经颅直流电刺激增强5天下肢运动技能学习后的延迟保持

《Journal of Physiology》：Transcranial direct current stimulation enhances delayed retention after 5 days of lower-limb motor skill learning

　　

经颅直流电刺激（tDCS）具有通过调节持续神经活动影响行为的潜力，并且与手部运动练习相结合的tDCS可以增强运动学习。虽然增强运动练习的行为益处对于中枢和外周运动系统损伤后的神经康复以及体育运动具有重要意义，但在多期下肢运动技能练习过程中，针对内侧运动皮层（M1-Leg）的tDCS效应尚未被探索。研究人员测试了在为期5天的序列视觉运动追踪任务训练中，对M1-Leg施加阳极tDCS是否能够增强学习期内、学习期间以及1周后的保持效果。参与者被随机分配为：技能练习结合主动tDCS组、技能练习结合假刺激组，或运动量匹配的非技能踝关节运动结合假刺激组。通过从胫骨前肌在静息状态下记录的运动诱发电位（MEP）振幅，评估了伴随技能和非技能运动练习（真实或假tDCS）的皮质脊髓兴奋性变化。与非技能练习相比，运动技能练习产生了显著的序列特异性表现增益，这些增益能够转移到未训练腿，并在练习结束后至少持续1周。同时进行的tDCS并未增强训练期内或训练期间的学习，但与假刺激相比，它确实改善了一周后的保持效果。皮质脊髓兴奋性在练习后并未增加，也未受tDCS影响。这些发现表明，将下肢运动技能练习与M1-Leg上的tDCS相结合，可以增强技能学习的保持，而不会引起静息皮质脊髓兴奋性的可测量变化。这对于运动练习安排和潜在的神经康复具有重要意义。

**研究背景与问题**
人类运动技能学习依赖于重复、目标导向的练习，以诱导中枢神经系统的突触和网络可塑性。经颅直流电刺激（tDCS）作为一种便携、低成本的非侵入性神经调控工具，可与运动练习结合，有望增强学习效果。然而，现有证据主要来自上肢单次练习，tDCS对下肢运动学习的长时程影响尚不明确。鉴于下肢运动功能在神经疾病康复和运动系统损伤后恢复中的关键作用，有必要探究tDCS在下肢运动技能练习中的长期效益。本研究旨在回答：在5天下肢运动技能序列训练中，对初级运动皮层下肢代表区（M1-Leg）施加阳极tDCS，能否增强学习期内、学习期间以及一周后的延迟保持？

**研究概述**
研究人员招募60名健康参与者（20-30岁，无神经、精神或肌肉骨骼疾病史），随机分为三组：技能练习+主动tDCS（SKILL-STIM）、技能练习+假刺激（SKILL-SHAM）、非技能运动+假刺激（CON）。所有参与者使用非优势腿进行为期5天的连续训练，采用序列视觉运动动态踝关节背屈任务（改编自经典的序列视觉等长捏力任务SVIPT，但改为动态位置控制）。训练后7天进行延迟保持测试。通过经颅磁刺激（TMS）记录胫骨前肌静息运动诱发电位（MEP）振幅，评估皮质脊髓兴奋性（CSE）变化。采用贝叶斯多层次建模分析行为和学习动态。该研究发表于《Journal of Physiology》。

**主要关键技术方法**
1. 行为学任务：序列视觉运动动态踝关节背屈任务，要求参与者快速准确地完成5个目标序列的踝关节背屈运动，记录完成时间（CT）和错误率（ER），通过速度-精度函数（SAF）模型提取技能参数a。
2. 经颅直流电刺激（tDCS）：阳极（25 cm2）置于M1-Leg热点（经TMS定位），阴极（35 cm2）置于对侧眶上区（Fp2/Fp1），电流2 mA，持续20分钟（含30秒斜坡），假刺激仅模拟起始斜坡。
3. 经颅磁刺激（TMS）及皮质脊髓兴奋性评估：使用单脉冲TMS刺激对侧半球M1，测量静息运动阈值（rMT）和MEP振幅（归一化至Mmax），在训练第1天和第5天练习前后采集。
4. 贝叶斯统计建模：采用层次贝叶斯模型（brms包）进行定向假设检验和实际等价区域（ROPE）分析，同时使用非线性生长模型拟合学习轨迹。
样本来源：丹麦哥本哈根大学营养、运动与体育科学系招募的健康大学生。

