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 excitability 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 direct 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 DCSTIMULATOR 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． ，Natick，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 power，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