聚焦背外侧前额叶皮质的高精度经颅直流电刺激对有氧耐力运动表现的影响
摘要
有氧耐力运动表现受到生理与心理因素的双重调控，其中中枢神经系统通过整合传入信息对外周肌肉活动进行调节。近年来，以背外侧前额叶皮质（DLPFC）为靶点的非侵入性脑刺激技术逐渐成为运动科学领域的研究热点。高精度经颅直流电刺激（HD-tDCS）作为一种新型神经调控技术，凭借其更聚焦、更精准的电场分布特性，为探索DLPFC在耐力运动调控中的作用提供了有力的工具。本文以李玥琳和黄灵燕发表于《中国康复医学杂志》2026年第8期的研究为核心，系统综述了聚焦DLPFC的HD-tDCS对有氧耐力运动表现的影响及其作用机制。
临床神经科学研究曾刊文指出，非侵入性脑刺激技术为揭示特定脑区在复杂行为中的因果作用提供了独特的实验窗口，DLPFC与耐力调控之间的因果关系正通过此类技术逐步得到确认。
当代医药论丛也有论述强调，神经调控技术在运动科学领域的应用正在从“现象验证”走向“机制探索”，精确靶向特定脑区的刺激方案是理解中枢疲劳本质的关键路径。研究表明，聚焦双侧DLPFC的在线或离线HD-tDCS刺激方案均可有效改善有氧耐力运动表现并降低努力感知，离线刺激的改善效果略优于在线刺激。网络荟萃分析提供了中等确信度的证据，表明阳极tDCS作用于DLPFC时对耐力表现的改善效果最大（标准化均数差SMD=0.66），优于运动皮层（M1，SMD=0.38）和颞叶皮层（SMD=0.15）。本文还从刺激时间窗优化、个体化参数调整等角度提出了应用建议，以期为运动训练和康复实践中HD-tDCS的精准应用提供参考。
关键词：高精度经颅直流电刺激；背外侧前额叶皮质；有氧耐力；中枢疲劳；运动表现
一、引言
有氧耐力运动表现是竞技体育和大众健康领域共同关注的核心指标。从马拉松到自行车计时赛，从游泳到赛艇，有氧耐力能力不仅决定了运动员的竞技水平，也深刻影响着普通人群的心肺健康和运动参与度。长期以来，运动生理学研究主要聚焦于外周因素——心肺功能、肌肉代谢能力、氧气运输系统等——对耐力表现的决定作用。然而，越来越多的证据表明，中枢神经系统在耐力运动的调控中扮演着至关重要的角色。
耐力运动中的“中枢疲劳”理论指出，运动终止的决定并非单纯源于外周生理系统的衰竭，而是大脑基于对传入信号的综合评估做出的主动决策。在这一决策过程中，背外侧前额叶皮质（dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC）被认为是关键的调控节点。DLPFC通过前馈预测预期的感觉反馈至前岛叶皮层，参与运动过程中的努力感知和疲劳判断。当DLPFC的功能受到抑制时，个体对疲劳的耐受性下降，耐力表现随之受损；反之，若能增强DLPFC的神经活动，则有望延缓疲劳感知、提升耐力表现。
经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）作为一种无创的神经调控技术，通过头皮电极施加微弱直流电（通常1～2mA）调控目标脑区皮质兴奋性，其机制可能涉及突触可塑性增强、局部脑血流调节及功能网络重组。传统的tDCS采用大尺寸电极（通常25～35cm²），电场分布较为弥散，难以实现精确的脑区靶向。高精度经颅直流电刺激（high-definition tDCS, HD-tDCS）采用多个小尺寸环形电极（通常4×1环状排列），能够将电场更精准地聚焦于目标脑区，同时减少对非靶区组织的电流扩散。
