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。高分辨率经颅交流电刺激（HD-tACS）采用4×1环形电极布局来解决这一问题，即一个中心电极被四个返回电极包围，从而将电流集中于中心电极下方，提高刺激的聚焦性^10,11,12。与传统的基于电极垫的tACS相比，该电极布局可实现更高的刺激强度和更长的持续时间^13,14。

脑震荡反映了神经元群体的同步活动，是包括工作记忆在内的多种认知过程的基础¹⁵，^10,16。然而，这些震荡是发挥因果性的功能作用，还是仅仅与认知相关，目前仍是一个未解的问题。为了进一步揭示其因果关系，研究人员可以采用经颅交流电刺激（tACS）等脑刺激方案来调节震荡活动，并观察相应的行为变化¹。要全面理解外部刺激如何影响认知，不仅需要考察行为表现，还需结合脑电图（EEG）等生理指标进行分析。EEG 可使研究人员监测 tACS 诱导的神经同步是否以及如何改变神经活动^1,17。

经颅交流电刺激（tACS）产生的巨大伪影使得在刺激期间记录的脑电图（EEG）信号难以可靠分析^18,19。尽管已有许多研究人员尝试将tACS引起的伪影与脑电活动分离，例如采用主成分分析（PCA）²⁰、时间滤波²¹和波束成形²²等方法，但这些方法的有效性仍存疑¹⁸。刺激停止后，神经元群体逐渐恢复至基线状态，从而产生一种称为“同步化回响”（entrainment echo）的现象。这些同步化回响为利用EEG评估神经同步提供了宝贵的机会，因为它们出现在刺激结束后，因而不受tACS诱导的伪影干扰。然而，同步化回响持续时间较短，降低了在EEG中观察到可靠神经同步的可能性。因此，亟需一种在高分辨率经颅交流电刺激（HD-tACS）结束后立即记录EEG的实用方法。

本方案旨在演示如何将高分辨率经颅交流电刺激（HD-tACS）与高质量脑电图（EEG）相结合，以评估刺激效应。通过在工作记忆2-back任务中，对左侧顶叶区域施加10分钟的HD-tACS刺激（4 Hz，θ振荡），并在刺激前后记录EEG信号，本方案使研究人员能够在无tACS诱导伪迹的情况下评估刺激的神经生理效应。2-back任务是一种广泛用于评估工作记忆的范式，涉及信息的加工与存储^23,24。工作记忆过程（包括2-back任务中所涉及的过程）与额顶网络中的θ振荡密切相关，这为在该范式中选择θ频段刺激提供了坚实的理论依据^16,25,26。为确保EEG数据质量，建议将EEG电极阻抗保持在5 kΩ以下，并在标准的电磁屏蔽环境中进行数据记录。本方案所述方法可适用于其他刺激靶区（如背外侧前额叶皮层，DLPFC）、其他频段（如α振荡）以及其他认知范式（如注意力任务）。刺激参数（如强度和持续时间）是影响刺激效果的关键因素，可根据具体研究目标进行调整。我们希望本方案能够促进tACS-EEG整合技术的更广泛应用，并推动对神经同步化动态机制的更严谨探索。

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（图1）。为确保EEG记录质量，将阻抗显示范围设置为0–5 kΩ。阻抗值显示为橙色或绿色的电极表示其阻抗低于5 kΩ。当确认所有电极的阻抗均低于5 kΩ后，参与者开始执行2-back任务的同时，在软件中点击“开始”以启动EEG记录（图2）。在任务过程中也可实时可视化EEG信号（图2）。本实验方案中2-back任务的流程如图3所示。

3. 刺激前准备

首先对受试者进行评估，以确认其无经颅电刺激（tES）相关的神经系统或精神疾病史。在刺激开始前，再次清洁受试者的头皮。所有必要材料均已提前准备就绪（图4）。设备组装步骤如下²⁷：安装电池并确认其已充满电；使用输入电缆将双通道tES刺激器连接至4×1多通道刺激接口；随后将输出电缆连接至4×1接口，并将五个Ag/AgCl电极连接至输出电缆（图5）。

完成所有设备连接后，打开2通道经颅电刺激（tES）刺激器和4×1接口系统的电源。将五个塑料高清晰度（HD）外壳嵌入脑电图（EEG）脑电帽的特定电极位置（P3、CP3、P1、PO3、P5），然后将脑电帽戴在受试者头部（图6）。

通过高密度（HD）外壳的开口，将导电凝胶涂抹于头皮表面。使用注射器尖端分开头发以暴露头皮，并将导电凝胶直接涂在暴露区域。随后将五个电极插入HD外壳中，其中5号电极置于环形排列的中心位置（即P3）。其余四个电极则围绕中心电极放置在相邻位置（即P1、PO3、P5和CP3；图6）。同样，所有脑电图（EEG）电极均填充了导电凝胶，并确认其阻抗均低于5 kΩ（图1）。

4. 刺激

在开始刺激之前，需确认刺激器的默认模式已设置为"SCAN"。在此模式下，系统会单独显示每个电极的阻抗值（图7）。通过按压4×1接口上对应的数字按钮，可查看各电极的阻抗值。阻抗值低于1.5表示质量合格^27,28。若任一电极的阻抗值超过此阈值，则需打开帽盖，调整相应的塑料外壳，并用注射器针头擦拭头皮，直至达到理想的阻抗值。

在2通道经颅电刺激（tES）刺激器上设置刺激参数，包括电流波形、持续时间和强度（图7）。通过四个旋钮分别设置相应参数。使用操纵杆切换伪刺激（sham）状态的开启或关闭。在本实验方案中，刺激采用交流波形，强度为2 mA，频率为4 Hz，持续10分钟。随后，将"RELAX"档位切换至满电流输出。然后通过MODE SELECT按钮将刺激器模式由SCAN切换为PASS。通过按下POLARITY按钮选择刺激极性（中心阳极或中心阴极）。

通过按下2通道经颅电刺激仪上的START按钮开始刺激。电流强度逐渐上升，直至达到目标强度。计时器显示剩余的刺激时间。如果受试者在电流上升过程中感到不适，可使用"RELAX"杆轻微降低刺激强度。当受试者再次感到舒适后，可逐渐将"RELAX"杆向前推动，以恢复至完全电流强度。如有需要，可随时按下"ABORT"按钮终止刺激。

5. 刺激后脑电图记录

刺激结束后，将塑料HD外壳和刺激电极从EEG脑电帽上移除。之前从P3、CP3、P1、PO3和P5位置取出的EEG电极被重新插入其原始位置。每个电极均按照10-20系统布局，轻柔地穿过脑电帽上对应的孔位，并与头皮对齐后固定。使用塑料注射器的尖端通过开口处拨开头发，以确保电极与头皮直接接触，并使用同一注射器向每个电极施加导电凝胶。在开始刺激后EEG记录之前，需检测并确认每个EEG电极的阻抗低于5 kΩ。

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）。