建立同步经颅交流电刺激与脑电图记录人类脑活动的方法

摘要

来源：Fehér, K. D. et. al., 经颅交流电刺激（tACS）期间同步进行脑电图记录。J. Vis. Exp. (2016)

本视频演示了同步经颅交流电刺激（tACS）与脑电图（EEG）实验的设置方法，可在记录脑部活动的同时向大脑传递节律性电信号。该操作流程可确保电极隔离，防止凝胶串扰，从而实现精确刺激并获得清晰的EEG信号。

方案

所有涉及人类参与者的操作均按照机构、国家和国际的人类福利指南进行，并已通过当地机构审查委员会的审核。

注意： 图1 展示了经颅交流电刺激（tACS）电极和脑电图（EEG）帽的布局设计。我们使用一个弹性的EEG帽（图1D）来固定连接在头皮上的tACS电极。

1. 蒙太奇

注意： 代表性结果来自以下 tACS 电极蒙太奇。

1. 蒙太奇1：将两个电极均放置于头皮上，分别位于左侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）（F3电极）和左侧后顶叶皮层（PPC）（P3电极）（图1A）。
2. 蒙太奇2：将一个经颅交流电刺激（tACS）电极放置于头皮左侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）（F3电极），另一个tACS电极放置于左侧肩部（图1B）。
3. 蒙太奇3：将一个经颅交流电刺激（tACS）电极放置于头皮左侧后顶叶皮层（PPC）（P3电极），另一个tACS电极放置于左侧肩部（图1C）。

2. 经颅交流电刺激电极的制备

1. 如果将参考 tACS 电极放置在肩部（Montage 2 和 3），请先执行此步骤。
   1. 在放置肩部电极前，使用用于脑电图（EEG）和心电图的研磨性皮肤准备凝胶对皮肤进行预处理。用纱布垫蘸取凝胶轻轻擦拭皮肤。
   2. 在 tACS 电极上涂抹 EEG 凝胶，并将电极放置于肩部。
   3. 用医用胶带将电极固定在肩部。
2. 戴上 EEG 帽。根据国际 10-20 电极定位系统调整 EEG 帽的位置，并系紧下巴带。
3. 在头皮上标记出 tACS 电极将要放置的位置。使用水性红色记号笔，原因有二：一是该笔的着色材料可减少绝缘效应，二是其标记可用水轻松洗去。
4. 如果由于 EEG 帽上用于注入凝胶的孔过小，导致记号笔无法触及头皮进行标记（图 1D），可使用木棒（如棉签的木质手柄）辅助。
   1. 将木棒尖端充分蘸上墨水，用该尖端在头皮上做标记。
   2. 取下 EEG 帽，检查标记是否成功。如有需要，补全标记，以便后续易于识别。
5. 根据受试者头发长度执行以下步骤（2.5.1–2.5.4）。如果受试者头发较短（约 10 厘米以内），可跳过以下步骤（需注意某些发型，如脏辫，会使 tACS 电极无法应用）。如果受试者头发较长：
   1. 将中心带有红色标记的 tACS 电极放置在头皮上。注意此时不要在 tACS 电极上涂抹 EEG 凝胶。
   2. 将位于 tACS 电极内环内的所有头发穿出。
   3. 使用扎带将穿出的头发捆扎固定。注意确保 tACS 电极周围的头发未被扎带与电极绑在一起。
   4. 完成头发捆扎后，取下 tACS 电极。
6. 在 tACS 电极对应的头皮区域涂抹 EEG 凝胶。
   1. 在涂抹凝胶前，先将头皮和肩部的 tACS 电极连接至刺激器，但暂不开启刺激器。在 tACS 电极上涂抹一层薄薄的 EEG 凝胶，凝胶用量宜少不宜多。
   2. 小心地将 tACS 电极重新放回头部。
      1. 若受试者头发较长，将已捆扎的头发从 tACS 电极的内孔重新穿回，注意避免头发接触电极上的 EEG 凝胶。
      2. 放置 tACS 电极时，需密切注意确保头皮上的红色标记始终位于电极中心。一旦 tACS 电极放置到位，其位置不得再变动。
      3. tACS 电极放置完成后，移除头发上的扎带。
   3. 开启刺激器并监测阻抗。在对 tACS 电极施加轻微压力的同时，密切注意确保红色标记点始终位于电极中央。
   4. 小心抬起 tACS 电极的边缘，在头发下方补充少量 EEG 凝胶，切勿将凝胶涂在 tACS 电极与头发之间（图 2）。若受试者头发较多，此步骤尤为重要（参见讨论部分）。
   5. 持续对 tACS 电极施加压力，直至阻抗稳定低于 10 kΩ。通过 tACS 刺激器监测 tACS 电极的阻抗。必要时可小心补充少量 EEG 凝胶，但始终应保持用量稀少。
      注意： tACS 刺激器所监测的 tACS 电极阻抗是在两个 tACS 电极之间测得的，其缺点是无法分别提供每个电极的独立阻抗值。根据所使用的 EEG 放大器系统，也可能通过该系统分别测量每个 tACS 电极的阻抗。
   6. 注意观察是否有凝胶从 tACS 电极处溢出，并用棉签清除多余的 EEG 凝胶。

