前言
光生物调节（PBM）是一种利用红光到近红外（NIR）光来调节细胞活动的技术。其常用波长在600至1100纳米之间，因其不产热、不造成组织损伤。在线粒体水平，PBM通过细胞色素c氧化酶、肌红蛋白和细胞色素b等光受体吸收光能，引发氧化还原反应异常，导致ATP合成增加、自由基生成以及细胞内的瞬时局部升温。这进而激活信号通路，最终改变细胞功能。在肌肉组织中，PBM与需氧量增加、促进有氧效率和改善力竭测试表现相关，并报道了对肌肉修复的积极作用。在神经组织中，PBM显示出神经保护作用，并能增强健康个体的认知能力。经颅PBM可增加脑血流量和血红蛋白氧合，从而提高代谢活动。
前额叶皮层（PFC）在运动过程中整合认知和情绪信息方面起着核心作用。调节该区域的活动可改变对运动的情感反应，从而提高维持高强度运动的能力。计时赛（TT）作为一种评估耐力表现的常用方法。已有研究表明，针对PFC的干预，如高清经颅直流电刺激（HD-tDCS），可改善运动员的表现。然而，此前尚无研究探讨经颅PBM在计时赛表现中的有效性。鉴于上述证据及目前缺乏在耐力运动中评估经颅PBM有效性的研究，本研究旨在从生理和表现两个角度，评估经颅PBM对训练有素的自行车运动员的潜在急性积极影响，采用恒定负荷（CL）测试和计时赛进行评估。
材料与方法
参与者
本研究共招募20名训练有素的业余公路自行车男性运动员。样本量估算基于既往采用类似方案和结果测量的研究效应量。最终，两名参与者因未遵守测试间隔时间要求而被排除，因此有18名参与者符合研究条件。根据训练年限（6±2年）和竞赛水平，他们可被归类为“训练有素/发展型”运动员。研究方案获得了当地伦理委员会的批准，并遵循了《赫尔辛基宣言》的伦理原则。
实验设计
参与者进行了三次实验室访问。第一次访问时，他们首先进行了骑行乳酸阈值测试，以确定第一（LT1）和第二（LT2）乳酸阈值的功率输出，随后熟悉了将在第二、三次访问中进行的恒定负荷和计时赛测试。在第二次和第三次访问中，采用双盲、平衡顺序设计，参与者接受实验性治疗（PBM）或假刺激（SHAM），干预持续20分钟。干预结束3分钟后，参与者以LT1功率的80%进行10分钟热身。热身结束3分钟后，他们在LT1功率基础上增加5%的负荷下进行15分钟恒定负荷（CL）测试。随后，在自行车上静坐休息3分钟，接着进行模拟25分钟计时赛（TT）。所有骑行测试均在参与者自己的自行车车架上进行，自行车安装在测力计上。每位受试者在最多两周内完成所有测试环节。测试在每天同一时间（±2小时）进行。参与者被要求在测试日保持相同饮食，并避免摄入咖啡因，以尽量减少外部因素对试验的影响。
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乳酸阈值测试
测试方案为间歇性递增负荷测试。以10分钟热身开始，强度在120-150瓦之间，具体取决于运动员体重和预估的功能阈值功率（FTP）。测试主体部分由4分钟的工作阶段和1分钟的主动恢复间歇交替组成。初始负荷根据每位运动员预估的FTP个体化设定，后续每阶段功率增加30瓦。当血乳酸浓度超过4 mmol/L时终止测试。LT1和LT2基于固定的血乳酸阈值确定，分别对应于2.0 mmol/L和4.0 mmol/L的乳酸堆积起点（OBLA）。
恒定负荷与计时赛
