执行功能是指个体有意控制思想、情绪和行为,抵制诱惑、保持注意力,以实现目标的高级认知过程,其核心包括抑制控制、工作记忆和认知灵活性
[1],在改善个人的身心健康、学业表现和工作效率上至关重要。研究表明
[2-3],前额叶皮质(prefrontal cortex,PFC)通过协调背外侧前额叶(dorsolateral prefrontal cortex,DLPFC)、内侧额叶、顶叶和小脑等多个脑区的激活,为执行功能的调控提供了神经基础。经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)是一种无创、安全的非侵入式神经调控技术,通过电极将微弱电流作用于特定大脑靶区,诱发静息膜电位的去极化或超极化,调节大脑神经元活动并引发神经可塑性变化
[4]。证据显示,施加于左侧DLPFC的tDCS能够改善相关皮层的功能连通性,改善执行功能表现
[5-6]。但这种效果受到刺激强度、目标靶区及刺激次数等因素影响
[7-8]。
运动和tDCS在改善执行功能上具有互补的神经机制,二者结合可产生协同效应,带来更优的干预效果
[9]。有研究表明,中等强度持续训练(mode-rate-intensity continuous training,MICT)与tDCS的联合干预对抑制控制和工作记忆并未产生显著影响,可能与运动强度不足有关
[10]。高强度间歇训练(high intensity interval training,HIIT)是一种多次短时间高强度运动与间歇性不完全恢复交替进行的训练模式
[11]。相较于MICT,HIIT更能增强长时程增强(long term potentiation,LTP),表现为皮质运动兴奋性和皮质内易化增加、皮质内抑制减少,认知增强效果更佳
[12]。HIIT通过提升DLPFC的神经激活,有助于改善抑制控制和工作记忆表现
[13-14]。
现有研究发现,正极tDCS刺激DLPFC联合HIIT对健康成人的执行功能存在积极效应
[15-16],原因在于tDCS作为外源性刺激直接作用调控靶区,而HIIT作为外源性刺激则激活更广泛的神经网络,两种方法结合可利用皮层兴奋性和神经可塑性的协同效应增强干预效果
[17]。其次,运动通过提高脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)和其他神经化学物质如多巴胺的水平,可作为诱发条件增加tDCS对皮层兴奋性和可塑性的影响,从而改善可塑性诱导的条件
[16]。因此,现结合tDCS和HIIT对执行功能的调控特点和神经机制,系统梳理了两者单独及联合应用对执行功能的效果和作用机制,以期为认知功能改善的干预手段优化提供参考。
1 经颅直流电刺激和高强度间歇训练的作用机制及适用条件
1.1 经颅直流电刺激
tDCS通过电极将微弱的直流电作用于特定的脑皮层,达到调节皮层兴奋性和可塑性的目的
[4]。其影响执行功能的机制主要与调控DLPFC兴奋性、突触可塑性、脑网络连接的功能性变化有关。根据电极极性的不同,tDCS可分为正极tDCS和负极tDCS,1 mA tDCS正极刺激初级运动皮层(primary motor cortex,M1)可诱发静息膜电位去极化,提升M1兴奋性,如
图1(a)所示;而1 mA tDCS 负极刺激M1则诱发静息膜电位超极化,降低M1兴奋性
[18],如
图1(b)所示
[19-20]。Chen等
[21]使用2 mA tDCS 正极刺激健康成人的双侧DLPFC 20 min,发现4周干预后执行功能任务表现得到提高,且额叶、顶叶和中央区域的P300幅度以及中央区域和额叶区域的相关反馈负波(feedback-related negativity,FRN)幅度增加。
