睡眠期间的高分辨率经颅直流电刺激

摘要

本方案描述了在睡眠期间进行高分辨率经颅直流电刺激，并同步实施脑电图监测，以研究特定脑区与睡眠及其相关过程之间的因果关系。

摘要

高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）能够在睡眠期间实现对神经活动的高空间精度调控。本方案提供了一种使用4×1环形电极配置实施HD-tDCS的综合方法，同时记录高分辨率脑电图（HD-EEG），以监测睡眠结构及刺激效应。该技术可系统性调节多个参数，每个参数的选择均会产生不同的神经生理结果，从而为针对特定脑区和振荡模式的研究问题提供定制化干预的机会。成功实施本方案需重点关注电极放置、阻抗管理以及实时睡眠分期能力。该方法具有高度灵活性，且能够探究睡眠生理中的因果关系，因此可广泛应用于从基础神经科学到基于睡眠优化的临床干预等多个领域。本文所述的标准化且灵活的框架，确立了HD-tDCS作为系统研究睡眠神经生物学及其临床意义的可靠平台。

引言

睡眠对大脑健康和认知功能至关重要，特定的睡眠振荡具有关键的支持和恢复作用。调控这些睡眠振荡的能力为建立睡眠、大脑活动与认知之间的因果关系提供了独特的机会。近年来出现了多种神经调控技术，其中经颅直流电刺激（tDCS）作为一种非侵入性方法，在调节睡眠期间的神经活动方面展现出良好的应用前景^1,2,3,4。

传统的经颅直流电刺激（tDCS）通过较大的电极片（通常为25–35 cm²）施加直流电，导致刺激效应相对弥散⁵。tDCS在睡眠期间的有效性和特异性取决于多个可系统调控的关键参数。电极放置位置从根本上决定了哪些皮层区域接受刺激；双侧额部电极配置可能增强慢波振荡和睡眠纺锤波^6,7，也可能减少总睡眠时间⁸，具体效果取决于电极组合方式和极性。电流强度（通常为0.2–2.0 mA）对神经生理反应的幅度和受试者的耐受性均表现出剂量依赖性效应⁹。时间参数，包括总刺激持续时间、上升时间以及刺激方案结构（连续式或间歇式，具有特定的刺激间间隔），决定了即时效应和后续效应；例如，带有无刺激间歇期的间歇式方案可增强运动皮层兴奋性，同时减少适应性反应¹⁰。此外，刺激时间相对于睡眠结构的安排也会影响结果；例如，在第2阶段（N2期）睡眠期间进行刺激主要影响纺锤波和慢波振荡^6,7，而在快速眼动（REM）睡眠期间进行刺激则会影响梦境中的自我意识¹¹。这些细微参数选择所导致的多样化结果，充分体现了睡眠结构及相关认知过程对靶向神经调控的高度敏感性。

高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）采用更小的电极，例如4×1环形排列（表面积约为0.95 cm²，而传统橡胶电极为2–35 cm²），与先验使用的较大橡胶电极相比，可实现对脑区更聚焦的靶向刺激，空间精度更高——即能够在特定目标区域内集中电流，同时最小化向邻近区域的扩散¹²。HD-tDCS还能产生更局限的电场分布，所生成的电流主要局限于电极正下方的皮层区域¹³。这种增强的空间特异性可最大限度地减少非靶向效应，为刺激位点与观察结果之间的高精度功能关联研究奠定基础¹⁴。该选择性优势使得针对特定脑区的假设能够更准确地进行验证，同时降低邻近皮层区域意外刺激所带来的混杂影响^{5,12,13,14,15}。HD-tDCS在聚焦精度和准确性方面的提升，有助于对特定脑区及其与睡眠生理学和认知功能特定方面的关联进行机制性探究。当HD-tDCS与连续神经生理记录技术（如连续高分辨率脑电图（EEG））相结合时，其应用灵活性进一步增强。因此，此类具有高度转化潜力的平台有望推动基础神经科学研究，以及睡眠障碍和神经精神疾病临床干预手段的发展⁴。