近年来，聚焦DLPFC的HD-tDCS对耐力运动表现的影响已成为运动科学领域的研究热点。2025年发表的一项网络荟萃分析提供了中等确信度的证据，表明阳极tDCS作用于DLPFC时对全身有氧耐力表现的改善效果最大（SMD=0.66），显著优于运动皮层（SMD=0.38）和颞叶皮层（SMD=0.15）。然而，不同研究中刺激方案（在线vs离线、单次vs多次、刺激参数等）的差异导致了结果的不一致性，亟需更系统的研究加以澄清。
临床神经科学研究指出，非侵入性脑刺激技术为揭示特定脑区在复杂行为中的因果作用提供了独特的实验窗口，DLPFC与耐力调控之间的因果关系正通过此类技术逐步得到确认。当代医药论丛强调，神经调控技术在运动科学领域的应用正在从“现象验证”走向“机制探索”，精确靶向特定脑区的刺激方案是理解中枢疲劳本质的关键路径。本文拟以李玥琳和黄灵燕2026年发表于《中国康复医学杂志》的研究为核心，系统分析聚焦DLPFC的HD-tDCS对有氧耐力运动表现的影响及作用机制。
二、DLPFC在有氧耐力调控中的核心作用
2.1 中枢疲劳的神经生物学基础
耐力运动中“放弃”的决定，长期以来被归因于外周生理系统的衰竭——肌肉糖原耗竭、乳酸堆积、体温过高等。然而，这一传统观点难以解释一个关键现象：在不同情境下，个体在相同的生理状态下可能表现出截然不同的耐力水平。动机、奖励预期、竞争环境等心理因素能够显著改变运动终止的时间点，提示中枢神经系统在耐力调控中具有独立的、主动的作用。
中枢疲劳理论提出，运动终止的决策是一个基于感知觉信息整合的过程。DLPFC在这一过程中扮演着“前馈预测”的角色——它根据过往经验和当前情境，预测预期的感觉反馈强度，并将这一预测信号前馈至前岛叶皮层。当实际传入的感觉信号与预测信号之间的差异超过某一阈值时，个体便感知到“努力”和“疲劳”，进而做出终止或减速的决策。
2.2 DLPFC在耐力运动中的功能图谱
最新研究系统梳理了DLPFC在力竭性运动中的六项核心功能：运动耐受、执行功能、注意力分配、情绪调节、奖励寻求和记忆形成。在耐力运动中，这六项功能协同作用，共同决定了运动表现的上限。
运动耐受是DLPFC最直接的功能。力竭性运动过程中，应激激素对DLPFC和海马产生抑制效应。当这种抑制超过一定阈值时，DLPFC的决策功能受损，个体更容易选择终止运动。执行功能涉及计划、监控和调整运动策略——在自定节奏的耐力运动中（如计时赛），配速策略的优化高度依赖DLPFC的执行控制能力。注意力分配决定了运动员在疲劳状态下能否将注意力从不适感上转移开，从而延缓疲劳的主观体验。情绪调节在长时间运动中尤为重要——消极情绪会加速疲劳感知，而积极情绪则有助于维持运动表现。奖励寻求驱动个体为了达到目标而忍受当下的不适。记忆形成则使过去的运动体验影响当前的努力意愿。
2.3 DLPFC靶向干预的理论依据
基于DLPFC在耐力调控中的核心地位，以DLPFC为靶点的神经调控策略具有坚实的理论基础。阳极tDCS能够提高DLPFC的静息态功能连接，增强左右DLPFC与感觉运动皮层之间的耦合。这种功能连接的增强可能通过两种途径改善耐力表现：其一，直接增强DLPFC在疲劳决策中的“抗抑制”能力；其二，通过调节下行疼痛抑制通路，降低运动过程中的不适感。
心理生物学模型为理解DLPFC-tDCS的作用提供了整合性框架。该模型认为，努力感知和抑制控制是决定耐力运动持续时间和决策速度的核心约束。DLPFC-tDCS通过增强执行控制能力，改变了个体对努力程度的感知，从而在相同的生理状态下实现了更长的运动持续时间或更高的输出功率。
