生了疼痛，因 此被排除，避免造成不适以及影响实验结果［30］。第 2 ～ 4 次，受试者随机接受阳极、阴极和假刺激， 随机方法与实验 1 相同，并在刺激前后进行 MEP 测试。 图 3 测试流程图 Fig． 3 Flow chart of the experiment 1． 4． 1 等动肌力测试 受试者严格按照等动测力仪操作手册进行座位 调节，用绑带将大臂完全固定在椅背上，以使肱二头 肌和肱三头肌能够更好地孤立发力。肘关节屈伸活 动范围根据每位受试者进行调整，在首次来访时进 行记录，确保在后续来访中一致。在按测试动作( 速 度设定为 240 °/s) 进行 3 次适应性活动后，开始正 式测试。受试者在实验人员的提示下分别进行肘关 节在 180 °/s 和 60 °/s 下的屈、伸等动向心测试，每 种速度下各做 1 组，每组 5 次，组间休息 1 min。测 试过程中，实验人员会持续地给予每位受试者一致 的口头鼓励，确保受试者尽全力完成测试。 1． 4． 2 经颅磁刺激 通过单脉冲 TMS 刺激后产生的 MEP 变化对比 3 组干预模式前后 M1 区右侧第一骨间背侧肌( first dorsal interosseous，FDI) 上的皮层兴奋性差异。具体 操作为: 在 Cz 点左侧 2 cm 左右定位 FDI 的运动皮 层代表区，手持线圈于颅骨的切线位置呈 45°，在内 外方向移动线圈，使用 TMS 刺激。在右侧 FDI 使用 Ag /AgCl 电极记录 MEP，并在能够持续诱发出目标 肌肉最大 MEP 振幅的皮层部位使用记号笔标记为运 动热点( hot spot) 。其中，TMS 检测强度设置为 1 mV， 即规定当肌肉放松时，在 10 次刺激中至少一半的连 续性测试能够产生 1 mV MEPs 的最小刺激强度。 1． 5 数据处理 1) 力量输出表现相关指标: 通过等动测试系统， 可以得到肘关节等动向心收缩过程中屈、伸肌群峰 值功率( peak power，W/kg) 、平均功率( average pow￾er，W/kg) 以及总做功( total work，J/kg) 指标。 2) 肌肉活性指标: 对采集的原始肌电信号先进 行带通滤波( 截止频率为 10 ～ 100 Hz) ，然后对滤波 后的肌电数据进行基线调整与全波整流，最后计算 均方根振幅( root mean square，RMS) 。使用单块肌 肉的 5 次屈伸运动中 RMS 最大值RMSmax进行标准 化处理［31］，主动肌或拮抗肌的激活水平计算方法 如下。 RMS( % ) = RMSi RMSmax × 100% 其中，RMSi表示在某一速度下肌肉的 RMS 平均值， 这里 i = 60 °/s，180 °/s。 3) 皮层兴奋性指标: 取后 9 次连续且有效的 MEP 峰-峰波幅值计算平均值。 1． 6 统计与分析 实验数据均以平均值 ± 标准差( X ± SD) 的形式 表示，所有数据使用 SPSS22． 0 和 EXCEL2019 软件 进行统计。本研究采用双因素( 时间 × 刺激模式) 重 复测量方差分析( two-way repeated measures ANOVA) 探究不同条件下肌肉力量输出、肌肉活性和皮层兴 奋性的变化。如果存在交互作用，则通过 LSD 事后 检验进行两两比较。显著性水平均设为 P ＜ 0． 05。 2 研究结果 2． 1 电刺激副作用及盲效 本研究的 16 名受试者完成了 2 个实验中的全 部刺激，没有出现相关副作用和不良反应。2 次实 验共收到盲效问卷 72 份，只有 42 份预测正确，正确

第5期 高扬，等：经颅直流电刺激对肘关节等动运动中力量输出、肌肉活性的影响 100 率为58.3%，表明本方案具有不错的盲效。 4.908,P=0.014]。阴极刺激和假刺激后相比刺激 2.2tDCS对力量输出的影响 前显著降低(P=0 001,P=0.043 ,如图4所示 刺激条件和时间对伸肌的峰值功率和等动60°/s的 2.2.1尉关节屈伸肌峰值功垂 下的屈伸峰值功率均没有交互作用。下文图中·表 在等动180o/s的条件下，对于屈肌的峰值功 示同一组刺激前后具有统计学意义，P<0.05:“表示 率，刺激条件和时间存在交互作用[F(2,3 组间具有统计学意义，P<0.05,下同。 不同刺激条件 动向 收缩过程中肘关节屈伸肌群力量输出表现指标 600/s 1808/a 肌群 指标 DCS 1.51±0.2 1.33±0. 1.40± AP/(W-kg-) APW·g 注：aDCS为阳极刺激：cDCS为阴极刺激：sham-tDCS为假刺激：P为峰值功率：AP为平均功率：'表示刺激前后有镜计 学意义，即P<0.05 功，制激条件和时间没有交互作用.刺激后的屈伸总 功是著下降(P=0.001)。 0器 04 图4180速度下肘关节屈肌峰值功常变化 Fig.4 Effects of tDCS on peak power of elbow flexor at 180"/s 22.2时关节屈他肌平均功率 图5180°1速度下时关节屈、伸肌平均功率变化 在笔动180/s的条件下，超条件和时间对 Fig.5 Effeets of tDCS on the average power of elbow 肌和伸肌的平均功率，没有交互作用，刺激后的屈 flexor and extensor at 180/s 肌群的平均功率显著降低（屈肌，P=0.016:伸肌 P=0.014)(图5)：在等动60°/s的条件下，对于屈 肌和伸肌的平均功率，刺激条件和时间没有交互作 0 用，划激后的屈伸肌群的平均功率显著降低（屈肌 0 P=0.009:伸肌，P=0.044)(图6) 经03 2.2.3尉关节屈仲总功 034 对于180°/s下的屈伸总功，刺微条件和时间有 02 在交互作用(F2,30)=2.644,P=0.036)。