在本文中,我们解释了如何同时进行经颅交流电刺激和脑电图实验。
在本文中,我们解释了如何同时进行经颅交流电刺激和脑电图实验。
振荡的大脑活动被认为反映了跨大脑网络传递功效的节奏变化的基础,并被假定为整合认知神经过程。经颅交流电刺激 (tACS) 有望阐明振荡大脑活动的特定频率与认知过程之间的因果关系。在 tACS 期间同时进行脑电图 (EEG) 记录将提供直接探索 tACS 的直接神经生理学影响的机会。然而,在 tACS 期间测量 EEG 信号并非易事,因为 tACS 会在 EEG 数据中产生巨大的伪影。在这里,我们解释了如何设置并发 tACS-EEG 实验。强调了在应用 tACS 时成功记录 EEG 的两个必要考虑因素。首先,通过泄漏的 EEG 凝胶桥接 tACS 和 EEG 电极会立即使 EEG 放大器饱和。为避免通过凝胶桥接,EEG 凝胶的粘度是最重要的参数。EEG 凝胶必须是粘性的以避免桥接,但同时有足够的流动性在 tACS 电极和头皮之间产生接触。其次,由于 tACS 伪像的振幅较大,因此考虑使用带有高分辨率模数 (A/D) 转换器的 EEG 系统非常重要。特别是,当施加 1 mA tACS 时,在刺激电极附近 tACS 伪像的幅度可以超过 100 mV。A/D 转换器的分辨率对于从刺激部位附近测量高质量的 EEG 数据非常重要。通过遵循这些程序和技术注意事项的指南,将实现 tACS 期间成功的并发脑电图记录。
外的电流在脑的节奏动力学已经观察到了一个世纪1,2。虽然大部分时间被认为是在数据非特异性噪声,今天它们被广泛认为是在大脑3,4,5,6,7,8,9起到信息处理的主要作用。我们的振荡大脑活动和认知过程的特定频率之间的因果关系的理解,通过各种干预措施的发展拥有先进在过去十年中的方法直接调制振荡活动8,10。颅交流电刺激(TACS)就是这样的一个有希望的方法来调制节律活动在脑中10。 TACS是一种非侵入性脑刺激方法,它适用于弱交替(正弦)电流从头皮并调制大脑皮层的兴奋性中的频率特异性方式11,图12,</ SUP> 13,14,15。虽然是一个有希望的技术为研究大脑中的节律活动的作用,TACS的神经生理机制仍然难以捉摸。一些研究报告TACS对高阶认知过程23,24,25,26,27,28上感知11,13,16,17,18效果和运动功能19,20,21,22,以及效果。神经生理学的证据刺激后夹带脑振荡已经提出使用脑电图13,14,15。目前在人类中用于TACS的效果神经生理学证据刺激12,13,22中报道很少。由于大脑对外界扰动非常强劲,如网上证据对于理解总可捕量的直接神经生理的影响至关重要。
ELECtroencephalography(脑电图),捕捉电生理活动在脑中具有高时间分辨率,是用于研究内源性和夹带的振荡神经活动的理想选择。通过赫尔弗里希和最近的研究同事报道TACS在线神经生理的影响,但在同一时间在TACS测量EEG已经证明困难的,因为突出的TACS神器12,13。对于成功并发TACS脑电图实验,记录良好的品质脑电数据是一个重要方面,这是当前文章的重点,并在同一时间的预处理方法来去除TACS神器也至关重要。在我们的实验室,我们一直在开发我们自己的预处理流水线,允许从脑电数据29去除TACS神器。在这里,我们将介绍如何成功地从刺激的区域,技术因素对成功记录重要记录的EEG信号。
伦理声明:涉及人类受试者的程序批准了伯尔尼州的伦理委员会(KEK-BE 007/14)。
注意: 图1示出蒙太奇,以及TACS电极的设计(也见讨论),和EEG帽。我们使用EEG帽的弹性材料制成(图1D),以保持附着在头皮上的TACS电极。
1.蒙太奇
注意:代表性的结果是从以下TACS电极蒙太奇获得。