**研究结果**
**技能测量（Skill measure）**
- 基线比较：SKILL-SHAM与CON组之间技能参数无显著差异（后验概率支持实际等价）。
- 练习后：SKILL-SHAM组技能显著优于CON组（后验概率100%，效应量d=2.6），表明技能练习本身产生强大学习效应。
- 1周保持：SKILL-STIM组技能显著优于SKILL-SHAM组（后验概率99%，效应量d=1.13），而SKILL-SHAM仍优于CON（d=1.33）。表明tDCS增强了延迟保持，但未影响训练期内的获取。
- 学习速率：SKILL-STIM与SKILL-SHAM之间无差异（后验概率49%，ROPE=47%），说明tDCS未改变学习曲线形状。
- 在线学习（within-session）和离线学习（between-session）：两组间无显著差异，后验分布集中在零附近。
- 探索性亚组分析：高基线表现者接受主动tDCS后学习速率更快，低基线表现者则未受益。

**完成时间（Completion time）**
- 基线、练习后及保持期：SKILL-STIM与SKILL-SHAM之间无显著差异。
- SKILL-SHAM与CON比较：练习后SKILL-SHAM完成时间显著更快（后验概率100%，d=-4.92），保持期仍保持优势（d=-1.76）。

**错误率（Error rate）**
- 基线：SKILL-STIM与SKILL-SHAM无明显差异。
- 练习后：两组间无显著差异（ROPE=15%）。
- 保持期：SKILL-STIM错误率低于SKILL-SHAM（后验概率96%，d=-0.86），支持tDCS对保持的改善。
- SKILL-SHAM与CON：练习后和保持期均无显著差异。

**皮质脊髓兴奋性（Corticospinal excitability）**
- 第1天和第5天练习前后，各组MEP振幅（归一化至Mmax）均无显著变化，后验分布高度不确定，且大部分在ROPE内。
- Mmax和rMT在各组内及组间均无系统性变化。

**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究首次证明在多天下肢运动技能练习中联合M1-Leg阳极tDCS可增强延迟保持，但未影响训练期内的获取。这一分离效应提示tDCS可能优先促进技能表征的稳定或保护（如晚期可塑性过程），而非加速在线学习。同时，静息MEP无变化表明该效应不依赖于静息皮质脊髓兴奋性的持续改变，而可能涉及网络级重组或状态依赖性机制。研究还发现高基线表现者更受益于tDCS，提示个体差异在刺激响应中的重要性。

**翻译研究结论**
我们证明，运动技能练习相对于非技能运动产生了稳健的学习、跨肢体转移以及随访时的优异表现。在练习期间添加主动tDCS并未放大训练期间或训练之间的增益，但选择性地增强了复杂离散运动任务的延迟保持，该任务要求在高视觉运动需求下进行精确快速的踝关节运动。基线表现水平成为决定tDCS增强技能获取程度的重要因素，表现较高的个体从并发刺激和练习中获益最大。这些发现共同表明，并发tDCS可能优先支持技能保持而非即时表现，而练习本身驱动了大部分获取和转移过程。这些结果支持tDCS作为增强下肢技能学习保持的辅助手段的潜在相关性，同时强调精心设计的运动练习方案仍是改善的主要驱动力。这些发现可为未来在表现训练和康复导向的运动学习范式中的时机和剂量研究提供信息，尽管临床疗效仍需在患者群体中直接验证。