本方案描述了一种在睡眠期间应用高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）的综合方法，采用4×1环形电极配置，同时记录脑电图（EEG）以监测睡眠结构及刺激效应。该方法具有良好的灵活性，允许研究人员根据与睡眠神经科学相关的不同研究问题，自定义刺激参数。

方案

本研究经批准后，严格遵循本机构的伦理准则进行。已向研究参与者充分说明实验流程、风险及益处，并获得其知情同意。

1. 禁忌症与安全注意事项

1. 实验设置前，根据当前安全指南^16,17（表1），确认受试者无任何进行高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）的禁忌证。
2. 仔细检查受试者头皮是否存在皮肤病变，避免对有损伤或炎症的区域进行刺激。
3. 回顾受试者正在使用的药物，因为作用于中枢神经系统的药物可能改变刺激的效果。
4. 在充分说明操作流程、风险及益处后，获取受试者的知情同意。
5. 筛查基线症状¹⁶，以排除可能与刺激相关效应相混淆的既存症状^16,17，包括：头痛、头皮不适、刺痛感、瘙痒、烧灼感、皮肤发红、嗜睡、注意力难以集中以及情绪变化。

2. 仪器设备准备

注意：本方案描述的是使用独立的设备分别进行高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）和脑电图（EEG）记录（图1）。一些 commercially available 系统将刺激和记录功能集成于单一设备中。使用此类集成系统的用户应参考制造商提供的具体操作说明。

1. 准备所有必要的设备和材料（表2、图2 和 图3）。
2. 确保常规tDCS设备具有充足的电源供应。
   1. 打开两个设备，并根据制造商的规格检查电源状态。
   2. 对于电池供电的设备：如果低电量指示灯亮起，请更换电池（适用于用户可更换电池的系统）或为设备充电（适用于内置电池系统）。
   3. 对于软件控制的设备：通过控制界面确认电源状态。
   4. 对于市电供电的设备：确保使用符合医疗级隔离要求的电源插座正确连接。
3. 检查所有电极是否存在异常磨损或损坏的迹象。
   1. 对于烧结环形Ag/AgCl电极：检查电极表面是否有电解产物沉积。
   2. 对于碳橡胶电极：检查是否存在裂纹、脆化或不均匀磨损。
   3. 对于一次性电极：确认未超过单次使用或推荐使用次数限制。
   4. 根据制造商规定的更换频率，更换任何已损坏或过度使用的电极。
4. 将Ag/AgCl烧结环形电极的导线连接至4 x 1适配器输出电缆上对应的接收接口。
   1. 将中心电极导线连接至中心接收插口。
   2. 将其余电极连接至周围的插口。