tDCS通过诱导静息膜电位去极化或超极化影响突触可塑性,即产生长时程增强(LTP)或长时程抑制(long term depression, LTD),进而对皮质兴奋性产生后效应。1 mA 正极tDCS刺激M1 13 min
[22]或2 mA 正极tDCS刺激M1 20 min
[23],均可增加皮质兴奋性,并持续约90 min;1 mA 负极tDCS刺激M1 9 min可抑制M1区兴奋性,且该效应持续约1 h
[24]。Ohn等
[25]使用1 mA tDCS 正极刺激健康成人的左侧DLPFC 30 min,发现tDCS应用20 min后言语工作记忆任务的反应准确性显著提高,并在30 min的刺激后进一步增强,且这种增强效应在刺激结束后可持续30 min,说明tDCS能增强突触可塑性,改善健康参与者的工作记忆。
除影响靶区皮层外,tDCS还影响周围皮层和皮层下区域,引发脑网络的功能性连接变化。例如,刺激初级运动皮层可增加运动前区和感觉运动区的活动,并抑制对侧皮层运动区的活动
[26]。以额叶为靶区刺激的tDCS则能引起全脑范围内的神经振荡同步
[27]。Lu等
[5]使用1.5 mA 高精度tDCS 刺激DLPFC 10 min后,发现认知灵活性显著提升,且相关皮层的功能连通性降低,提示神经效率提高。这为tDCS刺激DLPFC改善认知功能的神经机制提供了直接证据。此外,从神经环路角度看,小脑通过丘脑与DLPFC存在广泛的结构与功能连接
[20],可能是tDCS干预执行功能的一个潜在靶区,未来研究可探索靶向小脑的tDCS是否也能间接影响执行功能。
tDCS应用于执行功能干预实践时,需规范受试者纳入、排除标准与参数设置。首先,若受试者存在颅内金属植入物、癫痫病史和严重心血管疾病等,需在干预前排除
[28]。其次,刺激参数的合理配置对干预效果有较大影响,实践应用时需要根据具体的研究目的和受试者特征选择合适的刺激强度、刺激时间、干预脑区和导联组合等
[28]。Batsikadze 等
[23]通过记录受试者tDCS干预后2 h至第2天的运动诱发电位(motor evoked potential,MEP),发现2 mA的正极、负极tDCS显著增加了MEP,而1 mA时的阴极tDCS则降低MEP。其机制可能是神经可塑性方向依赖于神经元的钙流入量,而2 mA 的刺激强度在钙水平的增加上优于1 mA,更好地诱导了LTP。但该研究还指出,超过2 mA的过高强度可能会诱发γ-氨基丁酸B受体介导的抑制效应。刺激时长的选择会影响干预效果的后效应时间,13 min tDCS正极刺激影响兴奋性的后效应可持续约90 min,而11 min tDCS正极刺激的后效应仅维持约50 min
[22,24]。此外,由于大脑半球的功能偏侧性,电极放置位置需要根据执行功能的子指标选择,例如,Ohn等
[25]的神经影像学研究表明,正极tDCS刺激左侧DLPFC可显著增强健康受试者的言语工作记忆,这种效应与左侧半球在言语信息的加工处理中的优势有关。
1.2 高强度间歇训练
HIIT是指进行多次短时间高强度的运动训练,且在训练间歇穿插不完全休息恢复的训练模式。HIIT能够通过促进神经化学物质释放影响执行功能表现。Huang等
[29]探讨了8周的HIIT对健康受试者执行功能的效果,发现HIIT干预后机体的BDNF和血清胰岛素样生长因子1(insulin like growth factor-1,IGF-1)水平、额极区(frontal pole area,FPA)和DLPFC脑区的血氧水平显著提高,工作记忆任务表现改善,此外,HIIT还可促进运动皮层的神经可塑性影响执行功能表现。研究显示,急性HIIT能够提高健康受试者的BDNF水平,促进与酪氨酸激酶 B的结合,诱导LTP,改善执行功能任务表现
[30]。Kujach等
