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本文为研究高精度经颅直流电刺激（high-definition transcranial direct current stimulation，HD-tDCS）对前臂指屈肌的抗疲劳效果，以19名健康男性为研究对象，观察在其运动对侧大脑半球运动皮质区实施HD-tDCS后，右侧前臂指屈肌进行35%最大强度的静力性等长收缩时的抗疲劳效果。结果表明，HD-tDCS组受试者前臂指屈肌抗疲劳时间显著长于基线（Baseline）组和假刺激（Sham）组（P0.05）；Baseline组和Sham组受试者运动疲劳后报告的主观体力感觉等级水平显著高于HD-tDCS组（P0.05）；HD-tDCS组受试者在执行疲劳运动任务过程中，其前臂指屈肌表面肌电（surface electromyography，sEMG）信号的幅值水平低于Baseline组和Sham组受试者。证明在健康受试者的运动对侧大脑半球运动皮质区实施HD-tDCS后，能够有效延长其前臂指屈肌抗疲劳时间，同时能够显著减低运动时的疲劳感知程度。
的运动表现受很多生理因素的影响，其中一个重要因素就是运动疲劳。运动疲劳的产生会引起肌肉力量或耐力下降、反应时间延长，对注意力、决策以及对运动表现产生不利的影响。运动疲劳是一个复杂的生理过程，涉及运动过程中神经肌肉系统的调控。运动与大脑的神经控制密不可分，大脑在肌肉力量、耐力和运动学习等方面都起着至关重要的作用。因此，近些年，神经调控技术逐渐成为科学研究关注的焦点。其中，经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）由于安全、低成本和易于实施越来越受欢迎，而且已应用到临床研究中。
2013年，一种被称为高精度经颅直流电刺激（high-definition transcranial direct current stimulation，HD-tDCS）的设备出现在市场中，该设备带有更小的“高清”电极阵列，能够更加精准地定位目标刺激脑区。传统的tDCS刺激电极的覆盖脑区面积较大，且在电流刺激过程中海绵电极饱和度会发生变化，可能导致电流发生变化，这使得一些关于传统的tDCS效应的研究结果不一致。例如，Cogiamanian等和Abdelmola等发现传统的tDCS可以提高肘关节周围肌肉的抗疲劳能力，但Hikosaka和Aramaki发现，tDCS对健康成年人手部的肌肉运动没有起到抗疲劳的作用，这可能与tDCS电极放置位置以及传统tDCS的海绵刺激电极物理特性在刺激过程中发生变化引起实验结果不一致有关。而HD-tDCS的出现，从技术上避免了以上这些情况的发生。目前，国内外的学者对HD-tDCS的作用效果开展了相关研究，发现HD-tDCS作为一种康复辅助手段，促进了脑卒中患者手部运动功能的康复。其中，国内学者主要关注HD-tDCS对踝关节控制能力以及平衡能力的影响。例如：肖松林等发现，HD-tDCS对健康成年人足部肌肉力量、踝关节运动觉以及静态平衡能力都有积极的效应；王宝峰等发现，HD-tDCS能够提升健康的姿势控制能力。最近，Zhan等发现健康受试者经过HD-tDCS刺激后，显著提升了其跑步疲劳后踝关节背屈肌的最大扭矩。尽管学者们使用HD-tDCS进行了一些研究，但现有研究较少提及HD-tDCS对前臂指屈肌的抗疲劳效应以及肌肉做功时的肌电特征。因此，本研究选用HD-tDCS设备施加直流电刺激，并结合表面肌电（surface electromyography，sEMG）技术探索HD-tDCS对前臂指屈肌抗疲劳效果及其产生作用时伴随的肌肉电生理特征。
以19名健康男性为研究对象，受试者的身高为（177.8±5.4）cm，体重为（73.2±10.5）kg，年龄为（23.0±2.1）岁。所有受试者均为右利手，都没有上肢肌肉损伤症状，且无神经系统疾病或精神疾病。实验前，向每一名受试者讲述具体的实验过程，最终，该实验得到所有受试者的同意，并签署了知情同意书。同时，该实验得到了沈阳体育学院伦理委员会批准。
仪器设备有ANT生物信号采集系统（EEGo™ mylab）、握力计（爱德堡HP-500）、4×1-C3A经颅直流电刺激仪（Soterix Medical）、电脑、主观体力感觉等级量表［（Borg（0-10）］、tDCS主观感觉问卷、表面电极（申风）、磨砂膏、酒精、弹性绷带等。
使用HD-tDCS电刺激仪施加阳极直流电刺激。HD-tDCS的配置包括采用1×1直流电刺激器，产生直流电流。然后，利用4×1高清晰度适配器，将其分流给5个Ag/AgCl环形电极，在每个电极中填充导电电解质凝胶（图1）。
如图2所示，本研究采用阳极电刺激，中间刺激电极（红色）为阳极，其他4个电极（蓝色）共同作为阴极，4个阴极与阳极之间的距离约为3cm，该种电极配置方案会在初级运动皮质区形成局部的环形电流。
