经颅直流电刺激调控初级运动皮层促进健康人群短期平衡能力习得的机制研究

本研究针对初级运动皮层(M1)在平衡控制中的具体作用机制这一科学问题，通过结合经颅直流电刺激(tDCS)与扰动式平衡训练的创新范式，揭示了阳极tDCS刺激M1区可通过降低α波段功率和N1潜伏期，优化感觉运动整合效率，显著提升前向扰动下的平衡表现。该成果发表于《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》，为神经康复领域提供了非侵入性脑刺激技术增强平衡功能的新证据。

　　

保持身体平衡是人类完成日常活动的基础能力，但关于大脑如何学习并控制平衡的神经机制仍存在诸多谜团。特别是初级运动皮层(M1)在平衡习得过程中的具体作用，长期以来缺乏因果性证据。现有研究表明，当站立平衡被突然扰动时，人体需要快速整合感觉信息并协调肌肉反应，这个过程涉及从脊髓到皮层多个神经环路的协同工作。然而，M1究竟是通过何种方式参与这一复杂过程？能否通过非侵入性脑刺激技术来加速平衡学习？这些问题成为神经工程和康复领域亟待破解的科学难题。

来自德国莱布尼茨工作环境与人类因素研究所的Omer Burak Tor团队在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》发表了一项开创性研究。研究人员创新性地将经颅直流电刺激(tDCS)与短期扰动平衡训练相结合，通过多模态神经生理学测量，首次证实阳极tDCS刺激M1区能够显著提升健康成年人的平衡习得效率。

研究团队采用三项核心技术方法：1) 定制化扰动平衡训练系统(GRAIL实验室设备)施加精确控制的前后向平台位移；2) 在训练同时施加靶向M1腿区的tDCS干预(阳极/假刺激/无刺激三组对照)；3) 综合应用脑电图(EEG)分析N1成分和频段功率、三维运动捕捉评估关节运动学、以及经颅磁刺激(TMS)测量皮质脊髓兴奋性(SICI/ICF)。34名健康受试者完成了为期一周的三次训练干预。

平衡能力改善
通过分析重心(COM)位移和关节活动度发现，所有组别在前向扰动后均显示平衡能力提升，其中阳极刺激组改善幅度最大。训练后该组双侧髋关节活动度显著降低(p=0.0001,d=1.25)，表明平衡策略从"髋策略"向更高效的"踝策略"转变。特别值得注意的是，仅阳极组出现左踝关节活动度的特异性降低(p=0.0223,d=1.35)，提示tDCS可能优化了单侧神经控制模式。

皮层反应变化
EEG数据显示：1) N1潜伏期在所有组别的双向扰动中均缩短，但仅阳极组在后向扰动中出现显著降低(p<0.0001,d=1.35)；2) 阳极组在前向扰动后α波段功率特异性下降(p=0.007,d=0.8)，反映运动准备过程优化；3) 所有组别theta功率在训练后降低，提示错误监测效率提升。这些发现共同表明tDCS通过调节感觉运动整合的时空特征来增强平衡学习。

神经可塑性机制
TMS测量揭示：所有组别右侧胫骨前肌(TA)的皮质内易化(ICF)显著增强(p=0.0196,d=0.57)，表明平衡训练普遍增强了谷氨酸能传递。虽然短间隔皮质抑制(SICI)未出现组间差异，但右侧TA的兴奋性变化模式提示双侧平衡适应可能存在半球不对称性。

这项研究首次提供了tDCS增强M1区功能可塑性从而加速平衡学习的直接证据。研究发现阳极刺激通过双重机制发挥作用：一方面降低α振荡功率(8-13Hz)来优化运动准备效率，另一方面缩短N1成分潜伏期(90-200ms)来加速感觉运动整合。这些神经生理变化转化为更小的COM位移和更高效的关节协调模式，特别是在生物力学更具挑战性的前向扰动情境下。

该成果具有重要的临床转化价值：1) 为开发基于tDCS的平衡障碍干预方案提供了靶点选择依据；2) 揭示了短期训练即可诱导皮层重组的特点，这对时间有限的康复疗程具有启示意义；3) 建立的多模态评估框架(EEG-TMS-运动学)为未来研究提供了方法论范式。研究同时指出，后向扰动可能因生物力学优势而出现"天花板效应"，提示未来研究需要开发更具挑战性的多方向扰动范式。

值得注意的是，这项基础研究发现与临床观察形成呼应——帕金森病等神经退行性疾病患者往往表现出前向平衡控制特异性损伤，而本研究揭示的M1调控机制可能为这类临床问题提供新的干预思路。研究人员建议未来探索tDCS与其他脑区(如辅助运动区SMA)的联合刺激方案，以进一步优化平衡功能的重建效果。