经颅磁刺激技术在运动科研中的应用概述
在体育科学领域，智能控制、人机交互、运动员辅助训练、视频编码将被广泛地应用于运动心理学领域。对于运动心理研究，也应从运动训练学、心理学、行为学、神经生理学、图像分析学等多个学科综合出发。借助不断革新的神经科学技术手段，可以在操作某种实验任务的同时直接观测到大脑活动的空间特征和时间特征，揭示出运动过程中大脑的活动机制。目前，脑电（EEG）、事件相关脑电位（ERP）、功能性核磁共振成像（fMRI）、脑磁图（MEG）、经颅磁刺激（TMS）、近红外成像（NIRS）等技术手段已经逐渐在运动心理学领域内得到应用。
今天我们就来了解一下经颅磁刺激（TMS）及其在运动领域的应用情况。
经颅磁刺激（TMS）利用置于颅骨外的外部磁场对脑组织施加刺激，利用时变的脉冲磁场作用于中枢神经系统（主要是大脑），改变皮质神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动。通过经颅磁刺激产生的感应电流可以激活或阻断神经元的活动，利用这种方式，就可能激活或抑制不同脑区的功能活性，从而激活或阻断某些脑功能。
根据经颅磁刺激脉冲的不同，可以将TMS分为这几种刺激模式：单脉冲TMS（sTMS），双脉冲TMS（pTMS）、重复性脉冲TMS（rTMS）。
中枢运动皮层传导时间指从大脑皮层接收刺激并传导到脊髓运动神经元或者脑干的时间，它可以通过TMS刺激大脑皮层到肌肉产生运动诱发电位的传导时间减去周围运动神经传导时间而得出。
阈值（MT）
阈值（MT）是TMS研究中最重要的参数。静息阈值（RMT）指目标肌肉在完全放松情况下，连续刺激中5次产生大于50μV运动诱发电位的最小刺激强度。
运动诱发电位振幅（MEP）
根据赫步定律，神经元具有活动依赖性的可塑性变化。突触传递的可塑性指突触前神经元的反复活动，导致突触传递效能产生的改变。其中在给予强直刺激的条件下，有突触后电位增大的长时程增强和突触后电位减少的长时程抑制。研究人员通过证实赫步的想法，在人的大脑进行试验。对大脑皮层进行多次重复的磁刺激（rTMS），发送一系列磁性脉冲，这些短暂的刺激最后比单一脉冲引起更大的改变。
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TMS在运动科学中的研究展望
人体在长期运动训练的作用下，大脑皮层的结构、功能和可塑性等方面将会产生适应性变化。通过TMS的刺激，大脑皮层神经元可以产生兴奋或者抑制，也可能不同神经元在同一时间点上或者相同神经元在不同时间点上产生兴奋或者抑制，使用TMS的这一功能可以精确定位大脑皮层不同的功能区，同时也应用于感觉和认知过程的功能定位。
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TMS增强大脑皮层可塑性
许多音乐家需要长期训练手指肌肉，在对他们的研究中发现大脑运动皮层手指功能代表区功能和可塑性方面的改变，不仅在运动经验或者本体感觉方面，也在对运动和感觉的理解能力上，Rosenkranz等人发现有10年以上训练经历的音乐家，和对照组相比其输入-输出曲线的MEP振幅增高，结果说明长期训练可以提高音乐家的大脑皮层神经元的兴奋性。另外，持续性θ波刺激后，音乐家输入-输出曲线的MEP振幅明显下降；间隔性θ波刺激后输入-输出曲线的MEP振幅明显增高，结果说明长期训练使音乐家的大脑皮层可塑性增强。在开始训练的年限上也发现，早期训练对运动皮层的可塑性影响也十分关键。
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低频rTMS降低运动皮层兴奋性