3. 脑电帽和高分辨率经颅直流电刺激电极准备（图2 和 图3）

1. 根据参与者的头围选择合适尺寸的脑电图（EEG）帽。请参考制造商提供的使用手册以确定EEG帽的尺寸。
2. 根据研究目的确定高密度经颅直流电刺激（HD-tDCS）电极的极性配置。进行阳极刺激时，中心电极作为阳极（正极），周围电极作为阴极（负极）；进行阴极刺激时，中心电极作为阴极（负极），周围电极作为阳极（正极）。常见的电极放置位置及其预期作用脑区包括：
   1. 采用双侧额外侧（F3/F4）放置方式以靶向刺激前额叶皮层⁶。
   2. 采用中央（Cz）放置方式以靶向刺激感觉运动区¹⁸。
   3. 采用枕部（Oz）放置方式以靶向刺激视觉皮层¹⁹。
   4. 采用顶叶（P3/P4）放置方式以靶向刺激联合皮层²⁰。
   5. （可选）使用计算电场建模来可视化并优化电流分布（图4）：
      1. 如有条件，获取参与者的结构磁共振成像（MRI）数据，或使用标准头部模型。
      2. 使用电场建模软件（例如SIMNIBS、ROAST，或制造商专用工具如HD-Explore）模拟电流流动^21,22。
      3. 输入电极位置和刺激参数（电流强度、极性）。
      4. 评估预测的电场分布，确保目标感兴趣区域得到充分覆盖。
      5. 根据需要调整电极位置，以优化靶区的电场聚焦性和强度。
3. 从EEG帽上移除选定刺激位置处的EEG记录电极。此举可使HD-tDCS刺激电极占据这些位置，并通过帽上的相同开孔直接接触头皮。由于刺激电流会导致信号饱和，被移除的EEG电极在刺激期间无法从这些位置记录有意义的数据。
4. 将HD-tDCS电极或电极支架插入EEG帽中（图2）。
   ​注意：某些HD-tDCS系统使用的电极可直接插入帽中，无需单独的支架。请遵循制造商的具体操作说明。
   1. 对于配备电极支架的系统：安放并固定支架，使带有帽的一侧朝向EEG帽外侧，而无帽的一侧朝向EEG帽内侧，以便与参与者的头皮接触。
   2. 对于采用直接插入式电极的系统：请依照制造商指南正确安装电极方向和固定机制。
5. 按照制造商建议，使用粘性导电膏（高黏度、无氯化物；如Ten-20）对EEG帽进行预处理。
   1. 将EEG帽内外翻转后套在泡沫头模上。
   2. 抚平帽料上的任何褶皱。
   3. 使用压舌板将导电膏均匀涂抹于EEG电极上。注意不要将导电膏涂在HD-tDCS刺激电极上。
   4. 将导电膏塑成圆顶状。前额区域毛发较少，应减少用量；头顶和头后部毛发较多，应增加用量。
   5. 避免在每个电极位置涂抹过多导电膏，防止膏体溢出沾染帽料，过量溢出可能导致电极间短路（桥接）。

4. 受试者准备

1. 让受试者舒适地坐在椅子上。
2. 使用金杯电极和导电粘合剂涂抹面部及参考接地电极，并用医用胶带固定电极。
   1. 先用酒精棉片清洁电极安放部位，再用轻微研磨性的准备凝胶（例如 Nuprep）涂于棉签（例如 Q-tip）上进行角质层去除，最后用干燥纱布方块彻底清除所有液体。电极位置应符合美国睡眠医学学会（AASM）标准多导睡眠图蒙太奇对睡眠分期的要求²³，具体包括：
      参考电极（前额）：作为参考电极；
      A1/A2（乳突，耳后骨性突起）：作为参考电极；
      LOC/ROC（左右外眦，靠近眼睛，右高左低）：记录眼动；
      EMG（颏部两个电极）：记录肌张力以区分睡眠阶段；
      ​接地电极（锁骨）：稳定放大器并减少共模噪声。
   2. 将导电粘合剂填入电极内，并将其贴附至指定位置，注意避免导电膏暴露在电极背面。
   3. 对于高密度经颅直流电刺激（HD-tDCS）的回路电极，将相应的刺激电极放置于锁骨处，并用胶带固定。根据制造商说明使用生理盐水或凝胶。
3. 定位并标记脑电帽（EEG cap）的中心点。
   1. 首先定位头顶点（Cz）。
      1. 测量鼻根（额骨与鼻骨交界处）至枕外隆凸（枕骨最突出点）的距离，并在中点处画一条标记线。
      2. 测量左、右耳前点之间的距离，并在中点处画一条标记线。
      3. Cz 位于这两条线的交点处。使用喷雾瓶轻轻向头发喷水（图3），以利于脑电帽的佩戴。
4. 将准备好的脑电帽紧密且舒适地倒扣在受试者头部，使标记的 Cz 位置对准电极 Cz。使用下颌带将脑电帽固定在受试者头部。
5. 使用注射器将导电凝胶（例如 e-gel）注入各个电极位置。
   1. 轻轻提起电极，将粗口径钝头针尖插入电极中心。轻柔晃动针头以拨开头发，然后注入导电凝胶（约 0.5 mL）。再轻柔下压电极，确保凝胶、导电粘合剂与头皮之间形成良好连接。
   2. 避免将凝胶涂抹至电极区域外缘之外，以防电流分流。
   3. 在头顶和头后部添加更多导电凝胶，以补偿该区域较高的头发密度。
   4. 逐个按压每个电极，使其紧贴头皮。
6. 将烧结环形 Ag/AgCl 电极放入每个高密度经颅直流电刺激（HD-tDCS）电极 holder 中（图2，右侧面板）。
   1. 放置时粗糙面朝下，光滑圆润面朝上。
   2. 缓慢放下环形电极，使其落至 holder 底部。
   3. 加入更多高黏性导电凝胶（例如 HD-gel）以完全覆盖电极。
   4. 使用配套的盖帽将电极锁定在位。