2.准备TACS电极的
3.安装脑电帽
4.制备脑电极的
例子示从两个不同的记录( 图5)得到的不成功和成功并发TACS脑电图测量。两个TACS电极放置在头皮上(F3和P3电极)和TACS的强度为0.9 mA的(峰到峰)。在第一个例子中,F3脑电图电极桥接通过凝胶额叶TACS电极(注意,提到"架桥"在整个下面的讨论时,我们表示由脑电图凝胶的直接连接的形成创造TACS和脑电图之间的接触电极)。立即桥接饱和TACS在F3通道和脑电图信号不能被记录( 图5A)。在第二个例子中,EEG信号被成功地记录,同时施加TACS(图5B)。
为了评估TACS工件的幅度的空间分布,所述在TACS神器幅度从三个科目获得成功的录制过程中进行了计算。 TACS施加到要么DLPFC(F3电极)或PPC(P3电极)。 TACS的强度为0.9 mA的(峰-峰)。它被观察到,TACS工件的峰-峰值幅度呈负与EEG和TACS电极之间的距离的相关性( 图6A 和 6B)。此外,相对于TACS电极脑电图参考电极的位置也影响了TACS工件横跨脑电图通道幅度的空间分布(图6A 和 6B)。在TACS工件的幅度从10毫伏的范围内,在EEG电极从刺激部位更远,而幅度可达100毫伏在在TACS电极中间脑电图电极。在的附近TACS的电流强度和工件的大小之间的关系TACS电极还检查(图7)。它表现出的线性关系和饱和记录的电压范围时TACS电流强度超过1.6毫安。

图1.蒙太奇的。(A)蒙太奇放在头皮(F3和P3)二TACS电极。 (二)蒙太奇一个TACS电极放在头皮(F3)和一个参考TACS电极置于患侧肩部。 (C)的蒙太奇与一种TACS电极放置在头皮上(P3)和一个参考TACS电极放置在患侧肩部。 (D)的弹性脑电帽持有盖下的地方头皮TACS电极。 请点击此处查看该图的放大版本。。

图2. 正确应用一个TACS电极下方附加脑电图凝胶。附加脑电图凝胶是TACS电极下被应用到提高连接到头皮的均匀性。附加凝胶应在头发和头皮上(蓝色箭头)间应用,而不是TACS电极和头发之间,以提高接触。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3. 提高EEG电极的对头皮的连接。(A)的应用脑电图凝胶用注射器将EEG电极。使用t针的IP来刷掉头发脑电图电极的下方,然后小心地插入和打倒针直到针的尖端接触头皮。应用凝胶而把针头从,创建头皮脑电图电极之间的连接。 (B)使用木棒(例如,棉签或类似的木柄),以进一步改善EEG电极和头皮之间的接触。向下推凝胶对头皮的棒,而且非常轻轻揉搓头皮与杆的顶部有旋转运动。尽量保持棒的角度垂直于头皮设在TACS电极的紧挨电极,坚持下去的侧向运动将电极伸长的凝胶。如果需要的话,采用一些更脑电图凝胶,然后用木棒,进一步提高阻抗。对于地处TACS电极的紧挨电极同样重要的是要谨慎采用更胶FOř提高接触的目的。而尝试改善接触尽可能使用木棒。最后,一旦良好的阻抗已经实现了与木棒,添加一些额外的凝胶稳定脑电图电极和头皮之间的接触。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 泄露脑电图凝胶创建TACS和脑电图电极之间的直接接触,4例。脑电图泄漏凝胶,它创建了TACS和脑电图电极之间的直接接触,观察。在TACS和EEG电极之间的桥接如这可以创建例如,通过在TACS电极附近的TACS电极或脑电图电极下加入脑电图凝胶的过量,或者通过移动电极的TACS。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5. TACS饱和经由凝胶弥合脑电放大器。从两个不同的录音,参考氯丙嗪,原始数据蒙太奇放置在DLPFC(F3电极)和PCC(P3电极)头皮TACS电极中。 (A)的记录,在电极F3的信号由于经由F3脑电图电极和TACS电极之间泄漏脑电图凝胶桥接饱和。 (B)的信号成功地记录所有电极。该TACS神器在F3电极的幅度超过50毫伏。 请点击这里查看一个更大的版本这个数字。