[31]的功能性近红外光谱研究也表明,急性HIIT不仅提升了健康受试者的工作记忆任务表现,还增强了左侧DLPFC的激活。这进一步说明HIIT对执行功能表现的影响与DLPFC神经激活密切相关。此外,HIIT对执行功能的影响还可能通过调控外周及中枢的代谢通路实现。一项针对老年人群的实证研究表明,基于HIIT理念的有氧运动干预可显著降低患者血浆谷氨酸、精氨酸及丙二醛水平,提示HIIT可能通过减轻兴奋性毒性与氧化应激损伤来改善执行功能
[32]。
HIIT在健康成人执行功能的改善效果上具有显著的效果,但应用时需注意运动强度。Kujach等
[31]采用大于100%最大摄氧量(maximal oxygen uptake,VO
2max)的强度显著改善了Stroop和连线测验(trail making test, TMT)任务表现,Schwarck等
[33]采用90% VO
2max持续25 min后却未观察到积极效应,后者的负向结果可能与过长的高强度运动导致血乳酸过度升高、中枢疲劳加剧有关。因此,单次干预时长应以10~20 min为最佳窗口期,超过25 min可能适得其反。此外,还需注意训练周期的科学选择。
1.3 经颅直流电刺激联合高强度间歇训练
tDCS和HIIT在改善执行功能上具有互补的神经机制,二者联合可能产生协同作用,从而增强干预效果
[15-16]。二者对执行功能的影响主要涉及BDNF水平和靶区作用范围。首先,HIIT通过调节体内儿茶酚胺和BDNF水平发挥预处理作用,与tDCS对静息膜电位的调节协同,增强LTP的幅度和持续时间
[17]。其次,HIIT可通过蓝斑核-前额叶去甲肾上腺素能投射,增强全脑神经振荡同步性;而tDCS刺激DLPFC则可聚焦调控该区域的神经网络。这种tDCS的空间特异性与HIIT的全脑调控相互补充,促进前扣带回抑制性中间神经元GABA释放量增加,改善执行功能表现
[17,34-35]。
tDCS与HIIT联合干预的时序安排是影响协同效应的关键因素。现有研究多采用运动后刺激的顺序,其理论基础是运动可作为预处理条件通过提高BDNF水平为tDCS创造最佳的神经可塑性诱导环境。然而,关于运动与tDCS刺激间隔对协同效应的影响尚无研究报道。基于突触标记假说,HIIT诱导BDNF升高的后效应窗口为30~60 min,在此窗口内施加tDCS干预可能产生更强的效应。
2 经颅直流电刺激和高强度间歇训练影响执行功能的参数设置
tDCS的刺激参数包括目标靶区、刺激强度、持续时间、电极尺寸等,不同参数设置会显著影响刺激效果。目前,相关研究多采用单电极或双电极干预,目标靶区通常根据脑电国际10~20系统定位,正极多放置于背外侧前额叶,负极则放置于对侧眶上。常见的刺激强度为1~2 mA,持续时长为10~30 min,电极尺寸为25~35 cm2。
HIIT对执行功能的影响则主要取决于受试者的特征、运动类型、干预时长、运动强度、训练频率和持续时间等参数。所纳入文献的对象为健康人,涉及训练类型主要为有氧骑行、体重抗阻力量训练,实验干预周期为单次或6 ~ 12周,其中单次干预时长大部分为10 ~ 30 min。常用的运动强度为80%~100% 最大心率(maximum heart rate,HRmax),部分研究采用90%VO2max、95%峰值功率(peak power output,PPO)。目前,tDCS 联合HIIT的常用模式为先进行HIIT训练,再应用常规tDCS,主要探讨两种方法结合对皮层兴奋性和神经可塑性的协同效应和运动诱发的BDNF神经启动效应对tDCS改善执行功能的促进作用。相关研究主要通过抑制控制(Stroop任务,Flanker任务,GO/NO GO任务)、工作记忆(Sternberg任务,N-back任务)、认知灵活性(Trail Making Test范式,大小奇偶测试,威斯康星卡片分类测验)来评价其对执行功能的影响。
