经颅交流电刺激与脑电图的结合

摘要

该协议建立了一种将HD-tACS与脑电图相结合的实用方法，以工作记忆中的θ频率刺激为例，以检查刺激对认知任务期间神经振荡的影响。

摘要

神经振荡是各种认知过程不可或缺的一部分，包括工作记忆、注意力和感知。经颅交流电刺激 （tACS） 已成为研究大脑振荡与认知功能之间因果关系的非侵入性工具。通过针对特定频率，tACS 可以调节振荡活动，深入了解神经节律在认知表现中的作用。为了了解 tACS 对振荡动力学和认知过程的影响，必须将脑电图等生理测量与行为数据相结合。高清 tACS （HD-tACS） 提高了刺激的空间精度，能够更局部地瞄准特定皮质区域。该协议概述了一种将HD-tACS与脑电图相结合的方法，以评估左顶叶皮层θ频率（4 Hz）振荡的变化。在 2 背工作记忆任务期间刺激前后进行脑电图记录，以检查 θ 活动。这种方法为 探索通过 节律性脑刺激进行认知调节的神经机制提供了强大的工具。

引言

经颅交流电刺激 （tACS） 是一种无创神经调控方法，以特定频率或频率组合向大脑输送微弱的正弦电流 ^1,2。作为更广泛的经颅电刺激 （tES） 类别的一部分，其中还包括经颅直流电刺激 （tDCS）、经颅随机噪声刺激 （tRNS） 和经颅脉冲电流刺激 （tPCS）3，tACS 因其调节内源性脑节律的能力而特别引人注目。与其他tES模式不同，tACS可以与正在进行的神经振荡同步，从而通过在目标频率1,4,5,6夹带神经振荡来增强或恢复认知功能。此外，tACS 被认为是治疗多种精神疾病的潜在治疗选择，例如改善阿尔茨海默病患者的记忆表现⁷ 和缓解抑郁症状⁸。

虽然传统的基于焊盘的tACS已经证明了其潜力，但其相对宽的电流分布可能会限制精确的靶向⁹。高清tACS（HD-tACS）通过4×1环蒙太奇解决了这个问题，其中中心电极被四个返回电极包围，从而通过将电流集中在中心电极^10,11,12下方来增加焦点。与传统的基于垫的 tACS^13,14 相比，这种蒙太奇可以实现更大的强度和更长的持续时间。

大脑振荡反映了神经元集合的同步活动，是各种认知过程^的基础15，包括工作记忆^10,16。然而，这些振荡是否起因果功能作用或仅与认知相关仍然是一个悬而未决的问题。为了进一步揭示因果关系，研究人员可以应用 tACS 等脑刺激方案来调节振荡活动并观察相应的行为变化¹。要全面了解外部刺激如何影响认知，不仅需要检查行为表现，还需要检查脑电图等生理指标。脑电图使研究人员能够监测 tACS 诱导的夹带是否以及如何改变神经活动 ^1,17。

tACS 产生的大量伪影使得难以可靠地分析刺激期间记录的脑电图信号^18,19。尽管有许多研究人员试图将 tACS 诱导的伪影与大脑活动分开，例如 PCA²⁰、时间滤波²¹ 和波束成形²²，但这些尝试的有效性仍存疑¹⁸。刺激停止后，神经群逐渐恢复到基线状态，产生夹带回波。这些夹带回波为使用脑电图评估神经夹带提供了宝贵的机会，因为它们发生在刺激后，因此没有 tACS 诱导的伪影。然而，夹带回波的持续时间较短，降低了在脑电图中观察到可靠神经夹带的可能性。因此，迫切需要一种实用的方法来记录 HD-tACS 刺激后立即记录脑电图。