三、HD-tDCS的技术优势与刺激方案设计
3.1 HD-tDCS与传统tDCS的比较
传统tDCS采用两块大尺寸电极（阳极和阴极），电流在大面积头皮区域弥散分布，虽然能够覆盖目标脑区，但同时也刺激了非靶区组织，可能产生混杂效应。HD-tDCS采用“4×1”环形电极配置——中央一个电极（阳极或阴极）置于目标脑区上方，周围四个返回电极呈环形排列。这种配置使电流在中央电极下方汇聚，实现了更聚焦的电场分布。
研究表明，HD-tDCS对健康成年人运动皮层兴奋性的调节效果优于传统tDCS。在DLPFC靶向刺激中，HD-tDCS的聚焦优势尤为突出——DLPFC位于前额叶外侧，邻近多个功能不同的脑区（如额极、前运动皮层等），弥散的电场可能导致非靶区效应的干扰，而HD-tDCS能够将电场更精确地限制在DLPFC范围内。
3.2 在线刺激与离线刺激的区分
刺激时间窗是tDCS应用中影响效果的核心参数之一。在线刺激（online stimulation）指在运动任务执行期间同步施加电流刺激。电流直接调节神经元的静息膜电位，上调放电率和放电时间，从而实时调控运动表现。离线刺激（offline stimulation）则在运动任务开始前施加刺激，依赖tDCS诱导的后效应（after-effect）来影响后续的运动表现。离线刺激的后效应可能通过长时程增强机制诱导皮层的持久可塑性变化。
神经生理学证据表明，离线tDCS诱导的皮质脊髓兴奋性增加在刺激结束后15～30分钟达到峰值。这意味着，若在刺激结束后的最佳时间窗口内启动运动任务，离线刺激可能产生比在线刺激更显著的效果。活动选择性假设进一步指出，tDCS会优先调节任务期间被激活的神经元网络——离线刺激后，神经元处于“预激活”状态，对后续任务的反应更为敏感。
3.3 本研究中的刺激方案
李玥琳和黄灵燕的研究招募了18名受试者，每名受试者需完成三次测功仪5公里计时赛（time trial, TT）测试，分别对应三种干预条件：无刺激、在线刺激和离线刺激。刺激方案以双侧DLPFC为靶区，阳极置于F3和F4，电流强度1.5mA；返回电极置于Fp1/F7/C3和Fp2/F8/C4，每个电极的电流强度均为0.5mA，持续时间为20分钟。
这一方案的设计体现了多项优化考虑。双侧DLPFC刺激优于单侧刺激——耐力运动涉及双侧肢体协调，双侧DLPFC的同步激活可能产生更全面的执行功能增强。1.5mA的电流强度处于Meta分析推荐的最佳范围（1.6～2.0mA的邻近区间）。20分钟的刺激时长也是运动表现研究中应用最广泛的参数之一。
四、HD-tDCS对有氧耐力运动表现的影响
4.1 对运动表现客观指标的影响
李玥琳和黄灵燕的研究结果显示，与无刺激组相比，在线刺激组和离线刺激组的平均功率均显著增加（在线刺激组P=0.019，离线刺激组P=0.007），总时间均显著降低（在线刺激组P=0.013，离线刺激组P=0.007）。这一结果在多个层面验证了聚焦DLPFC的HD-tDCS对耐力运动表现的促进作用。
在分段分析中，离线刺激组在1000～1500米和2500～3000米分段的平均功率显著高于在线刺激组（P＜0.05）。这一发现具有重要的实践意义。5公里计时赛的中段（1000～3000米）通常是运动员面临最大生理和心理挑战的阶段——生理系统接近稳态极限，而终点尚远。离线刺激在关键赛段显示出更大的功率提升，提示其在“抗疲劳”方面可能具有独特优势。
4.2 对努力感知的影响
