标题:作用于初级运动皮层的经颅直流电刺激对健康个体短期平衡习得的影响

Effect of transcranial direct current stimulation over the primary motor cortex on short-term balance acquisition in healthy individuals

作者：Omer Burak Tor, Michael A. Nitsche, Edmund Wascher, Nevin A. Guzel & Charles S. Layne

出版年份：2025.7.4

期刊名称：Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation

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初级运动皮层（M1）在运动学习中具有重要作用，越来越多研究提示其也参与平衡控制。但 M1 在平衡技能习得中的因果作用仍不清楚：M1 活动增强能否促进短期平衡学习，尚缺乏直接证据。

经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性脑刺激技术，可调节皮层神经元静息膜电位。阳极 tDCS 可提高皮层兴奋性、促进神经可塑性和长时程增强，因此被认为可能增强运动学习。本研究将阳极 tDCS 与短期扰动式平衡训练结合，探讨 M1 在平衡技能习得中的作用。

核心假设：短期扰动式平衡训练可改善平衡表现，降低 N1 幅值与潜伏期、降低 theta/alpha 频段功率，训练应降低皮层内抑制（SICI）、增强皮层内易化（ICF）；阳极 tDCS 组应表现出更大改善。

共招募 34 名健康志愿者，随机分为三组：

• 对照组（无刺激）：11 人，5 女 6 男，年龄 25.77±1.6 岁；

• 假刺激组（sham）：11 人，7 女 4 男，年龄 27.33±3.23 岁；

• 阳极 tDCS 组：12 人，7 女 5 男，年龄 25.2±1.2 岁。

纳入标准包括：18–55 岁、右利手右足、非吸烟、无神经或精神疾病等。排除标准包括神经系统疾病、心脏起搏器、深部脑刺激、金属植入物、癫痫、妊娠、近期参与其他研究、影响平衡的骨科疾病等。

研究包含训练前、训练后两次评估（每次约6 h）和一周内3次训练（每次课程约1 h；其中tDCS与平衡训练同步20 min），训练间隔至少1天（约24–72 h）。

训练时同步给予对应刺激：

• 阳极 tDCS：3 mA，20 min；

• 假刺激：30 s 内升流至 3 mA 再降回 0 mA；

• 对照组：无刺激。

作为训练环节的一部分，受试者根据其所属分组（阳极刺激组、假刺激组或无刺激组）接受经颅直流电刺激（tDCS）干预。使用Starstim经颅电刺激仪通过两个海绵电极实施（目标电极与返回电极区域均为35 cm²）。目标电极中心置于顶点（Cz）后方1 cm处的正中矢状线上，以覆盖双侧下肢运动皮层；返回电极中心则置于Fpz点上方。该电极布局可可靠覆盖每位受试者的全部目标肌群，此结果已通过TMS定义的运动热点区域验证。

图 3：tDCS 电极布置示意图。目标电极（红色）置于 Cz 点后方 1 cm 处，返回电极（蓝色）则位于 Fpz 电极位置之上。

训练使用跑台系统，通过支撑面平移制造前后方向扰动。每次训练含 10 个 block，每 block 12 次扰动，间隔 3–6 s，block 间休息 30 s。扰动幅度包括 2、4、6 cm，对应峰值速度 0.17、0.35、0.54 m/s。前两次训练双脚与肩同宽，最后一次双脚并拢以增加难度。

评估时使用 6 cm、峰值速度 0.54 m/s 的前后向扰动。一半扰动前 2 s 随机给予声音提示，以考察扰动可预期性对皮层反应的影响。每个条件 15 次扰动。

• 运动学：动捕相机系统采集身体标记点，计算质心（COM）位移及踝、膝、髋关节偏移幅度。

图 2 基于人体模型（HBM）躯干模型设置的反射标记点位置

• EEG：28 导联记录，分析 Cz 电极。N1 取扰动后 90–200 ms 的最负值；theta（3–7 Hz）和 alpha（8–13 Hz）功率分析窗口为扰动后 90–250 ms。

• TMS：测量静息运动阈值、运动诱发电位（MEP）、短间隔皮层内抑制（SICI，2 ms）和皮层内易化（ICF，10 ms），靶肌肉为双侧胫骨前肌（TA）和比目鱼肌（SOL）。

• 统计：线性混合效应模型，时间、组别、声音等为固定效应，被试为随机效应；ANOVA 采用 Type III 和 Satterthwaite 自由度近似；事后比较采用 Tukey 校正。

• 前向扰动中，所有组右侧髋、膝、踝关节偏移幅度均较训练前下降；COM峰值位移仅在阳极tDCS组训练前后显著下降（p=0.02，d=0.69；时间×组别交互p=0.0497）。