3 经颅直流电刺激和高强度间歇训练影响执行功能的研究进展
tDCS和HIIT在认知增强领域有较大的应用潜力。大多数研究聚焦于单独应用tDCS或HIIT对健康人执行功能的影响,并通常从执行功能的3个子功能进行分析。近年来,部分学者开始探索tDCS与HIIT的联合干预,利用两者在皮层兴奋性和神经可塑性方面的相似神经机制,研究其对执行功能是否具有协同效应。
鉴于DLPFC是抑制控制、工作记忆与认知灵活性等核心执行功能的关键调控节点,且现有tDCS研究在执行功能领域绝大多数以DLPFC为靶区,因此,以“tDCS刺激DLPFC”为主要分析单元,对于以小脑、内侧前额叶等其他脑区为靶区的少量研究,不作系统讨论。
3.1 经颅直流电刺激对执行功能的影响
目前的证据显示,tDCS 刺激 DLPFC 可通过调节皮层兴奋性、突触可塑性以及局部神经递质水平,如降低γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)抑制、增强谷氨酸能传递、促进多巴胺释放等多重机制,影响健康人群的抑制控制、工作记忆和认知灵活性。然而,由于参数设置、个体差异和任务难度等因素的影响,研究结果尚存在一定的不一致。
首先,tDCS刺激DLPFC可影响健康人群的抑制控制能力。研究发现,tDCS对健康人群的抑制控制能力具有积极影响。Perrotta等
[36]采用2 mA tDCS正极刺激双侧DLPFC 20 min,发现单次干预后,健康成人在Stroop效应色词任务中的错误率显著降低。Bai等
[37]采用2 mA tDCS正极刺激右侧DLPFC 20 min,发现手机成瘾大学生的停止信号任务反应时间缩短。Chen等
[21]采用2 mA tDCS 正极刺激双侧DLPFC 20 min,观察到干预后健康成人的额叶、顶叶和中央区域P300幅度,以及中央和额叶区域的FRN幅度增加,这表明tDCS增强了心理资源并提高了抑制控制能力。Karuza等
[38]将90名参与者随机分为阳极、假电极和阴极组,分别以1.0、1.5、2.0 mA tDCS刺激左侧DLPFC 20 min,发现各强度下Flanker任务表现均显著改善。一项纳入14篇高质量随机对照实验的Meta分析也显示
[39],正极tDCS干预DLPFC能显著提升健康人群在GO/NO-GO任务中的表现。然而,参与者干预前高智力和抑制控制导致的天花板效应、刺激时间过长导致的阳极tDCS对皮质脊髓兴奋性的增强作用降低等原因,部分研究未发现积极影响。Laskov等
[40]以2 mA tDCS正极刺激左DLPFC 30 min,未观察到Stroop效应色词任务表现改善。Holczer等
[41]采用2 mA tDCS双正极刺激左DLPFC和额叶中部20 min,Flanker和GO/NO-GO任务结果无显著变化。Guimarães等
[42]使用2 mA tDCS正极刺激左侧DLPFC 30 min,对NEPSY-Ⅱ发育期神经心理测评第二版(developmental neuropsychological assessment-second edition,NEPSY-II)的执行功能子测验任务表现也未见显著影响。
其次,tDCS刺激DLPFC还可影响工作记忆。Fregni等
[43]使用1 mA tDCS正极刺激左侧DLPFC 10 min,单次干预后健康成人3-back任务测试表现显著提升。Jeon等使用1 mA tDCS正极分别刺激左侧DLPFC和右侧DLPFC 20 min,结果显示左侧DLPFC组的前后数字跨度任务测试表现显著改善,而右侧组无显著变化,提示刺激靶区可能影响tDCS对工作记忆的作用
[44]。Teo等