当前协议的目的是展示如何将 HD-tACS 与高质量脑电图相结合以评估刺激的效果。通过在工作记忆 2 背任务中针对左顶叶区域进行 10 分钟 HD-tACS 刺激（4Hz，θ 振荡）前后记录脑电图，该协议使研究人员能够评估刺激的神经生理学影响，而没有 tACS 诱导的伪影。2-back 任务是一种广泛使用的评估工作记忆范式，它涉及信息的作和存储^23,24。工作记忆过程，包括在 2-back 任务期间参与的过程，与额顶叶网络中的 θ 振荡密切相关。这为该范式中靶向θ频率刺激提供了强有力的理论依据16,25,26。为确保脑电图数据质量，我们建议将脑电图电极阻抗保持在 5 kΩ 以下，并在标准电屏蔽环境中记录数据。概述的方法可以适用于其他刺激目标（例如，背外侧前额叶皮层，DLPFC），其他频段（例如，α振荡）和其他认知范式（例如，注意力）。对于刺激效果至关重要的刺激参数，如强度和持续时间，可以根据具体的研究目标来确定。我们希望该协议能够促进 tACS-EEG 整合的更广泛应用，并促进对神经夹带动力学的更严格探索。

方案

该协议得到了西南大学机构审查委员会的批准，并按照机构指南进行。该协议演示提供了来自一名健康成年参与者（年龄 = 25 岁，女性）的数据来说明协议程序。参与者在实验前提供了书面知情同意书。使用的设备列在 材料表中。

1、刺激参数的测定

基于先前调查工作记忆 16,25,26 底层神经振荡的研究，我们选择了 4 Hz 刺激频率、10 分钟刺激持续时间和左顶叶区域作为该协议的目标位点。

2. 预刺激脑电图记录

当参与者完成工作记忆 2 返回任务时记录基线脑电图数据。在实验之前，清洁了参与者的头皮。使用塑料注射器填充所有脑电图电极。具体来说，使用注射器尖端通过电极开口将头发分开，并注入凝胶以确保电极与头皮之间的直接接触。用注射器尖端轻轻摩擦头皮，直到每个电极的阻抗降低到5kΩ以下。该协议中使用的脑电图脑帽包含根据 10-20 系统排列的 64 个电极。通过单击软件界面中的阻抗选项来监控电极阻抗（图 1）。为确保脑电图记录的高质量，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被解释为低于 5 kΩ。一旦确认所有电极上的阻抗低于 5 kΩ，当参与者执行 2-back 任务时，通过按软件中的“开始”来启动脑电图记录（图 2）。在任务期间，脑电图信号也被可视化（图2）。我们的协议中 2-back 任务的过程如 图 3 所示。

3. 刺激准备

首先对参与者进行评估，以确认他们没有 tES 的神经或精神疾病史。在刺激之前再次清洁参与者的头皮。所有必要的材料都已提前准备好（图 4）。设备组装如下²⁷：安装电池并确认充满电。输入电缆用于将 2 通道 tES 刺激器连接到 4×1 多通道刺激接口。然后将输出电缆连接到 4×1 接口，并将五个 Ag/AgCl 电极连接到输出电缆（图 5）。

所有设备连接完成后，2通道tES刺激器和4×1接口系统通电。将五个塑料高清（HD）外壳嵌入脑电图脑帽中的特定电极位点（P3、CP3、P1、PO3、P5），然后将帽戴在参与者的头部（图6）。

通过 HD 外壳的开口将导电凝胶涂在头皮表面。使用注射器的尖端，将头发分开以暴露头皮，并将导电凝胶直接涂抹在暴露区域。然后将五个电极插入HD外壳中，5号电极位于环形构型的中心（即P3）。其余四个电极位于相邻位点（即P1、PO3、P5和CP3; 图 6）。同样，所有脑电图电极都充满导电凝胶，并确认其阻抗低于5 kΩ（图1）。

4. 刺激

在开始刺激之前，确认刺激器上的默认模式设置为“SCAN”。在这种模式下，系统单独显示每个电极的阻抗（图7）。通过按下 4×1 界面上相应的编号按钮查看每个电极的阻抗值。阻抗值低于 1.5 表示可接受的质量^27,28。如果任何阻抗值超过此阈值，则通过打开盖子并用注射器尖端擦洗头皮来调整相应的塑料外壳，以获得所需的阻抗值。