在高速 打激店 180°1s条件下，肘关节屈伸总做功在阴极刺激与假 图660°1：速度下时关节屈、伸肌平均功事变化 刺激干预后均品著减小(P=0.009.P=0.017),而 组间无统计学意义（图7）：对于601下的屈伸 投稿网站：bhp1 微信公众号：应用力学学报 C)1994-2022 China Academie Joumal Electronie Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net

第 5 期 高扬，等: 经颅直流电刺激对肘关节等动运动中力量输出、肌肉活性的影响 1001 投稿网站: http: / /cjam． xjtu． edu． cn 微信公众号: 应用力学学报 率为 58． 3% ，表明本方案具有不错的盲效。 2． 2 tDCS 对力量输出的影响 2． 2． 1 肘关节屈伸肌峰值功率 在等动 180 °/s 的条件下，对于屈肌的峰值功 率，刺激条件和时间存在交互作用［F ( 2，30 ) = 4. 908，P = 0． 014］。阴极刺激和假刺激后相比刺激 前显著降低( P = 0． 001，P = 0． 043) ，如图 4 所示。 刺激条件和时间对伸肌的峰值功率和等动 60 °/s 的 下的屈伸峰值功率均没有交互作用。下文图中* 表 示同一组刺激前后具有统计学意义，P ＜ 0． 05; # 表示 组间具有统计学意义，P ＜ 0． 05，下同。 表 1 不同刺激条件下等动向心收缩过程中肘关节屈伸肌群力量输出表现指标 Tab． 1 Comparison of power output parameters during isokinetic concentric contraction between different experimental conditions 肌群 指标 60 ° /s a-tDCS c-tDCS sham-tDCS 180 ° /s a-tDCS c-tDCS sham-tDCS 屈肌 PP /( W·kg － 1 ) 前 0． 82 ± 0． 14 0． 82 ± 0． 11 0． 82 ± 0． 15 1． 54 ± 0． 48 1． 51 ± 0． 21 1． 53 ± 0． 32 后 0． 84 ± 0． 18 0． 81 ± 0． 12 0． 80 ± 0． 14 1． 61 ± 0． 54 1． 33 ± 0． 23* 1． 40 ± 0． 26* AP /( W·kg － 1 ) 前 0． 45 ± 0． 10 0． 44 ± 0． 08 0． 43 ± 0． 10 0． 56 ± 0． 19 0． 56 ± 0． 11 0． 53 ± 0． 12 后 0． 43 ± 0． 11 0． 42 ± 0． 07 0． 41 ± 0． 07 0． 56 ± 0． 20 0． 51 ± 0． 12 0． 51 ± 0． 10 伸肌 PP /( W·kg － 1 ) 前 0． 70 ± 0． 14 0． 75 ± 0． 16 0． 70 ± 0． 16 1． 19 ± 0． 45 1． 21 ± 0． 33 1． 18 ± 0． 34 后 0． 71 ± 0． 15 0． 70 ± 0． 18 0． 70 ± 0． 18 1． 17 ± 0． 33 1． 07 ± 0． 34 1． 12 ± 0． 38 AP /( W·kg － 1 ) 前 0． 35 ± 0． 08 0． 37 ± 0． 10 0． 33 ± 0． 10 0． 44 ± 0． 16 0． 45 ± 0． 12 0． 42 ± 0． 13 后 0． 34 ± 0． 10 0． 35 ± 0． 09 0． 33 ± 0． 07 0． 43 ± 0． 13 0． 40 ± 0． 10 0． 39 ± 0． 11 注: a-tDCS 为阳极刺激; c-tDCS 为阴极刺激; sham-tDCS 为假刺激; PP 为峰值功率; AP 为平均功率; * 表示刺激前后有统计 学意义，即 P ＜ 0． 05。 图 4 180 °/s 速度下肘关节屈肌峰值功率变化 Fig． 4 Effects of tDCS on peak power of elbow flexor at 180 °/s 2． 2． 2 肘关节屈伸肌平均功率 在等动 180 °/s 的条件下，刺激条件和时间对屈 肌和伸肌的平均功率，没有交互作用，刺激后的屈伸 肌群的平均功率显著降低( 屈肌，P = 0． 016; 伸肌， P = 0． 014) ( 图 5) ; 在等动 60 °/s 的条件下，对于屈 肌和伸肌的平均功率，刺激条件和时间没有交互作 用，刺激后的屈伸肌群的平均功率显著降低( 屈肌， P = 0． 009; 伸肌，P = 0． 044) ( 图 6) 。 2． 2． 3 肘关节屈伸总功 对于 180 °/s 下的屈伸总功，刺激条件和时间存 在交互作用( F( 2，30) = 2． 