3. 安装脑电图帽

1. 当经颅交流电刺激（tACS）电极的阻抗降至10 kΩ阈值以下后，重新佩戴脑电图（EEG）帽。佩戴EEG帽时应非常轻柔且小心，特别是当EEG帽材质具有弹性时，因为否则在此步骤中容易移动头皮上tACS电极的位置。
   注意： tACS电极的位移会扩散电极下方的EEG导电凝胶，并导致凝胶与EEG电极之间发生桥接。切勿用力下拉弹性帽，因为这可能导致其随后反弹，进而引起tACS电极移位。
2. 系紧EEG帽的固定带。

4. 脑电图电极的制备

1. 将适当黏度的脑电图（EEG）导电膏（具体黏度选择详见讨论部分）涂抹于EEG电极上，以建立头皮与EEG电极之间的良好接触。首先处理接地电极和参考电极，然后依次处理靠近经颅交流电刺激（tACS）电极的EEG电极，最后处理其余电极（参见讨论部分）。
2. 对于围绕tACS电极的EEG电极，在注入导电膏时应使针尖朝向远离tACS电极的方向。在注入导电膏的同时轻轻下压EEG电极，防止导电膏从电极下方溢出。
3. 使用木棒增强EEG电极与头皮之间的接触，如图3所示。切勿使用针尖进行此操作，因为针尖会刮伤受试者的头皮，且效果远不如木棒。
   1. 用木棒将导电膏向下压向头皮，并用木棒顶端以旋转动作轻柔地摩擦头皮。对于靠近tACS电极的电极，应尽量保持木棒与头皮垂直，避免侧向移动导致导电膏在电极下扩散。如有需要，可补充少量EEG导电膏，然后继续使用木棒进一步改善阻抗。
4. 为防止导电膏泄漏造成电极间短路（图4），在处理紧邻tACS电极的EEG电极时应谨慎使用导电膏以降低阻抗。应优先尝试仅使用木棒尽可能降低阻抗，再考虑是否添加更多导电膏。
5. 当使用木棒已达到良好阻抗后，小心插入针头并缓慢下压，直至针尖接触头皮。然后在缓慢抽出针头的同时轻柔地注入导电膏，以帮助稳定EEG电极与头皮之间的接触。
6. 为获得最佳数据质量，应使EEG电极的阻抗低于5 kΩ，以减少噪声干扰和信号失真。
7. 当阻抗降至理想水平后，检测由于导电膏泄漏是否在tACS电极与周围EEG电极之间形成短路。
   1. 施加短暂的正弦波刺激，刺激强度为实验所关注的水平（例如，峰峰值1 mA）。
      注意：由于某些系统存在限制（见材料表），无法在线检测是否发生短路，只能通过施加刺激后观察EEG放大器的任一通道是否达到饱和来判断。
   2. 观察在刺激过程中是否有通道出现饱和。
      注意：如代表性结果所示，tACS电极与EEG电极之间因导电膏泄漏形成的短路将导致EEG放大器对应通道饱和，从而使这些电极无法记录有效数据。一旦发生由导电膏泄漏引起的短路，无法补救，唯一选择是中止实验。
8. 再次检查各电极阻抗，确认无误后开始记录数据。

结果

图1. 蒙太奇示意图。（A）在头皮（F3 和 P3）放置两个经颅交流电刺激（tACS）电极的蒙太奇。（B）在头皮（F3）放置一个 tACS 电极，同时在同侧肩部放置一个参考 tACS 电极的蒙太奇。（C）在头皮（P3）放置一个 tACS 电极，同时在同侧肩部...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
经颅交流电刺激（tACS）刺激器：Eldith DC-Stimulator plus	NeuroConn GmbH, Germany		如需远程输入功能，请务必订购支持此功能的型号
用于发送触发信号的模拟输出板：静态和波形模拟输出板，型号 NI PCI-6723	National Instruments, USA		13 位，32 通道
Matlab 及数据采集工具箱	The MathWorks, Inc., USA		MATLAB 提供的“数据采集工具箱”包含用于控制多种厂商生产的模拟输出板等数据采集硬件的函数
脑电图系统：eegosports，配备 32 通道 waveguard 脑电帽	ANT neuro, Netherlands
tACS 电极	NeuroConn GmbH, Germany	305090-05 305050	材料：导电橡胶电极；头皮电极尺寸：外径 Ø：60 mm，内径 Ø：25 mm（部件号 305090-05），由原始尺寸 Ø 75 mm 裁剪而成；肩部电极尺寸：50 × 50 mm（部件号 305050）
脑电凝胶	Inselspital, Bern, Switzerland		电极膏，含有研磨剂（如浮石），可清洁皮肤，改善电极与皮肤之间的接触
用于脑电图和心电图的研磨性皮肤准备凝胶：Nuprep	Weaver and Company, USA
棉签，木质手柄	Salzmann MEDICO, Switzerland		尺寸：150 × 1.5 mm；木质手柄直径 Ø 2.2 mm
粘贴胶带：Leukofix	BNS medical GmbH, Germany	04.107.12