运动训练过程中尤其是邻近比赛，焦虑问题时常困扰着广大运动员及教练员，实践中常常采用放松训练、认知调节、表象演练等方式进行调控，然后有时效果并不理想。研究证实低频（≤1Hz）rTMS能够抑制皮层的兴奋性且具有一定的抗焦虑作用。研究人员通过在体校学生（二级以上运动员）左侧初级运动皮层区域（M1区）施加不同参数的rTMS ，结果显示磁刺激d（1 Hz,80%RMT,1500次rTMS）具有较强的抑制效应且其后效应持续时间较长，可将参数的rTMS作为干预手段用于降低运动员的赛前焦虑。由于其后效应持续时间较长（大于60min，小于120min），从而可使运动员产生的抑制的时间也相对较长，于是使得在赛前进行调控成为可能，即可实现从中枢神经系统对运动员的赛前焦虑进行调节和控制。
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高频rTMS提高运动皮层兴奋性
淡漠状态是常见的赛前心理状态之一，在此状态下运动员往往表现为兴奋性低、情绪低落、萎靡不振、反应迟钝，甚至不愿参加比赛，使得在竞赛中难以发挥正常水平。实践中常常采用呼吸调节、 表象演练、 自我暗示,、身体活动等方式进行调控，然而有时效果并不理想。前额叶是调节下丘脑一垂体一肾上腺（HPA）轴和自主神经功能的重要部位，动物和人类的大量研究显示，前额叶与情绪加工有关，其中左侧前额叶皮层与积极性情绪有关。 高频（＞5Hz）rTMS能够提高大脑皮层的兴奋性及改善情绪状态，为此可尝试将rTMS做为干预手段。研究人员通过在体校学生（二级以上运动员）左侧初级运动皮层区域（M1）区施加不同参数的rTMS,证实了磁刺激d（20Hz，90%RMT，3000次rTMS，持续5s，间隔55s）具有较强的兴奋效应且其后效应持续的时间较长，于是可尝试将该参数的rTMS作为干预手段用于提高运动员的唤醒水平，以改善运动员的赛前淡漠状态。 由于其后效应持续的时间较长（大于60min，小于120min），从而可使运动员产生兴奋的时间也相对较长，于是使得在赛前进行调控成为可能，即可实现从中枢神经系统对运动员的唤醒水平进行调节和控制。
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rTMS提高睡眠质量
失眠是人自身的一种主观感受，是个体对睡眠质量不满意的一种主观评估。并伴有日间症状，如疲倦、困倦、感觉不清楚及注意力下降等。运动训练过程中尤其是邻近比赛，失眠问题时常困扰着广大运动员和教练员，实践中常常采用音乐催眠、计数，甚至中医推拿等方法帮助运动员进行睡眠调节，然而，有时效果并不太理想。由于低频(≤ 1 Hz) rTMS 能够抑制大脑皮层的兴奋性，可促进5 -羟色胺(简称5 -HT) 和γ 氨基丁酸(简称GABA) 的释放， 而5 -HT 是引起睡眠的重要神经递质， GABA 又是哺乳动物中枢神经系统内重要的抑制性神经递质。研究通过在被试脑干的中缝核区域施加1Hz，80% RMT，1500 次rTMS( 持续10 s 间隔2 s)后，被试的主观感受以及生理、行为的变化均显示，其睡眠质量得以提高，从而证实了rTMS 改善睡眠的作用。rTMS 刺激后呼吸、脉率及HRV 的变化，在一定程度上可以对其生理效果进行解释， 为使用rTMS 改善睡眠质量提供了理论基础。将rTMS 作为干预手段，从中枢神经系统对失眠的运动员进行睡眠调节，提高睡眠质量。
结语
长期运动训练对大脑皮层兴奋性的影响是神经生理学研究的一个重要方向。长期运动训练对运动皮层传导时间、静息阈值以及短时间间隔经大脑皮层抑制等方面影响如何？长期专项训练后，大脑皮层功能区域和一般人有什么区别？运动员经过长期复杂运动训练后，大脑皮层可塑性发生改变，这种改变是如何产生的？经颅磁刺激在运动选材、辅助运动训练等方面将有广泛应用前景，作为TMS设备的生产商，我们期待更多的研究结果涌现。
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7. 刘运洲;张忠秋;.重复经颅磁刺激(rTMS)提高睡眠质量的研究[J].体育科学,2011,(第11期).
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