5. 高密度脑电图（HD-EEG）系统设置

1. 为记录计算机准备适当的软件。
2. 如果涉及高密度头帽连接盒（或类似硬件），请确保所有电极均已正确连接至相应的放大器。此步骤可能需要使用光纤连接线，记录硬件的设置方式可能存在差异。
3. 此阶段请勿插入刺激电极。
4. 打开放大器并启动脑电图（EEG）记录软件。
   1. 创建新的研究文件后，选择适用于高密度电极布局的配置文件选项。
   2. 确认文件存储路径以及适用于该电极布局的滤波器设置。
5. 检查阻抗。
   1. 将阻抗阈值设为 25 kΩ，并力求所有电极阻抗低于 10 kΩ。
   2. 对于阻抗较高的电极，考虑进行以下调整：
      1. 如果全部或大多数电极阻抗均高，检查是否所有电极均已正确连接。检查参考电极，必要时重新安置参考电极。
      2. 如果全部或大多数电极阻抗异常偏低，检查接地是否连接正常。
      3. 如果约一半电极完全显示为红色，检查头帽与放大器的贴合度。
      4. 若个别电极阻抗偏高，可按压该电极。若阻抗仍高，使用注射器添加更多导电凝胶，用注射器针头轻轻刮擦头皮以改善头皮电极接触，或重新安置面部电极。若问题持续或检测到过高的阻抗，请检查头帽、连接器与放大器之间的连接。
6. 开始记录脑电图（EEG）。
7. 进行生物校准。
   1. 要求受试者睁眼和闭眼约 10 秒。大多数受试者应观察到α节律活动。预期在后部通道的振幅大于前部通道。监测全头皮范围内的振幅变化。
   2. 要求受试者向左、右、上、下方向注视，随后要求其咬紧牙齿。观察眼电和下颌电极记录中的运动信号。
   3. 要求受试者眨眼数次。
      ​注意：眨眼伪迹应在额部电极（如 Fp1、Fp2）上表现为大幅偏转，因为这些电极最接近眼睛。距离眼睛较远的电极可能显示较小的偏转。
   4. 根据研究方案要求增加其他生物校准项目（如呼吸、肢体运动等）。