644，P = 0． 036) 。在高速 180 °/s 条件下，肘关节屈伸总做功在阴极刺激与假 刺激干预后均显著减小( P = 0． 009，P = 0． 017) ，而 组间无统计学意义( 图 7) ; 对于 60 °/s 下的屈伸总 功，刺激条件和时间没有交互作用，刺激后的屈伸总 功显著下降( P = 0． 001) 。 图 5 180 °/s 速度下肘关节屈、伸肌平均功率变化 Fig． 5 Effects of tDCS on the average power of elbow flexor and extensor at 180 °/s 图 6 60 °/s 速度下肘关节屈、伸肌平均功率变化 Fig． 6 Effects of tDCS on the average power of elbow flexor and extensor at 60 °/s

1002 应用力学学报 第39卷 日 类型干预的后，作为主动肌的二头肌和肱三头肌 藏活水平均未发生显著变 ,组间和组内没有统 学意义(P>0.05):同时，作为拮抗肌的肱二头肌和 肱三头肌激活水平也未发生显著变化(P>0.0S), 组间和组内没有统计学意义(P>0.05)。 2.4运动皮层兴奋性的改变 对于EP,刺激条件和时间存在交互作用 (F2.14)=5.625.P=0.016)。阳极制满后MEP 图7130°速度下肘关节屈伸肌总功变化 振辐较刺激前显著提高了26.8%（制激前23 ,刺激后 0 2)mV e 0.046 阴 flexor and extensor at 180/s 极激后MEP振幅相比刺激前显著降低了26,3 2.3 tDCS对肌肉活性的影响 (刺激前(1.33±0.13)mV,刺激后(0.98±0.09 mV,P=0.034),且显著低于阳极激组与假刺激 如表2和表3所示，两种速度下，3种不同刺激 组，而假刺激组干预前后无统计学意义（图8）。 表2两种速度下主动肌激活水平(%) Tab.2 Activation level of agonistic muscle at two speeds (% 肌肉 等动60”1 等动1801： aDCS sham-DC5 -DCS c4DCS sham-DCS 肱二头肌 88.5+16.1 86.2±17.8 87.2±16.3 86.2±18.5 90.3±15.4 88.1±15.5 93.0±18 87.3+1.0 92.7±15.1 88.6±1. 9.0±0.8 92.515 脓三头肌 85.9±15.5 87.4±17.7 86.7±16.7 85.6±18.9 90.5±13.2 86.2±16.1 83.3+143 86.3±16.5 0.2±13.8 847419. 89+12. 90.1±16.5 表3两种辣度下桔抗肌教活水平(%) Tab.3 Activation level of antagonistic muscle at two sperds() 肌肉 等动601 等动1801 aDCS 4DXCS sham-DCS DCS c4DCS sham-DCS 肱二头肌 5.2+3.1 4.5+1.8 5.5+2.5 5.1+2.7 4.5±1.7 5.6±2.7 5.0±2.7 4.31.7 58±2.7 4.9±2.2 4.6±1.6 5.8±2.4 藤三头肌 45.1±18.2 51.0±23.0 48.1±27.7 47.2±24.7 0.9±27.6 49.7±25.6 45.7±21.4 48.3±23.7 350.1±26.7 43.4+217 46.7±24.7 52.0±26.8 3讨论 本研究的目的是探究应用于左侧M1区的 20 min tDCS对等动运动中上肢力量输出的影响。 结果表明，阳极刺激相比阴极刺激和假刺激，对于肘 关节的力量输出并没有明显的增益作用。这些发现 在肌肉活动评估中得到了证实，在两次大强度运动 DCS 之间进行20min的tDCS刺激并不能改变肘关节屈 图8三种刺激前后MEP振幅变化 伸运动时的肌肉活动。但是，通过对肘关节屈伸力 量特征指标的分析，发现其对缓解因披劳导致的运 投精网站：hpm gm.m微信公众号：应用力学学报 (C)1994-2022 China Academie Joumal Eleetronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net

1002 应 用 力 学 学 报 第 39 卷 投稿网站: http: / /cjam． xjtu． edu． cn 微信公众号: 应用力学学报 图 7 180 °/s 速度下肘关节屈伸肌总功变化 Fig． 7 Effects of tDCS on total work of elbow flexor and extensor at 180 °/s 2． 3 tDCS 对肌肉活性的影响 如表 2 和表 3 所示，两种速度下，3 种不同刺激 类型干预前后，作为主动肌的肱二头肌和肱三头肌 激活水平均未发生显著变化，组间和组内没有统计 学意义( P ＞ 0． 05) ; 同时，作为拮抗肌的肱二头肌和 肱三头肌激活水平也未发生显著变化( P ＞ 0． 05) ， 组间和组内没有统计学意义( P ＞ 0． 05) 。 2． 