[45]使用1 mA和2 mA tDCS正极刺激左侧DLPFC 20 min,虽然未见N-back和Sternberg任务准确率提升,但反应时间与电流强度间存在交互作用,表明电流强度可能影响干预效果。Ohn等
[25]使用1 mA tDCS正极刺激健康成人的左侧DLPFC 30 min,发现刺激20 min后言语工作记忆任务的反应准确性显著提高,30 min时进一步增强,且效果可持续30 min,表明tDCS存在时间依赖性。Papazova等
[46]分别使用1、2 mA的正极 tDCS刺激左侧DLPFC 21 min,发现与伪刺激相比,健康受试者完成3-back任务的准确性显著提高,2-back任务次之,但1-back任务的准确性降低。说明N-back的任务难度可能是影响tDCS改善工作记忆的重要因素,未来研究需要进一步探讨在不同任务难度下的效果差异。然而,Edgcumbe等
[47]使用1.5 mA正极tDCS于2 d内 (每日1次,间隔24 h)重复刺激双侧DLPFC 20 min,发现干预后健康成人的Sternberg任务和N-back任务表现无显著变化,对工作记忆的影响不显著。一项纳入11篇高质量随机对照实验的Meta分析显示
[48],高精度tDCS干预左侧DLPFC对健康人群的工作记忆任务测试表现具有增强趋势,但这种趋势不显著,可能原因是纳入研究数量较少影响荟萃分析结果。
此外,tDCS刺激DLPFC同样影响认知灵活性。Lu等
[49]使用1.5 mA 高精度tDCS 刺激左侧DLPFC 20 min,发现9次干预后(每天一次)健康成人的转移注意力测试表现显著改善。其后,Lu等
[5]结合功能性近红外光谱,采用1.5 mA高精度tDCS刺激DLPFC 10 min,发现双侧DLPFC的功能连通性降低,Switch编号任务表现改善,提示神经效率提升。Leite等
[50]使用1 mA正极tDCS 和负极tDCS分别刺激左侧DLPFC、左侧M1 15min,发现正极组认知灵活性测试表现提升,负极组表现下降。Wang 等
[51]比较了正极 tDCS 刺激左侧或右侧 DLPFC 对健康成人任务转换表现的影响,发现相比刺激左侧 DLPFC 和假刺激,增强右侧 DLPFC 兴奋性可显著改善不可预测任务的转换成本,改善认知灵活性。提示脑区偏侧性可能是影响 tDCS 刺激 DLPFC 改善认知灵活性的重要因素。Yatan等
[52]使用1.5 mA 正极tDCS 刺激左侧DLPFC 20 min,发现低习惯性行为者威斯康星卡片分类任务表现显著改善,但高习惯性行为者无显著变化,提示个体差异对tDCS效果的影响。
综上,大部分研究证据显示tDCS在执行功能任务上的积极效果,但也有研究显示出不一致结果。同时,还需要关注部分研究存在的局限性,如Holczer等
[41]和Guimarães等
[42]未观察到tDCS对执行功能的显著影响,其原因可能是刺激方案的有效性不足或存在天花板效应;多数tDCS研究的样本量较小(
n<30),难以检测出中等效应量;Karuza等
[38]虽然发现了刺激强度的正向效应,但尚未系统考察不同电流强度与任务难度的交互作用等。
3.2 高强度间歇训练对执行功能的影响
目前研究表明,HIIT 对健康人群的执行功能具有积极影响,尤其对抑制控制和认知灵活性的改善效果较为显著。然而,HIIT 的效果受到干预方案、个体特征和任务类型等因素的影响。
Kujach等
[53]发现6组30 s大于100%VO
2max强度骑行,组间歇30 s的单次HIIT干预后,健康成年男性的Stroop和TMT任务表现显著提升,抑制控制和认知灵活性均得到改善。Dupuy等
[54]发现,6组3 min的95%PPO骑行,组间歇3min的单次HIIT干预后,健康成年男性的Stroop转换任务的反应时间显著缩短。Tottori等