恒定负荷测试要求参与者在LT1功率输出基础上增加5%（246.67 ± 32.18瓦）的强度下骑行15分钟，踏频自由选择。静坐休息3分钟后，他们进行模拟25分钟计时赛，目标是维持可持续的最大平均功率输出。计时赛开始时使用标准虚拟档位，之后参与者可自由换档。计时赛期间提供的唯一反馈是已用时间。允许参与者自由饮水，但不提供口头鼓励。在恒定负荷和计时赛期间，测力计记录功率输出。为便于数据分析，将这些参数按5分钟分段进行平均。参与者在整个方案结束前对其表现和生理数据不知情。
生理与感知测量
在第二次和第三次访问期间，在恒定负荷和计时赛过程中，每5分钟测量一次心率（HR）和主观疲劳感（RPE）。心率通过胸带记录每个时间点前30秒的平均值。RPE使用博格6-20量表进行测量。在恒定负荷测试期间，每5分钟从耳垂采集血样测定血乳酸（La-）。
经颅PBM程序
经颅PBM使用Neuro Gamma 3设备进行，持续20分钟。该设备包含4个发光二极管（LED），每个发射近红外光（810纳米），脉冲频率为40赫兹，光束斑点为1平方厘米：其中三个的辐照度为100毫瓦/平方厘米，第四个为75毫瓦/平方厘米。此外，设备还包括一个鼻内探头，其中一个LED发射脉冲近红外光，辐照度为25毫瓦/平方厘米，进入右鼻腔。该设备配置旨在靶向前额叶皮层（PFC），此前已用于多项经颅PBM研究。在假刺激条件下，设备的放置位置相同，但刺激不激活。所有参与者对PBM耐受良好，在疗程期间或之后均未报告副作用。
统计分析
所有数据均以均值（标准差）表示。使用夏皮罗-威尔克检验和莫奇利检验分别检查正态性和球形假设。所有数据均呈正态分布，当不满足球形假设时使用格林豪斯-盖塞尔校正。使用配对t检验比较整个测试期间计算出的恒定负荷测试的心率总体均值，以及计时赛的功率和心率总体均值。使用双向重复测量方差分析（RM-ANOVA）分析恒定负荷测试期间的La-、HR、RPE、功率/RPE和功率/HR；以及计时赛期间的功率、HR、RPE、功率/RPE和功率/HR。RM-ANOVA的效应量以偏η2（η2p）报告。对于所有分析，p值小于0.05被视为具有统计学显著性。
结果
参与者
自行车运动员的描述性特征和乳酸阈值测试结果如表1所示。
恒定负荷测试
总体平均心率在PBM条件为147.06 ± 11.59 bpm，SHAM条件为147.33 ± 11.60 bpm，两组间无差异。心率在两种条件下均随时间推移而逐渐增加，证实了持续努力下典型的生理性上升。未观察到条件的主效应或条件×时间的交互作用。
血乳酸浓度在整个恒定负荷测试中逐渐上升，与中等稳态负荷一致，PBM与SHAM之间无显著差异，也无条件×时间的交互作用。
RPE随时间推移系统性增加，反映了心率和La-反应，但条件间无差异，也无条件×时间的交互作用。
功率/HR比值存在显著的时间主效应，但无条件主效应，也无条件×时间的交互作用。
功率/RPE比值存在显著的时间主效应，但无条件主效应，也无条件×时间的交互作用。
计时赛表现
计时赛期间总体平均功率在PBM条件为283.22 ± 41.27瓦，SHAM条件为287.06 ± 41.34瓦，两组间无显著差异。功率输出随时间推移显著下降，但无条件效应或交互作用。
总体平均心率在PBM条件为165.89 ± 10.36 bpm，SHAM条件为167.17 ± 10.12 bpm，无显著差异。
对于心率，存在显著的时间主效应，但无条件效应，也无条件×时间的交互作用。
RPE遵循类似模式，不因条件而异，也无条件×时间的交互作用。
对于功率/HR比值，存在显著的时间主效应，但无条件主效应，也无条件×时间的交互作用。
对于功率/RPE比值，存在显著的时间主效应，但无条件主效应，也无条件×时间的交互作用。