4 运动皮层兴奋性的改变 对于 MEP，刺激条件和时间存在交互作用 ( F( 2，14) = 5． 625，P = 0． 016) 。阳极刺激后 MEP 振幅较刺激前显著提高了 26． 8% ( 刺激前( 1． 23 ± 0． 08) mV，刺激后( 1． 56 ± 0． 2) mV，P = 0． 046) 。阴 极刺激后 MEP 振幅相比刺激前显著降低了 26． 3% ( 刺激前( 1． 33 ± 0． 13) mV，刺激后( 0． 98 ± 0． 09) mV，P = 0. 034) ，且显著低于阳极刺激组与假刺激 组，而假刺激组干预前后无统计学意义( 图 8) 。 表 2 两种速度下主动肌激活水平( % ) Tab． 2 Activation level of agonistic muscle at two speeds ( % ) 肌肉 等动 60 ° /s a-tDCS c-tDCS sham-tDCS 等动 180 ° /s a-tDCS c-tDCS sham-tDCS 肱二头肌 前 88． 5 ± 16． 1 86． 2 ± 17． 8 87． 2 ± 16． 3 86． 2 ± 18． 5 90． 3 ± 15． 4 88． 1 ± 15． 5 后 93． 0 ± 18． 0 87． 3 ± 11． 0 92． 7 ± 15． 1 88． 6 ± 11． 5 89． 0 ± 10． 8 92． 5 ± 15． 1 肱三头肌 前 85． 9 ± 15． 5 87． 4 ± 17． 7 86． 7 ± 16． 7 85． 6 ± 18． 9 90． 5 ± 13． 2 86． 2 ± 16． 1 后 83． 3 ± 14． 3 86． 3 ± 16． 5 90． 2 ± 13． 8 84． 7 ± 19． 5 88． 9 ± 12． 7 90． 1 ± 16． 5 表 3 两种速度下拮抗肌激活水平( % ) Tab． 3 Activation level of antagonistic muscle at two speeds ( % ) 肌肉 等动 60 ° /s a-tDCS c-tDCS sham-tDCS 等动 180 ° /s a-tDCS c-tDCS sham-tDCS 肱二头肌 前 5． 2 ± 3． 1 4． 5 ± 1． 8 5． 5 ± 2． 5 5． 1 ± 2． 7 4． 5 ± 1． 7 5． 6 ± 2． 7 后 5． 0 ± 2． 7 4． 3 ± 1． 7 5． 8 ± 2． 7 4． 9 ± 2． 2 4． 6 ± 1． 6 5． 8 ± 2． 4 肱三头肌 前 45． 1 ± 18． 2 51． 0 ± 23． 0 48． 1 ± 27． 7 47． 2 ± 24． 7 50． 9 ± 27． 6 49． 7 ± 25． 6 后 45． 7 ± 21． 4 48． 3 ± 23． 7 50． 1 ± 26． 7 43． 4 ± 21． 7 46． 7 ± 24． 7 52． 0 ± 26． 8 图 8 三种刺激前后 MEP 振幅变化 Fig． 8 Effects of tDCS on MEP amplitude 3 讨 论 本研究 的 目 的 是 探 究 应 用 于 左 侧 M1 区 的 20 min tDCS 对等动运动中上肢力量输出的影响。 结果表明，阳极刺激相比阴极刺激和假刺激，对于肘 关节的力量输出并没有明显的增益作用。这些发现 在肌肉活动评估中得到了证实，在两次大强度运动 之间进行 20 min 的 tDCS 刺激并不能改变肘关节屈 伸运动时的肌肉活动。但是，通过对肘关节屈伸力 量特征指标的分析，发现其对缓解因疲劳导致的运

第5期 高扬，等：经颅直流电刺激对肘关节等动运动中力量输出、肌肉活性的影响 1003 动表现下降具有一定的效果。 者在产生相同力量的同时感觉更少的努力。 3.1tDCS对肘关节力量输出的影响 M1区是DCS研究中最主要的刺激区域圆 DCS刺激M1区改善运动表现的可能原因是提高 本研究首次探究了DCS对时关节屈伸肌群在 运动皮层的兴奋性，从而维持运动神经元的神经活 长时间大福度等动运动中的力量输出的影响。3种 动，延缓活动肌肉的神经单元的减少8站 木研穷 DCS刺激前后，肘关节屈伸肌群在等动运动中的峰 对优势脑半球的M1区进行刺激，但是等动运动的 值功率、平均功率都没有增强 大量研究表明，10 表现没有提升 Lampropoulou和Kan等 同样对 20min的tDCS可以提高上肢或下肢肌肉(maximum 优势运动皮层进行了刺激，也没有发现MVC和TTE voluntary contraction.MVC)力量2]或延长次最大 表现的提升。Boggio等4发现，阳极tDCS刺激非 自主等长收缩至力竭(TTE)的时间s)。但是 优势半脑M1区后，非优势手的运动表现显著提升 与本研究 样，并没有发现2mA,20m 然而阳极 制激优势半脑1区并没有导致显 的阳极tDCS能够提高膝关节等动运动中的峰值功 著的手部运动功能改善。对于此种现象，已有研究 率、总功等力量表现刘。与本研究中使用的测试方 表明与非优势运动皮层相比，优势运动皮层表现出 案相似，Montenegro等也使用了多次重复的等动肌 更低的运动国值、更高的运动诱发电位，以及更 力测试，需要长时间的最大努力。对于此现象 短的静默期。 