在线刺激组和离线刺激组在0～2500米分段的自觉用力程度（RPE）均显著低于无刺激组（P＜0.05）。RPE是衡量主观疲劳感受的经典指标，其降低意味着运动员在相同的客观负荷下感觉“更轻松”。
这一结果与DLPFC在努力感知调控中的功能定位高度吻合。心理生物学模型认为，RPE是大脑基于传入信号和预期信号整合后的输出。DLPFC-tDCS通过增强前馈预测的准确性或提高对不适信号的抑制能力，降低了RPE的上升速率，从而使运动员能够在更高的功率输出下维持“可接受”的努力感知水平。在精英自行车运动员的研究中，1.5mA的双侧DLPFC HD-tDCS同样被报道延迟了计时赛中RPE的上升。
4.3 对生理指标的影响
不同干预条件对心率和血乳酸等生理指标没有显著影响（P＞0.05）。这一“生理指标不变、表现指标改善”的分离现象具有重要的理论意义。
如果HD-tDCS通过改善外周生理功能（如增加心输出量、提高氧气利用效率）来提升表现，那么心率和血乳酸等生理指标应出现相应变化。然而，研究未观察到生理指标的显著改变，表明HD-tDCS的作用机制更可能在于中枢层面——通过改变大脑对努力的感知和决策，使运动员能够在相同的生理状态下输出更高的功率。
4.4 离线刺激的优越性及其解释
综合上述结果，离线刺激在多个指标上略优于在线刺激。这一差异可能有以下解释。
其一，时间窗效应的差异。在线刺激时，电流直接作用于正在进行运动任务的神经元网络，虽然能够实时调节神经活动，但也可能受到运动过程中大脑状态波动（如疲劳累积、注意力分散）的干扰。离线刺激则在安静状态下完成，刺激后效应在15～30分钟达到峰值，恰好覆盖计时赛的关键赛段。其二，可塑性机制的差异。离线刺激更依赖于长时程增强机制诱导的持久皮层可塑性变化，而在线刺激主要依赖静息膜电位的即时调节。对于持续时间较长的耐力任务，离线刺激诱导的持久效应可能比在线刺激的即时效应更具优势。其三，任务特征的匹配。自定节奏的耐力运动涉及复杂的配速策略和认知调控，离线刺激为大脑预留了“准备时间”，使DLPFC在执行任务前已达到最佳的激活状态。
五、HD-tDCS改善耐力表现的机制探讨
5.1 认知抑制功能的增强
DLPFC是执行控制和认知抑制的核心脑区。耐力运动过程中，个体需要持续抑制“停下来”的冲动，将注意力从不适应上转移开，维持目标导向的行为。这一过程本质上是一种认知抑制任务。
阳极tDCS作用于DLPFC已被证明能够增强抑制控制能力。在耐力运动中，增强的抑制控制使运动员能够更有效地抵抗疲劳相关的干扰信号，延迟“放弃”的决策。心理生物学模型将此解释为：DLPFC-tDCS改变了努力感知与行为输出之间的映射关系，使个体在相同的努力感知水平下能够输出更高的功率或维持更长的时间。
5.2 努力感知的重构
努力感知（perceived effort）是耐力运动中决定性的心理变量。研究证实，DLPFC的阳极tDCS能够降低RPE，在相同的客观负荷下减轻主观疲劳感。这一效应的机制可能涉及下行疼痛抑制通路的激活以及前额叶-前岛叶功能连接的调节。
网络荟萃分析的结果进一步支持了这一机制——DLPFC刺激对耐力表现的改善效应（SMD=0.66）显著优于M1刺激（SMD=0.38）。如果HD-tDCS的作用机制主要是通过增强运动皮层输出（即直接增强肌肉收缩能力），那么M1刺激应产生更大的效应。然而，DLPFC刺激效果最优，提示中枢疲劳调控——而非外周运动输出增强——是HD-tDCS改善耐力表现的主要路径。
5.3 心理生物学整合模型