图6.跨脑电图渠道TACS器物的大小,对TACS文物峰-峰值幅度,在三个科目(MV)的平均值。该数据是原始数据,参考氯丙嗪。 (A)中的TACS工件与一种头皮TACS电极放置在左侧DLPFC(F3电极)和其它TACS电极放置在左肩(蒙太奇2, 图1B)的蒙太奇中的大小。 (B)中的TACS工件与一种TACS电极放置在左侧的PPC(P3电极)和其它TACS电极蒙太奇放置在左肩期间的幅度(蒙太奇3, 图1C)。 ( 三)脑电图通道的位置。红色:通道下的刺激部位,蓝色:通道的刺激部位紧挨参(粗黑):参比电极(氯丙嗪)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图7. TACS工件的大小线性相关与刺激的强度。的TACS工件(毫伏)的峰-峰值幅度从在频道F3一个从属。的0.5至2 mA强度在步骤0.1毫安施加。该数据是原始数据,参考氯丙嗪。蒙太奇与头皮TACS电极放置在左侧DLPFC(F3电极)和其它TACS电极放置在左肩(蒙太奇2, 图1B)。该数据显示了刺激强度施加和TACS工件幅度之间的完美的线性关系,在0.5至1.6毫安强度范围。电压分辨率设置为150毫伏,但ACTUA升最大收购范围为161.6毫伏超过该信号饱和。虚线标记的电压的最大范围。随着1.7 mA和更高的,当产生神器幅度均超过161.6 mV的刺激强度,在F3通道饱和。 请点击此处查看该图的放大版本。
该步骤设置并发TACS脑电图实验说明。我们现在来讨论考虑了TACS-脑电图记录,其中前两个因素是成功并发TACS,脑电图记录重要的设置。
避免TACS脑电图电极通过凝胶桥
这是至关重要的,以避免通过泄漏脑电图凝胶EEG和TACS电极之间桥接,紧接桥接饱和脑电图放大器的各自的信道。由于这个原因,脑电图凝胶的粘度是成功TACS脑电图记录一个重要的参数。切勿使用液体脑电图凝胶,作为一种流体脑电图凝胶风险从TACS电极和桥梁与相邻的脑电图电极逃逸出来。同时,非常粘稠的脑电图凝胶具有在穿透头发和润滑皮肤,以减少阻抗是不利的。对于在TACS电极附近的脑电图电极,一个更具粘性凝胶bË使用,可以使用一个木棍,以降低阻抗。对于TACS和剩余脑电图电极,用略带粘性较低(但仍不能液)脑电图凝胶。这种类型的凝胶需要较少的努力来降低阻抗。因为难以在TACS电极下刮掉,最好是在这里使用稍微少粘性凝胶。
与TACS神器幅度处理
第二个问题是处理TACS神器的大幅度,从10毫伏的脑电图电极的刺激的区域较远,超过100毫伏的刺激0.9毫安当前刺激强度在现场( 图6) 图7示出刺激强度之间的线性关系(0.5至2.0 mA的峰-峰值)和所述假象的刺激(信道F3)站点所得数值。第一个措施是保持两个EEG和TACS电极的低阻抗。不足在TACS电极和头皮之间的接触将产生较大的TACS工件在脑电图数据的幅度,并且除了应用于电子电流将趋向于不均匀。其次,我们需要考虑的脑电系统的A / D转换器的分辨率级别。 24位A / D转换器理论上可以覆盖一定范围的1.68 V配合0.1μV/位的分辨率。相比之下,16位A / D转换器和一个0.1μV/位分辨率将涵盖6.5 mV的电压范围-过低覆盖TACS神器( 图6)的范围内。因此,电压记录分辨率需要降低。为了掩饰高达100毫伏工件幅度在刺激部位用16比特系统中,电压记录分辨率理论上需要以上1.53μV/比特被降低到。事实上最近并发TACS脑电图研究具有16位系统不能记录来自刺激位点附近的EEG信号由于AMPL的饱和 ifier即使当分辨率降低到0.5μV/位12,13。