这表明优势脑半球已经处在或接 已有研究表明，在持续的最 大收缩中，对于运动神 近最佳激活状态 ,因此外部来源（如阳极刺激造 元的重复激活可能会降低其对突触输入的应答反 成的神经元兴奋性增加，不会对优势手的功能带来 应，还可能会增加复发性抑制。对于某些肌肉，小直 额外的收益。近年来的一些研究改变了参考电极的 径的肌肉传入活动会抑制运动神经元。尽管下行的 摆放位置，发现置于对侧领头或对侧眼上框4“9 驱动可能不会减小，但即使有额外的运动皮层输出 可以提高最大力量表现。这种现象可能是由于参考 也无法补偿运动神经元池的变化，最终导致运动 电极的摆放位置决定了电流在头皮上的走向，特殊 位募集减慢，容易引发中枢疲劳 因此，刺激的 位置的参考电极可能刺激了周边的脑区，因此对于 有效性可能取决于肌肉收缩的类型（等长与动态 刺激效果有很大影响。之后的研究需要对刺激 或墓集的肌肉量（大肌与小肌群），这可能会影 方案进一步探究，以确定M1区是否是最佳的刺测 神经中枢收到的信息的以及运动皮质需求的 区域 未来的研究需要确定DCS对于不同运动类 3.2 tDCS对神经肌肉的影响 型的应用效果，以更好的应用于康复和训练中 本研究中屈伸肌群的平均功率在刺激后显著下 木研究对肘关节执行等动向心运动时屈伸肌 岁表明大强度的等动运动测试使受试者生值以 ”击 二头肌与肱三头肌)的肌肉活动进行了监测，并 但是阳极刺激后 ,1801s 没有发现干预前后主动肌、抗肌的激活水平有显 率和屈伸肌群总做功仍然保持，而阴极和假刺激后 著提高。Krishnan等研究发现，阳极tDCS刺激后 显著下降，这表明阳极刺激能够提高肌肉抗疲劳的 敢头肌在37.5%和50%VC时关节显曲云动中 能力，研究表明，动作速度是等动运动中肌肉被 肌肉激活水平显提高0。造成这种差异的原因 产生的重要因素，随着速度的降低，疲劳的积累会 可能是由于等动运动强度较高，受试者在测试任务 快侧，这可能是 本研究只在1801：速度下观察到 执行中都尽了最大努力，因此，主动肌的平均激活程 了阳极tDCS效果的原因。与本研究相似，Ahdl 度在两种速度上均接近于100%的水平，存在“天花 noula、Lattari等发现，阳极刺激可以延长次最大强 板效应”，即指标接近测量上限，变化幅度较小 府下单关节持续收缩2，和全身性力运动至力 难以反映出电刺激对激活程度的真实影响。此外 竭的时间24， 本研究观察到刺激后MEP提高，但 在持续的最大强 度收缩中可观察到肌 电 时域信 这种由膜极化和神经递质释放变化引起的作用可能 幅值减小的现象 ,这是由于在此类运动中所募 对最大运动强度的橄感性较低幻，因此功率输出没 的运动单位趋于饱和，随着披劳的发展运动单位募 有增加。但是，对M1区的阳极刺微可能促进了肌 集程度降低所导致的，但在本研究中，单组测试持绩 肉的下行驱动，从而减少了运动前区的活动，使受试 时间较短(<20)，而肌电参数对其评定并不敏感， 稿网站：htp:/c 微信公众号：应用力学学报 C)1994-2022 China Academie Joumal Electronie Publishing House.All rights reserved www.cnki.net

第 5 期 高扬，等: 经颅直流电刺激对肘关节等动运动中力量输出、肌肉活性的影响 1003 投稿网站: http: / /cjam． xjtu． edu． cn 微信公众号: 应用力学学报 动表现下降具有一定的效果。 3． 1 tDCS 对肘关节力量输出的影响 本研究首次探究了 tDCS 对肘关节屈伸肌群在 长时间大强度等动运动中的力量输出的影响。3 种 tDCS 刺激前后，肘关节屈伸肌群在等动运动中的峰 值功率、平均功率都没有增强。大量研究表明，10 ～ 20 min 的 tDCS 可以提高上肢或下肢肌肉( maximum voluntary contraction，MVC) 力量［32-33］或延长次最大 自主等长收缩至力竭 ( TTE) 的 时 间［11-15］。但 是， Montenegro 与本研究一样，并没有发现 2 mA，20 min 的阳极 tDCS 能够提高膝关节等动运动中的峰值功 率、总功等力量表现［34］。与本研究中使用的测试方 案相似，Montenegro 等也使用了多次重复的等动肌 力测试，需要长时间的最大努力［35］。对于此现象， 已有研究表明，在持续的最大收缩中，对于运动神经 元的重复激活可能会降低其对突触输入的应答反 应，还可能会增加复发性抑制。对于某些肌肉，小直 径的肌肉传入活动会抑制运动神经元。尽管下行的 驱动可能不会减小，但即使有额外的运动皮层输出， 也无法补偿运动神经元池的变化，最终导致运动单 位募集减慢，容易引发中枢疲劳［36］。因此，刺激的 有效性可能取决于肌肉收缩的类型( 等长与动态) 或募集的肌肉量( 大肌群与小肌群) ，这可能会影响 神经中枢收到的信息［37］的以及运动皮质需求的大 小［34］。未来的研究需要确定 tDCS 对于不同运动类 型的应用效果，以更好的应用于康复和训练中。 本研究中屈伸肌群的平均功率在刺激后显著下 降，表明大强度的等动运动测试使受试者产生了疲 劳。但是阳极刺激后，180 °/s 下肘关节屈肌峰值功 率和屈伸肌群总做功仍然保持，而阴极和假刺激后 显著下降，这表明阳极刺激能够提高肌肉抗疲劳的 能力。