6. HD-tDCS 刺激器的设置

1. 准备 HD-tDCS 刺激电极和刺激器。仅在完成以下步骤后，再将电极连接至刺激器。
   1. 确保刺激器已连接至电源插座，或其电池已充满电并正确安装。
   2. 打开刺激器电源。
2. 设备开启后，将电极线插入设备背面。
   注意：在插入电极线前未开启设备可能导致轻微电击。可能需要使用较长或特别定制的电极线，以便从控制室或睡眠区域外的位置触发刺激，从而降低干扰受试者睡眠的可能性。
3. 根据研究设计设置刺激参数。参数包括刺激强度、波形（tDCS 协议中为直流电 DC）、持续时间以及上升/下降时间。
   注意：这些参数会因预期靶区及脑内生理状态的不同而有所变化。大多数设备还具备区分真实刺激与假刺激（sham）的设置。在此阶段，应配置刺激导联的电流分布。对于典型的 4 × 1 导联，中心电极接收 100% 的设定电流强度，而该电流则平均分配至四个回路电极（每个 25%）。
4. 根据研究方案设定为真实刺激或假刺激模式。如果研究涉及设盲，应采取适当措施防止受试者或研究人员知晓当前使用的是哪种模式。部分刺激器内置有真实/假刺激功能以支持设盲操作。
5. 若 HD-tDCS 电极显示高阻抗（例如高于 600 kΩ），可在 SHAM 模式下施加一次短暂的测试刺激（以设定强度进行 5–10 秒），以检查连接情况。理想情况下，应在受试者入睡之前完成此步骤。
   1. 在 SHAM 模式下施加脉冲刺激。预计在脉冲发出后 3–5 秒内观察到阻抗下降。一旦确认阻抗降低，立即终止刺激（总测试时间不得超过 10 秒）。
   2. 添加更多高黏性导电凝胶和/或检查连接，直至施加假刺激脉冲时阻抗降至 20–25 kΩ 以下。

7. 睡眠监测与刺激方案

1. 准备睡眠环境。
   1. 尽量减少环境光线和噪音。
   2. 确保受试者报告感到舒适。
   3. 为受试者提供耳塞。
   4. 在脑电图（EEG）记录中标注关灯的时间。
2. 监测脑电图以确定睡眠起始及特定睡眠阶段，并根据研究设计启动刺激方案。关于刺激方案及其启动时机的决策，应考虑刺激的持续时间/连续性（即连续性 vs 间歇性）以及目标生理状态/睡眠结构。
3. 在脑电图记录中标注刺激开始时间，并做适当标记。
4. 如果受试者在刺激过程中醒来：
   1. 立即停止刺激器。
   2. 在脑电图记录中标注该时间点，并做适当标记。
   3. 根据研究设计和刺激方案，监测受试者是否返回至目标睡眠阶段。
   4. 视情况恢复刺激方案。若采用间歇性刺激设计，通常认为已中断的刺激周期结束，恢复后应继续执行计划中的下一个刺激周期（例如，若第3次刺激被中断，则恢复后从第4次刺激开始）。
   5. 完成刺激方案。
      1. 最后一次刺激周期结束后，先拔掉连接HD-tDCS电极的刺激导线，再关闭刺激器。
         ​注意：再次强调，若未先拔掉导线即关闭设备，可能导致轻微电击，从而可能唤醒受试者。
      2. 根据研究设计，允许受试者继续睡眠（如适用），且不加干扰。

8. 完成实验并移除设备

1. 在适当时间唤醒受试者。
   1. 在开启灯光时，标记脑电图（EEG）记录中的对应时间点。
   2. 轻柔地唤醒受试者。
2. 停止脑电图（EEG）记录。
3. 断开设备连接。
   1. 从高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）电极 holder 上取下帽状结构。
   2. 小心取下 Ag/AgCl 环形电极，必要时使用钝头工具，避免牵拉电缆。
   3. 用湿润的纸巾清洁电极，并擦干后存放。
4. 取下脑电图（EEG）帽，并清洁电极接触部位以去除凝胶。
5. 向受试者提供清洁用品，用于清除头发和皮肤上的凝胶残留。
6. 评估刺激后不良事件（与步骤 1.5 中的筛查类似）。记录严重程度（例如：轻度、中度或重度）以及与刺激可能的关联性，以便与基线筛查结果进行比较。
   注意：大多数高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）相关的不良事件为轻度且短暂，通常在刺激后数小时内自行缓解^16,17。若情况并非如此，应启动机构相关规程，报告严重不良事件。