[55]探讨了HIIT对8~12岁儿童执行功能的影响,发现3组10min的85% HRmax的有氧与核心训练,组间歇10 min的单次HIIT干预后,其向后数字跨度测试正确数显著增加,工作记忆得到改善。Moreau等
[56]探讨了6周共5组20 s健身动作,组间隔20 s的HIIT对7~13岁儿童执行功能的影响,发现干预后受试者的抑制控制和工作记忆任务表现显著改善。此外,有研究发现HIIT对执行功能的改善效果具有一定后效应。Ludyga等
[57]发现,单次HIIT能够显著降低12~15岁男性青少年的Flank任务时间,且效果维持60 min
[57]。Hashimoto等
[58]发现,4组4 min的90%最大功率骑行,组间歇3 min的两次HIIT(间隔60 min)可显著缩短健康男性Stroop任务的反应时间,并维持40 min。然而,上述研究主要考察的是急性或≤12周的HIIT干预效果,而探讨长期干预效果的研究证据较少。张可盈等
[59]比较了参与有氧运动2年以上的大学生与静坐少动对照组在执行功能相关脑网络激活模式上的差异,发现2年以上有氧运动可增强海马和后扣带回皮层在脑网络中的重要性,改善执行功能相关的脑网络连接效率。这也进一步验证了HIIT在执行功能上的积极效果。
然而,也有研究显示HIIT对执行功能无显著影响。Costigan等
[34]发现每周3次8~10 min有氧、抗阻联合运动,组间歇为4~5 min的8周HIIT干预后,TMT任务表现没有显著变化,认知灵活性未得到改善。Schwarck等
[33]探讨了3周(1次/周)的HIIT对健康男大学生抑制控制能力的影响,发现5组2 min 90%VO
2max跑步机运动,组间歇3 min的3周HIIT干预后,Stroop和TMT任务表现无组间差异。可能的原因是HIIT干预时间过长(25 min)导致受试者疲劳、血乳酸水平失衡或脑氧合减少,从而影响了HIIT对执行功能的积极效应。此外,HIIT对执行功能的影响还可能受到年龄因素的调节。Gmiat等
[60]探讨了3组7 min力竭抗阻训练,组间歇2 min的单次HIIT对健康女性(青年组8人、中年组6人)执行功能的影响,发现HIIT干预后青年组的Stroop测试和连续敲击测试表现显著改善,而中年组显示降低。
综上发现,HIIT在执行功能上的效果并不一致,这可能与干预方案、运动强度和样本量有关。具体而言,首先,HIIT的干预方案(强度、时长、间歇方式、运动类型)在不同研究间存在较大异质性,导致结果的可比性较差。例如,Kujach等
[53]采用大于100% VO
2max的超高强度获得了显著效果,而Schwarck等
[33]使用90% VO
2max却未发现阳性结果,提示可能存在“最佳强度窗口”,过高或过低的强度均可能削弱认知增益。其次,HIIT的认知后效应持续时间尚不明确。目前仅有Ludyga等
[57]和Hashimoto等
[58]的研究报道了后效应维持40~60 min,但更长时间窗口(如数小时至数天)是否存在增强或消退规律仍缺乏系统研究。此外,部分研究还存在局限性。一方面,年龄、健身水平、性别等个体差异因素对HIIT效果的调节作用尚未得到充分探讨,如Gmiat等
[60]发现中年女性对HIIT的认知反应弱于青年女性,提示未来研究需关注人群异质性。另一方面,现有证据主要基于急性或≤12周干预, >6个月的HIIT对执行功能的持续影响及可能的神经适应机制尚属空白。
3.3 经颅直流电刺激联合高强度间歇训练对执行功能的影响
近年来,部分研究开始关注正极tDCS干预DLPFC联合HIIT对健康人群执行功能的影响。Yue等