根据文献，在本研究中，HD-tDCS电流强度设为2mA，刺激持续时间为20min。HD-tDCS组的刺激电流强度在30s内逐渐上升到2mA，然后进入电流刺激的平稳期，始终维持2mA的电流强度。对于假刺激（Sham）组来说，电流强度在30s内先逐渐增加至2mA，然后再逐渐下降为0mA。刺激干预结束前，出现同样的电流变化方式，即电流强度在30s内先逐渐增加至2mA，然后再逐渐下降为0mA，以此种方式作为安慰剂对照。
采用安慰剂交叉对照设计，每一名受试者分别接受真实的HD-tDCS和Sham，2种刺激形式按照随机原则，为了避免前一种刺激对后面刺激效果的影响，2种刺激的时间间隔至少为1周。受试者在接受刺激后，通过握拉握力计诱发其前臂指屈肌疲劳，在执行运动任务时受试者腕关节保持正中位置，以免腕屈肌参与收缩。受试者在刺激干预开始之前，要完成一次基线（Baseline）测试，将Baseline组作为空白对照组。最终，每名受试者都要完成3次实验测试。参考文献，本研究受试者前臂指屈肌以大约35%最大随意等长收缩（maximal voluntary contraction，MVC）（浮动±5%MVC）力量水平握拉握力计诱发其前臂指屈肌疲劳，在力量输出过程中，受试者可以通过电脑屏幕中实时反馈的力量曲线来控制自己的力量输出，当力量输出水平不能维持15%MVC力量水平且超过3s时，程序会系统自动终止实验。疲劳实验终止后，采用主观体力等级感觉量表（rating of perceived exertion，RPE）Borg（0~10）评价受试者局部肌肉疲劳感知程度。同时，在执行疲劳任务过程中，采集受试者前臂指屈肌的sEMG信号。
本实验的具体实验步骤如下。第1步，进行MVC测试，受试者右侧上臂肘关节靠在座椅扶手上，右手握住握力计拉杆。测量MVC水平，重复3次，每次间隔5s，以3次MVC平均值作为受试者的最大握力，用于计算35%MVC和15%MVC握力水平。受试者休息10min后进行第2步实验，完成以35%MVC握力水平的诱发肌肉疲劳实验（Baseline测试）。第3步，进行HD-tDCS/Sham刺激。对于HD-tDCS来说，在静息状态下，对受试者左侧大脑半球的初级运动皮质区实施2mA、20min的阳极HD-tDCS；对于Sham来说，在静息状态下，对受试者实施假刺激（具体参数见HD-tDCS实施方案）。测试后，询问受试者HD-tDCS刺激后的不良反应，包括瘙痒、灼热、刺痛感等，以评估安全性问题。干预完成后，受试者进行再第2步中的35%MVC疲劳任务及相关测量。
1）肌肉疲劳时间。在本研究中，电子握力计的采样频率设置为50Hz。肌肉疲劳时间为从肌肉收缩开始到肌肉疲劳结束之间的时长。
2）肌电数据采集与分析。选取右侧前臂的指屈肌作为测试肌肉，肌电数据的采样频率设置为2000Hz，带通滤波范围为0.5~500Hz。2个记录电极粘贴在指屈肌做MVC时产生的最大肌腹隆起处，2个电极之间的距离为2cm，且其连线方向与指屈肌肌纤维的走形方向平行，具体位置为距离肘关节远端3~5cm，靠近尺骨内侧1~2cm远处。
对采集的sEMG信号进行滤波处理。为了去除动作伪迹的干扰，将原始的sEMG信号进行5Hz的高通滤波处理，然后将滤波后的sEMG信号进行全波整流，最后，计算sEMG信号幅值均方根振幅（root mean Ssquare，RMS）和瞬时频率（instantaneous mean frequency，IMNF）。
为了进一步统计肌肉疲劳前后sEMG特征的差异，本研究将整个疲劳过程按照运动时间百分比分为4个阶段（Block1、Block2、Block3、Block4），分别各占总数据长度的25%。将阶段1（Block1）和阶段4（Block4）内的RMS、IMNF平均值分别进行组间的对比分析。
将实验第一步MVC测试中，指屈肌的最大肌电幅值作为基准值，对肌电进行RMS幅值标准化处理，即所有的肌电幅值表示为RMS（%）。
使用SPSS 19.0和GraphPad Prism 9.1软件对数据进行统计学分析以及绘图。对不同分组受试者的疲劳时间，采用单因素重复测量方差分析。自变量为分组：Baseline、HD-tDCS以及Sham。因变量为肌肉疲劳时间（fatigue time），采用Turkey法进行两组之间的多重比较，报告校正后的P值。对不同分组疲劳前后RPE的比较，采用非参数秩和检验（Friedman检验）。自变量为Baseline、HD-tDCS、Sham，因变量为RPE，事后比较采用Dunns检验。另外，本研究报告了效应量，对于方差分析来说，效应量为，对于组间两组比较来说，效应量为Cohens d值。本研究显著性水平为α=0.05。
本研究中，所有受试者均完成测试。总体而言，受试者对电刺激耐受性良好，没有报告严重的不良反应，只有头皮瘙痒或刺痛感情况，基本发生在电流上升期和下降期。另外，受试者没有分辨出接受的是HD-tDCS还是Sham。刺激后，受试者没有副作用报告。
研究结果如图3所示，受试者在不同刺激条件下，执行疲劳运动任务时的肌肉疲劳时间不同，3组之间的差异具有统计学意义。多重比较结果显示，HD-tDCS组显著高于Baseline组（P=0.002，d=1.04），HD-tDCS组显著高于Sham组（P=0.014，d=0.63。