• 阳极组双侧髋关节偏移训练后显著下降（右：p=0.0001，d=1.25；左：p=0.0061，d=0.87），但组间差异不显著。

• 后向扰动中所有组左右膝关节偏移增加；对照组左侧踝关节偏移训练后增加且大于阳极组。

• 声音提示使前向COM减小、后向COM增大。

关节活动度方面：

• 前向扰动中，所有组的右髋、右膝、右踝关节活动度训练后下降；

• 阳极 tDCS 组前向扰动后双侧髋关节活动度显著下降（右：p=0.0001，d=1.25；左：p=0.0061，d=0.87），但组间差异不显著；

• 后向扰动中，所有组左右膝关节活动度训练后增加，提示后向平衡控制策略更动态。

• 总体看，阳极 tDCS 结合平衡训练对前向扰动后的平衡控制有额外促进作用，表现为 COM 位移和髋关节活动度下降。

图4 不同声音条件下COM峰值位移的比较。数据已按时间及分组因素进行平均处理。每个箱线图显示四分位距（第25–75百分位数），箱内水平线表示中位数，黑色圆点表示均值。异常值以“+”标示，须线表示不含异常值的数据范围。星号表示“无声音”与“有声音”条件间存在显著差异。

• N1 潜伏期在前后向扰动中均显著缩短（前向 p<0.0001，ηp²=0.29；后向 p<0.0001，ηp²=0.16）；

• 后向扰动中存在显著“时间×组别”交互（p=0.0308，ηp²=0.07），仅阳极 tDCS 组训练后 N1 潜伏期显著缩短（p<0.0001，d=1.35）；

• N1 幅值在后向扰动中所有组训练后显著下降（p=0.0038，d=0.52）；声音提示条件下 N1 幅值更小。

图 5 各实验组在每种扰动方向下的质心峰值位移（按声学条件取平均值）。每个箱形图显示四分位距（第 25 至第 75 百分位数），箱内水平线表示中位数，黑色圆点表示均值。异常值以“+”标示，须线表示不含异常值的数据范围。星号表示训练前后存在显著差异。S1=训练前，S2=训练后

• 前向扰动中，所有组训练后 theta 功率显著下降（p<0.0001，d=0.78）；

• 后向扰动中，假刺激组和阳极 tDCS 组 theta 功率显著下降，对照组无显著下降；

• alpha 功率在前向扰动中仅阳极 tDCS 组训练后显著下降（p=0.007，d=0.8）。

• 训练后右胫骨前肌 ICF 在所有组中显著增加（p=0.0196，d=0.57）；

• 训练后右 TA 的 ICF 显著高于右 SOL（p=0.0019，d=0.88）；

• SICI 未观察到显著训练相关变化。

• 短期扰动式平衡训练可改善健康个体平衡控制：表现为前向扰动中 COM 位移和下肢关节活动度下降，后向扰动中膝关节活动度增加，提示不同方向采用不同平衡策略。

• 阳极 tDCS 作用于 M1 可部分增强短期平衡学习：阳极组在前向扰动中 COM 位移和双侧髋关节活动度下降更明显，并伴随 alpha 功率下降和 N1 潜伏期缩短。

• tDCS 可能通过促进运动准备与执行、提高感觉运动整合效率发挥作用：N1 潜伏期缩短和 alpha 功率下降支持这一解释。

• 训练还引起右 TA 的 ICF 增加，提示谷氨酸能易化过程可能参与早期平衡学习；但 SICI 未显著变化。

• 支持 M1 在短期平衡技能习得中的重要作用；

• 阳极 tDCS 可能作为加速平衡学习的辅助手段；

• 平衡训练效果具有方向特异性，前向与后向扰动可能涉及不同神经控制策略；

• 将行为学、EEG、TMS 结合，有助于揭示平衡学习的皮层机制。

• 前后向使用相同扰动位移，后向扰动可能不够具有挑战性，存在天花板效应；

• 结果不能直接推广到老年人或平衡障碍人群；

• SICI/ICF 仅在静息状态测量，未评估任务执行中的皮层兴奋性；

• 样本量有限；

• 未系统评估盲法效果和 tDCS 副作用，不能完全排除安慰剂效应。

该研究使用的 Neuroelectrics Starstim 是一款无线、可穿戴的多通道经颅电刺激系统，支持 tDCS、tACS、tRNS 及自定义波形，可独立控制多枚电极并灵活配置双极或高定义蒙太奇。系统配套 NIC2 软件可生成假刺激方案并支持密码保护盲法，便于开展双盲对照实验；论文中 3 mA 阳极 tDCS、35 cm² 海绵电极、20 分钟刺激及 30 秒升降温假刺激均依托该平台实现。

Starstim 还支持刺激与 EEG 同步记录，便于在平衡测试中采集 Cz 电极的 N1 和 theta/alpha 频段活动；系统可持续监测电极阻抗，异常时自动中止刺激以保障安全。结合 NIC2 的有限元电场模拟和 10-10 定位，研究者可在刺激前确认电流覆盖 M1 腿部运动皮层，为“阳极 tDCS + 同步 EEG + 假刺激对照”的实验范式提供完整设备支撑。

赢富仪器是 Neuroelectrics Starstim 系列的中国区代理，我们同时提供脑电采集、跑台、动作捕捉等科研设备，可围绕 tDCS-EEG 同步、平衡与步态研究、运动捕捉构建完整的实验解决方案。如有相关研究需求，欢迎拨打4006-111-556咨询。