在 2 通道 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）。使用四个旋钮来设置各自的参数。使用纵杆来打开或关闭假条件。在该协议中，以交流电波形，2 mA和4 Hz进行刺激10分钟。接下来，将“RELAX”电平切换到全电流。然后使用 MODE SELECT 按钮将刺激器模式从 SCAN 更改为 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 tES 刺激器上的 START 按钮开始刺激。电流强度逐渐增加，直到达到目标强度。计时器显示剩余的刺激时间。如果参与者在当前上升期间感到不适，可以使用“RELAX”杆稍微降低强度。一旦参与者再次感到舒适，“RELAX”杆就会逐渐向前推动以恢复全电流强度。如有必要，可以随时使用“ABORT”按钮终止刺激。

5. 刺激后脑电图记录

刺激后，塑料高清外壳和刺激电极从脑电图脑帽中取出。先前从 P3、CP3、P1、PO3 和 P5 位置移除的脑电图电极被重新插入其原始位置。按照 10-20 系统布局，将每个电极轻轻插入盖子上的指定孔，并通过将其与下面的头皮对齐来固定。使用塑料注射器的尖端将头发从开口中分开，以确保与头皮直接接触，并使用相同的注射器将导电凝胶涂抹在每个电极上。然后检查每个脑电图电极的阻抗并确认在开始刺激后脑电图记录之前低于 5 kΩ。

结果

脑电图数据可以在时域（例如，事件相关电位）、频域（例如频谱分析）或时频域（例如，时频分析）中进行分析。在这种情况下，时频分析用于检查与刺激相关的振荡活动的变化。使用MATLAB中的EEGLAB工具箱对从代表性受试者获得的刺激前后脑电图数据进行预处理。预处理步骤包括以下内容： 连续脑电图用 40 Hz 低通滤波器和 0.1 Hz 高通滤波器滤波。然后将脑电图数据分割为从刺激开始前 1000 毫秒到刺激开始后 1300 毫秒的时期。长纪元阻止了时频分析中的窗口伪影。从 200 毫秒到 0 毫秒应用基线校正。参考文献被重新引用到双侧乳突。使用独立成分分析（ICA）去除非皮质生理伪影（例如，心脏，肌肉，眼睛）和非生理伪影（例如，环境噪音，运动）²⁹。 图 7 通过显示眼部伪影已被去除来证明伪影排斥的有效性。然后去除伪影超过 ±100 μV 的纪元。对每个电极进行时频分解，并使用短时傅里叶变换和 200 ms 的固定汉宁窗口进行试验，涵盖相对于刺激开始（1 ms 采样步长）...

讨论

经颅交流电刺激 （tACS） 提供了一种调节特定大脑节律的无创方法。由于其出色的分辨率，脑电图非常适合检查自发和外部夹带的神经振荡。将 tACS 与 EEG 相结合提供了一种多模态方法来研究大脑的功能和结构，并进一步探索 tACS 效应的潜在神经机制。因此，该协议提出了一种将HD-tACS与脑电图相结合的实用方法。

并发脑电图记录受到突出的 tACS 伪影的阻碍。尽管已经提出了许多方法将这种伪影与大脑活动分开，但Noury等人¹⁸ 对这些去除尝试的有效性表示担忧，表明tACS伪影可以在心脏和呼吸频率下变得非线性和幅度调制。相比之下，Neuling等人¹⁹ 证明，只有当刺激器在其技术极限下运行时，才会出现这种非线性。最近，Yan等人³⁰ 提出了一种盲源分离和小波的新组合，以实现伪影去除和性能的提高。鉴于这些相互矛盾的发现和刺激后脑电图夹带的其他神经生理学证据，该协议提供了一种...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
脑电图脑帽	脑产品	BC-64-X42-UAMW-56	基于10-20系统共64个频道
4´1 个HD-tES	索特里克斯医疗	4´1-C3A	索特里克斯4×1个HD-tDCS / HD-tES适配器可将任何Soterix Medical的双通道tDCS刺激器转换为HD-tDCS / tES设备。4×1个HD-tES适配器不是独立的刺激器，在刺激过程中不产生电流。更准确地说，是4×1个HD-tES适配器智能分配并引导双通道设备产生的电流，将其转换为HD-tES（HD-tDCS、HD-tACS、HD-tRNS、HD-tPCS、HD-tODCS）。