[15]在3组3 min 90%HRmax 骑行,组间隔2 min的单次高强度间歇训练后联合使用1 mA tDCS 正极刺激双侧DLPFC 10 min,发现干预后健康成人的Stroop效应色词任务表现显著提高,抑制控制能力改善,但2-back工作记忆任务表现无显著变化。Ward等
[16]对健康成年人进行了16周(1次/周)的多模式运动(步行/跑步、高强度有氧及抗阻运动)联合高精度tDCS刺激双侧DLPFC,发现干预后受试者的工作记忆能力显著提高。此联合模式改善执行功能的原因可能是高强度间歇训练诱导的儿茶酚胺、BDNF释放与双位点tDCS调节静息膜电位的作用相协同,增强LTP的幅度和持续时间。同时,HIIT能激活更广泛的神经网络,包括tDCS无法直接作用的脑区,从而促进执行功能的提升
[15-16]。然而,Hendy等
[61]在20 min HIIT后(强度80% HRmax),联合1 mA tDCS正极刺激左侧DLPFC 20 min,发现单次干预后健康成人在Stroop效应色词、2-back和3-back工作记忆任务中的表现无显著变化。可能的原因是运动对认知表现的影响受参与者的健身水平影响,高健身水平参与者在运动后表现出更大提升
[62],而此研究招募了久坐的参与者,导致认知能力和BDNF水平的非显著变化
[15,61]。也有研究采用其他类型的运动与tDCS联合,如王俊伟等
[63]利用功能性近红外光谱观察了不同时序的tDCS结合坐位太极拳云手对健康青年人脑皮质激活的影响,发现在特定时序下联合干预可增强前额叶皮层的氧合血红蛋白浓度,为运动与tDCS的协同效应提供了神经影像学证据。
此外,研究发现加速tDCS和HIIT在改善执行功能上具备潜在联合效应。加速经颅直流电刺激(accelerated transcranial direct current stimulation,accelerated tDCS)的概念源于加速重复经颅磁刺激(accelerated repetitive transcranial magnetic stimulation,accelerated rTMS),后者被定义为同一天内施加2次及以上的rTMS刺激且刺激间隔为分钟至小时级的高频率、短间隔刺激模式。目前研究中,加速tDCS被界定为单日(24 h以内)实施2次及以上tDCS刺激,各刺激时段之间间隔数分钟至数小时的强化剂量干预模式
[64]。该模式旨在通过缩短刺激间隔使后续刺激落入前次刺激诱发的神经可塑性时间窗内,从而实现可塑性效应的累积与强化
[64]。证据显示,加速tDCS在执行功能(如认知灵活性、工作记忆
[62,64-65])上的总体增强效果优于单次tDCS,其机制可能与促进晚期突触可塑性增强(late-phase LTP,L-LTP),增强刺激的长期效应有关。tDCS刺激通过调节钙离子流入,激活钙调蛋白激酶II、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)导致α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid,AMPA)受体的磷酸化,能够诱导早期突触可塑性增强(early-phase LTP,E-LTP),后效持续时间<3 h
[66-67]。同时,细胞膜通过持久的环磷酸腺苷-蛋白激酶A和环磷酸腺苷-反应元件结合蛋白途径可诱导L-LTP,后效持续几天到几周
[67]。突触标记假说认为,如果这些突触先前被刺激激活,则激活的突触能树突突触能够“捕获”mRNA复合物,半衰期约为30 min
[66]。提示短间隔的加速tDCS刺激可促进机体捕获L-LTP诱导所需的mRNA复合物和突触蛋白
[66,68]。此外,加速tDCS对神经兴奋性可产生叠加效应。在第一个正极tDCS刺激的后效应期间进行第二个刺激的加速tDCS(间隔3 min或20 min)会诱导LTP,双倍提高MEP振幅,增强大脑的兴奋性并维持24 h,从而提高认知增强效果。证据表明,HIIT认知增益后的效应持续时间约为60 min