注意事项减少电极阻抗
究其原因,首先开始工作在位于TACS电极中间或附近的脑电图电极的阻抗,是这些脑电图电极需要一定的耐心,细致的工作,以避免桥接。通过启动与这些电极,有时间要等到应用凝胶已经有一些时间来润滑头皮,才考虑采用更脑电图凝胶,如果必要的。附加凝胶应的TACS电极下应用,一旦它已经被放置在头皮上,特别是如果参与者都有很多头发。其原因不仅是减少阻抗 - 好的阻抗,可以实现没有这种步骤 - 但实现与头皮整个TACS电极的表面均匀的连接。
设计与蒙太奇的考虑
ntent"> 图1示出的TACS电极的蒙太奇。头皮TACS电极/电极的环状设计和矩形肩TACS电极被描绘。头皮TACS电极的形状允许脑电图电极被放置在受刺激区域的中间。的甜甜圈形设计的一个优点是,它允许从刺激区域中记录的信号。其次,它也可以很容易地保持TACS电极的位置不变。根据刺激的部位,在TACS电极的其他的形状会更适合。从网站的脑电图电极之间进行录制时,矩形TACS电极形状更适合。应当提醒,TACS电极的形状和位置是不一样的实际受到刺激的区域,但也可以稍微错开31。当决定TACS电极的电流f的位置,建模低估计电极的最佳位置用于靶向感兴趣区域总是强烈建议。
目前的设置是适合于有节奏的活动,在大型网络中的调制。多个协调刺激可以在几个方面13,32,33,34来实现。首先,降低了TACS电极的大小。 Nitsche和他的同事已经表明,一个3.5厘米2电极可调节运动皮层的兴奋性与TDCS 32。第二种方法是利用高清晰度配置13,33,34,其中一个激励电极由四个参考电极包围。高清晰度结构的另一优点是,EEG电极的密度可以增加,因为传统的橡胶电极限制的空间放置EEG电极和64 EEG电极未在当前的设置来实现是可行的。虽然日对于更高的空间特异性ESE的修改需要不同的设置过程,这里所描述的技术方面的考虑仍然适用。
在这个协议中,我们按照国际:10-20系统脑电图电极定位30放置TACS电极。刺激位置的Whileindividual优化将是替代方案中,不同的刺激位置,当在实验中个体间,作为刺激部位相对于所述脑电图记录点改变它可能构成一个问题进行比较。最近展示了结合使用脑磁图(MEG)和TACS的,由Neuling和他的同事35,可能会解决这个问题,TACS神器相关的问题,如空间滤波方法与MEG波束成形允许估计独立的一个TACS网站的大脑活动。
关于蒙太奇,二单极蒙太奇这里描述, 即与extracephali参考电极(图1B和1C),和一个单极蒙太奇, 即,与位于头皮(图1A)两个电极的Ç位置(见电极蒙太奇的进一步分类由纳塞等人36)。另外用单极蒙太奇的优点是避免不感兴趣的研究额外头侧刺激。当选择一个单极蒙太奇主要关注的是电流流动虽然皮质下结构,包括脑干,与调制重要脑干功能的潜在风险。参考电极的两个extracephalic和同侧肩安置已证实不调节脑干功能TDCS 37,38为1mA强度(例如,心脏心率变异性,呼吸速率和血压)。作为一个单极蒙太奇可以具有取决于实验设计明显的优点,有必要为全面测试期间更高的刺激强度和不同单极蒙太奇上重要脑干功能的影响,以及用于比较TDCS和TACS之间的影响力。
需要注意的是高清晰度的配置是用于避免不感兴趣额外头侧刺激双极蒙太奇的问题的另一个解决方案。与由四个参考电极包围一个激励电极的高清晰度的配置导致了四个周围电极下在中心电极和低电流密度下的高电流密度。作为刺激的效果取决于电流的密度,这意味着对于高清晰度的配置中心电极下的单向调制,而相比之下,两个电极结构39的双向调制。