总体而言，恒定负荷和计时赛均产生了一致的生理反应，但PBM并未改变表现、心血管负荷或感知努力。
讨论
本研究评估了经颅PBM对训练有素自行车运动员耐力表现的急性效应。据我们所知，这是首次研究这种特定脑刺激模式对身体表现的影响。结果显示，在亚最大恒定负荷或自定步调计时赛中，平均功率输出、心率、RPE、功率/HR比或功率/RPE比均无显著改善。仅在变量中观察到显著的时间效应，证实了持续骑行中预期的生理性漂移，但未发现PBM的影响。对图形的目视检查进一步证实，PBM和SHAM的轨迹几乎重合，支持了统计结果。
总之，这些发现表明，如本研究所实施的急性经颅PBM应用，在自定步调计时赛或亚最大恒定负荷测试期间，并未引起表现、心血管反应、感知努力或效率相关指标的显著变化。先前使用HD-tDCS的研究报告了计时赛表现的改善以及内外负荷之间更有利的关系，这可能源于所用技术（通过电流直接调节皮层兴奋性），而PBM依赖于光能，其穿过头皮和颅骨的渗透有限。
前额叶皮层是运动过程中整合认知、情感和内感受信号的中枢枢纽。其激活支持注意力调节、抑制控制、配速决策以及对努力和疲劳的感知。增强的前额叶皮层参与与改善的耐力表现相关，例如有研究显示精英跑步者在5公里计时赛早期阶段前额叶氧合增加，以及在静态肌肉耐力任务中，自我调节策略调节了前额叶皮层氧合。这些发现强调了前额叶皮层不仅在整合运动过程中的生理和心理信号方面至关重要，而且个体认知调节努力的方式可以直接影响前额叶皮层激活，进而可能影响表现结果。支持这一观点的是，近期针对健康成人前额叶皮层使用HD-tDCS的研究检查了其对运动期间心理生理反应和脑氧合的影响。尽管理论预期阳极HD-tDCS可通过调节前额叶网络来减少感知努力，但一项研究报告与假刺激相比，脑氧合或心理生理变量无显著变化。这些发现突显了单次前额叶神经调节可能无法可靠地转化为可测量的脑血流动力学或耐力表现变化，特别是在基线前额叶皮层激活水平已经较高的人群中，例如耐力训练运动员。
本研究所用的Vielight设备参数可能导致到达皮层的辐照度水平不足以在前额叶皮层内诱导可测量的神经调节。报告PBM后脑氧合急性增加的研究通常采用比本研究更高辐照度或更长波长的光，这可能解释了结果的分歧。我们的发现与Khoury等人的研究结果一致，他们发现单次PBM后脑激活无差异。总体而言，证据表明急性PBM可能需要更高的剂量或重复暴露才能诱导可测量的皮层或表现效应。
最后，外周PBM应用通过增强线粒体ATP产生和减少氧化应激，持续改善了肌肉生物能量学。然而，经颅PBM可能不会对肌肉代谢产生此类直接影响。我们数据中心率、乳酸和感知努力缺乏变化，支持了刺激未显著改变皮层对配速或中枢疲劳的调节这一观点。
本研究的主要局限性在于缺乏并发的神经影像学（如功能性近红外光谱或脑电图）来确认皮层参与。此类测量可以阐明刺激是否到达了前额叶皮层，以及零行为学结果反映的是渗透不足还是确实无效。此外，仅评估了急性反应；慢性的PBM方案可能引发单次暴露后观察不到的累积性神经可塑性或血流动力学适应。
另一个重要的局限性是缺乏对执行功能、决策、配速策略或运动期间感知反应的直接测量。尽管理论依据将前额叶皮层调节与这些高阶过程联系起来，但未纳入行为或认知评估（例如，斯特鲁普测试等抑制控制任务）来确定经颅PBM是否影响了超越整体表现结果的执行控制机制。总之，尽管有理论依据将前额叶皮层氧合与耐力调节联系起来，但急性经颅PBM未能改善自行车运动员的骑行表现或生理反应。这些数据强调，在就其增能潜力得出明确结论之前，需要精炼PBM方案、通过神经影像学进行机制验证，并探索慢性刺激效应。