[33]。在此时间窗内实施加速tDCS,或能进一步增强干预效果,产生更强的联合效应,但目前尚无研究证实这一假设
[15]。因此,未来研究需要进一步探讨不同间隔重复tDCS与HIIT的联合应用的可行性,并通过实证研究验证其对健康大学生执行功能的影响,明确最佳刺激参数与干预方案。
尽管现有研究初步支持tDCS与HIIT联合干预对执行功能的协同效应,但该领域尚存在诸多亟待解决的方法学与理论问题。首先,联合干预的最佳时序(HIIT前、中、后施加tDCS)和间隔时间尚未确定。目前所有研究均采用HIIT后立即施加tDCS的模式,但运动诱导的BDNF升高峰值时间点、神经可塑性准备状态的持续时间以及tDCS效果的时间窗三者之间的最佳匹配关系尚不明确。基于突触标记假说,若能在BDNF升高的窗口期内施加tDCS,可能产生更强的L-LTP效应,这为未来参数优化研究提供了重要方向。其次,现有联合干预研究的结果存在不一致。Hendy等
[61]未发现协同效应,可能与受试者为久坐人群、健身水平较低导致运动诱发的神经化学响应不足有关,提示基线特征(如有氧能力、BDNF基础水平)可能是联合干预效果的调节变量。第三,多数研究的样本量有限,且缺乏多中心、预注册的重复验证实验,导致效应估计的精度和可推广性不足。第四,加速tDCS与HIIT的联合应用虽然在理论机制上存在增强效果的可能性,但缺乏实证研究证据。未来研究需进一步探讨不同重复间隔(如15、30、60 min)下加速tDCS联合HIIT在执行功能上的具体效应,并结合功能性近红外光谱、功能磁共振成像、正电子发射断层扫描等神经影像学技术检测皮层兴奋性变化及神经网络重塑等,为协同效应的神经机制提供因果证据。
4 结论与展望
4.1 结论
tDCS可调节DLPFC兴奋性、突触可塑性和脑网络连接,HIIT则通过促进神经化学物质释放、诱导神经可塑性和激活DLPFC影响大脑功能。单独应用tDCS、HIIT,或HIIT联合常规tDCS,均可调节健康人群的执行功能。近年来,研究发现加速tDCS与HIIT联合应用具有潜在的协同效应。然而,目前对于单一干预效果的重复验证有限,对潜在联合方法的实证探索也相对不足,且存在参数异质性大、个体差异明显、机制不明确等问题。
4.2 研究重难点与未来方向
首先,tDCS与HIIT协同效应的神经生理机制尚未完全阐明。虽然现有证据提示BDNF可能在tDCS与HIIT的协同效应中扮演关键中介角色,但这一假设主要基于分别研究的间接推断,缺乏直接的因果证据。采用正电子发射断层扫描技术追踪与BDNF受体的结合变化,为揭示HIIT预处理后BDNF升高,tDCS进一步诱导LTP增强,为该级联通路改善执行功能的作用机制提供证据。
其次,tDCS与HIIT的最佳参数组合尚未确定。目前联合干预研究中tDCS和HIIT的参数选择存在较大的差别,且系统分析刺激强度、刺激时长、运动强度和持续时间等参数之间交互作用的参数优化研究较少。未来研究应开展多组别(即同时设置若干种不同参数组合的干预组)、多剂量水平的参数优化随机对照试验,明确tDCS与HIIT的最佳参数组合。
再次,现有研究主要集中在健康大学生或久坐成年人群,对长期处于高认知负荷环境人群(如高水平运动员、军人、航天员)的干预效果及后效应实证研究较少。这类人群的基线认知水平和大脑可塑性特征与普通人可能存在差异,且研究表明
[9,69],高运动水平者在运动后可能表现出更大的增益效果。因此,未来研究需开展大样本、多中心的随机对照试验,并考虑个体基线特征(运动水平、认知储备、基因多态性等)对干预效果的影响。
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