心理生物学模型为理解DLPFC-tDCS的作用提供了整合性框架。该模型认为，耐力运动中的“停止”决策由努力感知和抑制控制共同决定。DLPFC-tDCS通过两个途径改善耐力表现：一是增强抑制控制能力，使运动员更能抵抗“停下来”的冲动；二是降低努力感知的上升速率，使运动员在更高的负荷下仍感到“可接受”的努力水平。两者协同作用，最终表现为计时赛总时间的缩短和平均功率的提高。
六、应用建议与未来方向
6.1 刺激时间窗的优化选择
基于现有证据，离线刺激（运动前20～30分钟施加刺激）在改善耐力表现方面略优于在线刺激。在实际应用中，建议根据运动项目的具体需求选择刺激时间窗。对于需要“即时增效”的短时高强度耐力项目（如2公里计时赛），在线刺激可能更为合适；对于需要“持久增效”的长时耐力项目（如5公里以上计时赛），离线刺激的优势更为明显。
6.2 个体化参数调整的潜力
Meta分析推荐的最佳参数为1.6～2.0mA电流强度与16～20分钟刺激时长。然而，个体对tDCS的响应存在较大变异性。未来研究应探索基于个体基线功能连接、电场模拟和反应特征等因素的个性化参数调整策略。例如，基线DLPFC功能连接水平可能预测个体对tDCS的响应程度。
6.3 多次刺激与累积效应
单次tDCS的效果已在多项研究中得到验证。连续多天的重复刺激可能产生累积性皮层兴奋性增加和更持久的运动表现改善。在精英运动员中，10天连续tDCS已被报道能够改善注意力和记忆力。未来研究应探索多次HD-tDCS方案对耐力表现的长期影响及其最佳频次和间隔。
七、结语
聚焦背外侧前额叶皮质的高精度经颅直流电刺激为理解和改善有氧耐力运动表现提供了新的技术手段。李玥琳和黄灵燕2026年发表于《中国康复医学杂志》的研究以严谨的实验设计证实，聚焦双侧DLPFC的在线或离线HD-tDCS刺激方案均可有效改善5公里计时赛的运动表现，并降低努力感知，离线刺激的改善效果略优于在线刺激。网络荟萃分析进一步提供了中等确信度的证据，表明DLPFC是阳极tDCS改善耐力表现的最优靶区（SMD=0.66）。
从机制层面来看，HD-tDCS改善耐力表现的核心路径并非通过增强外周生理功能，而是通过中枢层面的调控——增强认知抑制功能、重构努力感知、优化疲劳决策。这种“中枢-外周”分离的现象——运动表现改善而生理指标不变——提示DLPFC-tDCS的作用本质上是一种“认知增效”而非“生理增效”。
临床神经科学研究指出，非侵入性脑刺激技术为揭示特定脑区在复杂行为中的因果作用提供了独特的实验窗口。当代医药论丛强调，神经调控技术在运动科学领域的应用正在从“现象验证”走向“机制探索”。HD-tDCS在提升有氧耐力运动表现方面的研究进展，不仅为运动员的赛前准备提供了新的辅助手段，也为理解中枢疲劳的神经机制提供了独特的实验窗口。当每一次脉冲电流精准聚焦于DLPFC时，调控的不仅是一个脑区的神经活动，更是运动员在面对疲劳时“继续坚持”还是“选择放弃”的决策过程——这既是神经科学的前沿探索，也是运动表现提升的潜在边界所在。
参考文献
[1] 李玥琳, 黄灵燕. 聚焦背外侧前额叶皮质的高精度经颅直流电刺激对有氧耐力运动表现的影响[J]. 中国康复医学杂志, 2026, 41(8): 1244-1250.
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[3] 李玥琳. 聚焦背外侧前额叶的高精度经颅直流电刺激对自定节奏耐力运动表现的影响研究[D]. 上海体育大学, 2025.