结果

当正确实施该方案时，睡眠期间的高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）可产生可测量且可重复的睡眠结构与生理变化，这些变化随所选刺激参数的不同而呈现系统性差异。图4 展示了双侧额颞部刺激的一种可能布阵方式，体现了4×1环形电极的空间精准性。方案的成功实施可通过多个关键指标加以确认。理想的电极准备应使所有记录和刺激电极的阻抗值均低于25 kΩ，从而获得干净、伪迹极少的脑电图（EEG）信号。图5 展示了上升阶段典型的EEG轨迹，显示基线活动稳定，无过度噪声或电极伪迹。制备良好并正确放置的电极在整个记录过程中能保持稳定的阻抗，从而清晰呈现睡眠结构的转换过程。

HD-tDCS 的神经生理效应在很大程度上取决于所选择的具体参数。不同的电极放置位置会产生相应不同的电流流动模式及相关的生理变化：与中央区或顶叶区配置相比，前额叶蒙太奇会影响不同的振荡模...

讨论

本方案提供了一种标准化且灵活的方法框架，用于在睡眠期间实施高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS），并同步进行脑电图（EEG）监测。该技术的主要优势在于其具有焦点明确、参数可控的神经调控能力，并能够直接监测其神经生理效应。这使得研究人员能够检验特定脑区活动与睡眠相关过程之间的因果关系。

睡眠期间成功且可靠地执行高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）需要关注某些参数。4×1环形电极所带来的更高空间精度，要求电极放置更加准确，以增强敏感性，最大限度地实现靶区定位并最小化非靶效应。同时，这种精度也使得刺激导联组合的范围更加多样化，不同导联在电流分布和刺激效果上虽差异细微但可区分^5,25,26,27。这为无创、高精度地靶向更特定的脑区提供了令人期待的机会²⁸，标志着在将脑解剖结构及潜在神...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Ag/AgCl 烧结环电极	Soterix Medical	HD-1AGE-12	用于刺激装置设置
酒精棉片	NA	NA	用于脑电图（EEG）装置设置
耳塞	NA	NA	帮助受试者入睡
EC2	Natus	CR-003	用于脑电图（EEG）装置设置
脑电图记录帽（带附着电极）	Natus	21114	用于脑电图（EEG）装置设置
电极凝胶	Electro-Cap International, Inc.	E11	用于脑电图（EEG）装置设置
纱布方块	NA	NA	用于脑电图（EEG）装置设置
金杯电极	Natus	F-E5GH-48	用于眼电图（EOG）和肌电图（EMG）信号采集
具备64通道功能的高密度脑电图（HD-EEG）系统	Natus	Brain Monitor EEG Amplifier	用于脑电图（EEG）装置设置
HD凝胶	Soterix Medical	HD-1GEL	用于刺激装置设置
HD-tDCS 电极固定器	Soterix Medical	HD-1A.2	用于刺激装置设置
HD-tDCS 刺激适配器	Soterix Medical 4x1 多通道刺激适配器	Model 4X1-C3A	用于刺激装置设置
HD-tDCS 刺激系统	Soterix Medical M×N HD 经颅刺激系统	Model 9002	用于刺激装置设置
用于固定脑电图记录帽并准备凝胶的头模（如需要）		用于脑电图（EEG）装置设置
Nuprep	Weaver and Company	10-30	用于脑电图（EEG）装置设置
棉签	Q-tips	https://www.qtips.com/	用于脑电图（EEG）装置设置
剪刀	NA	NA	用于脑电图（EEG）装置设置
专用连接电缆/导线	Soterix Medical	CUS_MxN_CBL	用于刺激电极
装水的喷雾瓶（及杯子）	NA	NA	用于脑电图（EEG）装置设置
胶带	NA	NA	用于脑电图（EEG）装置设置
10 mL 注射器配16号钝头针	NA	NA	用于脑电图/刺激装置设置
Ten-20	Weaver and Company	10-20-8	用于脑电图（EEG）装置设置
压舌板	NA	NA	用于脑电图（EEG）装置设置
毛巾	NA	NA	用于脑电图（EEG）装置设置