经颅交流电刺激与脑电图的联合应用

摘要

本方案建立了一种将高分辨率经颅交流电刺激（HD-tACS）与脑电图（EEG）相结合的实用方法，以研究在认知任务期间刺激对神经振荡的影响，并以工作记忆中的θ频段刺激为例进行说明。

摘要

神经振荡在多种认知过程中起着关键作用，包括工作记忆、注意力和感知。经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation, tACS）作为一种非侵入性工具，可用于探究脑振荡与认知功能之间的因果关系。通过靶向特定频率，tACS能够调节振荡活动，从而揭示神经节律在认知表现中的作用。为了理解tACS对振荡动态和认知过程的影响，必须将脑电图（EEG）等生理测量与行为数据相结合。高分辨率tACS（HD-tACS）提高了刺激的空间精度，能够更精确地靶向特定皮层区域。本实验方案描述了一种结合HD-tACS与EEG的方法，用于评估左侧顶叶皮层theta频段（4 Hz）振荡的变化。在2-back工作记忆任务期间，于刺激前后进行EEG记录，以分析theta活动。该方法为探索认知调控背后的神经机制提供了有力工具。 关键词：神经振荡，经颅交流电刺激，高分辨率tACS，脑电图，theta振荡，工作记忆，左侧顶叶皮层，认知功能 通过 节律性脑刺激

引言

经颅交流电刺激（tACS）是一种非侵入性神经调控方法，可通过特定频率或频率组合向大脑输送微弱的正弦电流传导^1,2。作为经颅电刺激（tES）这一更广泛类别中的一种技术，tACS 与经颅直流电刺激（tDCS）、经颅随机噪声刺激（tRNS）和经颅脉冲电流刺激（tPCS）同属一类³，其显著特点在于能够调节大脑内源性节律。与其他 tES 模式不同，tACS 可与正在进行的神经振荡同步，通过在目标频率上对神经振荡进行锁相，从而增强或恢复认知功能^1,4,5,6。此外，tACS 被认为是治疗多种精神疾病的一种潜在疗法，例如可改善阿尔茨海默病患者的记忆表现⁷，并缓解抑郁症状⁸。

尽管传统的基于电极垫的经颅交流电刺激（tACS）已显示出其应用潜力，但其相对较广的电流分布可能限制精确靶向⁹。高分辨....

方案

该方案已获西南大学机构审查委员会批准，并依照机构指南进行。本方案演示所用数据来自一名健康的成年参与者（年龄 = 25 岁，女性），以说明方案的操作流程。参与者在实验前已签署书面知情同意书。所用设备列于材料表中。

1. 刺激参数的确定

基于先前关于工作记忆神经振荡机制的研究^16,25,26，我们选择4 Hz的刺激频率、10分钟的刺激时长，并以左侧顶叶区域作为本方案的靶向刺激部位。

2. 刺激前脑电图记录

在参与者完成工作记忆2-back任务的同时，记录基线脑电图（EEG）数据。实验开始前，清洁参与者的头皮。使用塑料注射器将导电凝胶注入所有EEG电极中。具体操作为：用注射器尖端穿过电极孔分离头发，然后注入凝胶，以确保电极与头皮直接接触。用注射器尖端轻轻摩擦头皮，直至每个电极的阻抗降至5 kΩ以下。本实验方案所用的EEG脑电帽包含64个电极，按照10-20系统排列。通过软件界面中点击“阻抗”选项来监测电极阻抗（

结果

脑电图（EEG）数据可在时域（例如事件相关电位）、频域（例如谱分析）或时频域（例如时频分析）中进行分析。本研究采用时频分析来考察与刺激相关的振荡活动变化。对一名代表性受试者在刺激前和刺激后采集的EEG数据，使用MATLAB中的EEGLAB工具箱进行预处理。预处理步骤包括：对连续EEG信号应用40 Hz低通滤波器和0.1 Hz高通滤波器。随后将EEG数据分割为从刺激开始前1000 ms到刺激开始后1300 ms的片段（epochs）。较长的片段可防止时频分析中的窗函数伪迹。基线校正采用刺激开始前200至0 ms的时间段。参考电极重新参考至双侧乳突。采用独立成分分析（ICA）去除非皮层生理伪迹（如心脏、肌肉、眼动伪迹）以及非生理伪迹（如环境噪声、运动伪迹）²⁹。图7展示了伪迹剔除的有效性，显示眼动伪迹已被成功去除。随后剔除伪迹幅值超过±100 µV的片段。对每个电极和每次试验使用短时傅里叶变换和固定200 ms的汉宁窗进行时频分解，时间范围覆盖相对于刺激开始前-1000 ms至1000 ms（时间步长为1 ms），频率范围为1 Hz至.......

讨论

经颅交流电刺激（tACS）提供了一种无创调节特定脑节律的方法。由于脑电图（EEG）具有优异的时间分辨率，非常适合用于研究自发性及外界诱发的神经振荡活动。将tACS与EEG相结合，可形成一种多模态研究手段，用于探究大脑的功能与结构，并进一步揭示tACS效应背后的神经机制。因此，本方案介绍了一种将高密度经颅交流电刺激（HD-tACS）与脑电图（EEG）整合的实用方法。

同时记录脑电图（EEG）受到经颅交流电刺激（tACS）显著伪迹的限制。尽管已有多种方法被提出用于将该伪迹与脑活动分离，Noury 等人¹⁸对这些去除方法的有效性提出了质疑，表明 tACS 伪迹可能在心率和呼吸频率下呈现非线性并发生幅度调制。相比之下，Neuling 等人¹⁹证明，此类非线性效应仅在刺激设备运行于其技术极限时才会出现。最近，Yan 等人³⁰提出了一种盲源分离与小波变换相结合的新方法，可更有效地实现伪迹去除。鉴于这些相互矛盾的研究结果以及刺激后 EEG 同步化的额外神.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
脑电图脑电帽	BRAIN PRODUCTS	BC-64-X42-UAMW-56	基于10-20系统的64导联
4´1 高分辨率经颅电刺激（HD-tES）	Soterix Medical	4´1-C3A	Soterix 4×1 个 HD-tDCS / HD-tES 适配器可将任意 2 通道 Soterix Medical tDCS 刺激器转换为 HD-tDCS / tES 设备。该 4×1 HD-tES 适配器并非独立的刺激器，在刺激过程中不会产生任何电流。相反，该4×1 个 HD-tES 适配器可智能分流并引导由双通道设备产生的电流，将其转换为高分辨率经颅电刺激（HD-tES，包括 HD-tDCS、HD-tACS、HD-tRNS、HD-tPCS、HD-tODCS）。