研究表明，动作速度是等动运动中肌肉疲劳 产生的重要因素，随着速度的降低，疲劳的积累会加 快［38］，这可能是本研究只在 180 °/s 速度下观察到 了阳极 tDCS 效果的原因。与本研究相似，Abdel￾moula、Lattari 等发现，阳极刺激可以延长次最大强 度下单关节持续收缩［12，21］和全身性耐力运动至力 竭的时间［24，39］。本研究观察到刺激后 MEP 提高，但 这种由膜极化和神经递质释放变化引起的作用可能 对最大运动强度的敏感性较低［40］，因此功率输出没 有增加。但是，对 M1 区的阳极刺激可能促进了肌 肉的下行驱动，从而减少了运动前区的活动，使受试 者在产生相同力量的同时感觉更少的努力［21］。 M1 区是 tDCS 研究中最主要的刺激区域［18］。 tDCS 刺激 M1 区改善运动表现的可能原因是提高了 运动皮层的兴奋性，从而维持运动神经元的神经活 动，延缓活动肌肉的神经单元的减少［18，36］。本研究 对优势脑半球的 M1 区进行刺激，但是等动运动的 表现没有提升。Lampropoulou 和 Kan 等［41-42］同样对 优势运动皮层进行了刺激，也没有发现 MVC 和 TTE 表现的提升。Boggio 等［43］发现，阳极 tDCS 刺激非 优势半脑 M1 区后，非优势手的运动表现显著提升， 然而，阳极 tDCS 刺激优势半脑 M1 区并没有导致显 著的手部运动功能改善。对于此种现象，已有研究 表明与非优势运动皮层相比，优势运动皮层表现出 更低的运动阈值、更高的运动诱发电位［44］，以及更 短的静默期［45］。这表明优势脑半球已经处在或接 近最佳激活状态［46］，因此外部来源( 如阳极刺激) 造 成的神经元兴奋性增加，不会对优势手的功能带来 额外的收益。近年来的一些研究改变了参考电极的 摆放位置，发现置于对侧额头［47］或对侧眼上框［48-49］ 可以提高最大力量表现。这种现象可能是由于参考 电极的摆放位置决定了电流在头皮上的走向，特殊 位置的参考电极可能刺激了周边的脑区，因此对于 刺激效果有很大影响［50］。之后的研究需要对刺激 方案进一步探究，以确定 M1 区是否是最佳的刺激 区域。 3． 2 tDCS 对神经肌肉的影响 本研究对肘关节执行等动向心运动时屈伸肌 ( 肱二头肌与肱三头肌) 的肌肉活动进行了监测，并 没有发现干预前后主动肌、拮抗肌的激活水平有显 著提高。Krishnan 等研究发现，阳极 tDCS 刺激后， 肱二头肌在 37． 5% 和 50% MVC 肘关节屈曲运动中 肌肉激活水平显著提高［20］。造成这种差异的原因 可能是由于等动运动强度较高，受试者在测试任务 执行中都尽了最大努力，因此，主动肌的平均激活程 度在两种速度上均接近于 100% 的水平，存在“天花 板效应”［51］，即指标接近测量上限，变化幅度较小， 难以反映出电刺激对激活程度的真实影响。此外， 在持续的最大强度收缩中可观察到肌电的时域信号 幅值减小的现象［52］，这是由于在此类运动中所募集 的运动单位趋于饱和，随着疲劳的发展运动单位募 集程度降低所导致的，但在本研究中，单组测试持续 时间较短( ＜ 20 s) ，而肌电参数对其评定并不敏感

104 应用力学学报 第39卷 可能无法准确检测到短时间内运动神经元中枢募集 的细微变化 参考文献 正P振幅的变化可以反映运动一皮历眷髓传导 ping Brain stimul a 通路兴奋性的改变。本研究发现，与刺激前相 比，阳极刺激后MEP振幅显著提高(26.8%)，而阴 e) mi4.2011.1701):375. 极刺激后显著下降(26.3%)，假刺激后则无显著性 [31 NITSCHE M A.PAULIS W.Exritahility chaners in luced in the 差异。这与前人的研究结果一致，表明DCS可 ial dimet 以提高刺激区域皮层的兴奋性。Had等研究发 ]Joural of physiology.2000.527(3)633-639 现，有训练经历的自行车运动员的上下肢MEP振幅 无创深椰定位脑刺激：提升运动表现体有 显著高于正常人，说明长期训练后也会造成大脑皮 YIN Kevi.LIU Yu.Non Ldd 层神经元兴奋性的提高，可塑性增强。研究发现，4 ef1.i.i.2019.3 次20min,2mA的阳极DCS刺激后，力量输出表现 (5):9607 in Chinesel 和EP振幅都显著提高。而本研究只观察到了 [5]CHINZARA TT.BUCKINGHAM G.HARRIS DJ.T al di dr timulation and sporting pe MEP的提高，而运动表现并没有改善。这可能是因 为个体之间皮层兴奋性和可塑性存在差异，与变异 性低的个体相比，在变异性高的个体中，TMS可能 2022551 6义486 引发更大的EP指好司。此外，有研究表明.在付 f61 POREISZ C.BOROS K.ANTAL A.et al.Safe ts af t 用大电极片时，除了刺激靶区，还会影响邻近的躯体 nial dire t eurrent stimula g healthy subjeets and pa 感觉和 些运动前皮层区域，从而影响了持续收 7244/516):20821 期间的感觉运动整合和相关的认知需求，而不改变 LFURTH 发送到脊髓运动神经元的运动指令四，进而提高了 运动表现。 [8] EARDON S“rain donine= 研究局限：本研究使用的是传统的35m2的知 .2016.531(7594:283-284 形电极片，过大的尺寸可能导致运动皮层周边的区 [9]HORNYAK T.Smarter.not harder [J].Nature,2017.549(7670) 域也受到了刺激，从而隆低了DCS刺激的结确性 B 不能确定M1区的兴奋性提高是运动表现改善的 5317592:6 m,2016 要原因。未来可能需要使用高精度DCS或经过软 件模拟的个性化电极放置方案以提高划激结确性 此外，坛动环培、心理和情感因素可能会影响本研究 over the h aes[】.European jour 的结果，但这些因素并没有得到评估。】 未来可以结 2007.261):24224 心理量表等手段获取更多这方面的证据支持。最 02 ELMOULA A.BAUDRY 后，在实验设计方面，本研究的运动任务和皮层兴奋 性测试不在同一研究中，这在一定程度上增加了对 。30163.0403 于DCS作用机制研究的难度 [13]WILLIAMS P S.HOFFMAN R L.CLARK B C.Preli e that contraction[U】.Ha 4结论 4 作用于M区的DCS对肘关节力量输出没有 显著的增益效果，但是阳极刺激后，峰值功率与总倒 2019.4241:243248 功衰减率相对于阴极刺激和假刺激显著减少。故 [15]MUTHALIB M.KAN B.NOSAKA K.et al.Effeets of tra DCS可以作为增强健康男性大学生上肢肌肉抗疲 ulation of th 劳能力，维持高强度做功能力的潜在手段， 微信公众号：应用力学学报 C)1994-2022 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.hutp://www.enki.net

1004 应 用 力 学 学 报 第 39 卷 投稿网站: http: / /cjam． xjtu． edu． cn 微信公众号: 应用力学学报 可能无法准确检测到短时间内运动神经元中枢募集 的细微变化［11，53］。 MEP 振幅的变化可以反映运动-皮质脊髓传导 通路兴奋性的改变［54］。本研究发现，与刺激前相 比，阳极刺激后 MEP 振幅显著提高( 26． 8% ) ，而阴 极刺激后显著下降( 26． 3% ) ，假刺激后则无显著性 差异。这与前人的研究结果一致［55］，表明 tDCS 可 以提高刺激区域皮层的兴奋性。Hand 等［56］研究发 现，有训练经历的自行车运动员的上下肢 MEP 振幅 显著高于正常人，说明长期训练后也会造成大脑皮 层神经元兴奋性的提高，可塑性增强。研究发现，4 次 20 min，2 mA 的阳极 tDCS 刺激后，力量输出表现 和 MEP 振幅都显著提高［57］。而本研究只观察到了 MEP 的提高，而运动表现并没有改善。这可能是因 为个体之间皮层兴奋性和可塑性存在差异，与变异 性低的个体相比，在变异性高的个体中，TMS 可能会 引发更大的 MEP 振幅［58］。此外，有研究表明，在使 用大电极片时，除了刺激靶区，还会影响邻近的躯体 感觉和一些运动前皮层区域，从而影响了持续收缩 期间的感觉运动整合和相关的认知需求，而不改变 发送到脊髓运动神经元的运动指令［12］，进而提高了 运动表现。 研究局限: 本研究使用的是传统的 35 cm2 的矩 形电极片，过大的尺寸可能导致运动皮层周边的区 域也受到了刺激，从而降低了 tDCS 刺激的精确性， 不能确定 M1 区的兴奋性提高是运动表现改善的主 要原因。未来可能需要使用高精度 tDCS 或经过软 件模拟的个性化电极放置方案以提高刺激精确性。 此外，运动环境、心理和情感因素可能会影响本研究 的结果，但这些因素并没有得到评估，未来可以结合 心理量表等手段获取更多这方面的证据支持。最 后，在实验设计方面，本研究的运动任务和皮层兴奋 性测试不在同一研究中，这在一定程度上增加了对 于 tDCS 作用机制研究的难度。 4 结 论 作用于 M1 区的 tDCS 对肘关节力量输出没有 显著的增益效果，但是阳极刺激后，峰值功率与总做 功衰减率相对于阴极刺激和假刺激显著减少。故 tDCS 可以作为增强健康男性大学生上肢肌肉抗疲 劳能力，维持高强度做功能力的潜在手段。 参考文献: ［1］ DAVIS N J． Neurodoping: Brain stimulation as a performance-en￾hancing measure［J］． Sports medicine，2013，43( 8) : 649-653． ［2］ STAGG C J，NITSCHE M A． Physiological basis of transcranial di￾rect current stimulation［J］． Neuroscientist，2011，17( 1) : 37-53． ［3］ NITSCHE M A，PAULUS W． Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation ［J］． Journal of physiology，2000，527( 3) : 633-639． ［4］ 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． YIN Keyi，LIU Yu． Non-invasive deep localized brain stimulation: Improving motor performance［J］． China sports science，2019，39 ( 5) : 96-97 ( in Chinese) ． ［5］ CHINZARA T T，BUCKINGHAM G，HARRIS D J． Transcranial di￾rect current stimulation and sporting performance: A systematic re￾view and meta-analysis of transcranial direct current stimulation effects on physical endurance，muscular strength and visuomotor skills［J］． European journal of neuroscience，2022，55 ( 2 ) : 468-486． ［6］ POREISZ C，BOROS K，ANTAL A，et al． Safety aspects of transcra￾nial direct current stimulation concerning healthy subjects and pa￾tients［J］． Brain research bulletin，2007，72( 4 /5 /6) : 208-214． ［7］ FRANK E，WILFURTH S，LANDGREBE M，et al． Anodal skin le￾sions after treatment with transcranial direct current stimulation ［J］． Brain stimulation，2010，3( 1) : 58-59． ［8］ REARDON S．“Brain doping”may improve athletes’performance ［J］． Nature，2016，531( 7594) : 283-284． ［9］ HORNYAK T． Smarter，not harder［J］． Nature，2017，549( 7670) : S1-S3． ［10］ BOURZAC K． Neurostimulation: Bright sparks［J］． Nature，2016， 531( 7592) : S6-S8． ［11］ COGIAMANIAN F，MARCEGLIA S，ARDOLINO G，et al． Im￾proved isometric force endurance after transcranial direct current stimulation over the human motor cortical areas［J］． European jour￾nal of neuroscience，2007，26( 1) : 242-249． ［12］ ABDELMOULA A，BAUDRY S，DUCHATEAU J． Anodal transcra￾nial direct current stimulation enhances time to task failure of a submaximal contraction of elbow flexors without changing cortico￾spinal excitability［J］． Neuroscience，2016，322: 94-103． ［13］ WILLIAMS P S，HOFFMAN R L，CLARK B C． Preliminary evi￾dence that anodal transcranial direct current stimulation enhances time to task failure of a sustained submaximal contraction［J］． PloS one，2013，8( 12) : e81418． ［14］ OKI K，CLARK L A，AMANO S，et al． Effect of anodal transcranial direct current stimulation of the motor cortex on elbow flexor mus￾cle strength in the very old［J］． Journal of geriatric physical thera￾py，2019，42( 4) : 243-248． ［15］ MUTHALIB M，KAN B，NOSAKA K，et al． Effects of transcranial direct current stimulation of the motor cortex on prefrontal cortex activation during a neuromuscular fatigue task: An fNIRS study

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