视觉闪烁感知诱发TACS是放置TA时,一个关键的限制因素的刺激强度在额叶CS电极,因视网膜刺激总可捕量。特别是TACS在测试波段频率引起的视觉闪烁,即使在TACS 11的低强度。在我们的经验0.9毫安(峰 - 峰)刺激过DLPFC(F3电极)6赫兹是一个合适的强度电平,以尽量减少视觉闪烁的感觉。
根据实验的设计中,可能有必要,以控制与外部设备的刺激器(如果该功能是用于所使用的刺激物)。我们使用的波形的模拟输出板,以控制刺激器和发送触发器脑电图放大器(见进一步硬件和软件规范在材料表)。万一,这里使用(见表材料 )的刺激器的,电流输出用遥控器的噪声电平比与嵌入式刺激器接口更高。因此可以选择远程控制的刺激器应选择仅当需要通过实验设计。
脑电图通道故障排除饱和
我们已经表明,通过在饱和脑电图放大器的各自的信道泄漏脑电图凝胶结果TACS和EEG电极之间的桥接,并从这些电极(图5A)排除了记录数据。还有其它原因脑电图通道的饱和度。一个原因可能是该放大器的增益是太窄,且电压记录分辨率还未相应调整。在这种情况下,电压记录分辨率需要降低以覆盖TACS工件的幅度的范围内。另一个原因是,在记录部位过于接近的刺激部位。在这种情况下,即使是非常粗糙的电压记录分辨率可能仍然不能覆盖工件的范围。记录应位于进一步远离刺激位置。
目前的职业母育全面描绘了设置和技术方面的考虑并发TACS脑电图实验。使用方法的过程中TACS删除TACS神器和协议好品质录音,TACS将真正成为一个有前途的方法,进一步方便了我们的大脑活动,有节奏的动态变化的最突出的特点的理解。
作者没有经济利益需要披露。
本项目得到了日本科学技术振兴机构 (JST) PRESTO 计划的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| tACS 刺激器: Eldith DC-Stimulator plus | NeuroConn GmbH,德国 | 对于远程输入,请务必订购启用此功能的型号 | |
| 模拟发送触发器输出板: 静态和波形模拟输出板,型号 NI PCI-6723 | National Instruments,美国 | 13 位,32 通道。 | |
| Matlab 和数据采集工具箱 | The MathWorks, Inc., 美国 | MATLAB 的"数据采集工具箱"提供了控制数据采集硬件的功能,例如由多家制造商生产的模拟输出板。 | |
| EEG 系统:eegosports,带有 32 通道护波脑电图帽 | ANT neuro,荷兰 | ||
| tACS 电极 | NeuroConn GmbH,德国 | 305090-05 305050 | 材料:导电橡胶电极. 头皮电极尺寸: 外侧 Ø: 60 mm, 内侧 Ø:25 毫米 (零件# 305090-05) 从原始尺寸切割 Ø75mm 肩电极尺寸: 50 x 50 mm(部件# 305050) |
| EEG gel | Inselspital, Bern, Switzerland | 电极糊,含有研磨剂(即 pumice),可擦洗皮肤,改善电极与皮肤的接触。 | |
| <强>用于脑电图和心电图的磨料皮肤准备凝胶:Nuprep | Weaver and Company,美国< | ||
| 强>棉签,木柄 | Salzmann MEDICO,瑞士 | 尺寸: 150 x 1.5 毫米;木柄 Ø 2.2 毫米 | |
| <强>胶带: Leukofix | BNS medical GmbH, 德国 | 年 107 月 4 |
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