Name: 经颅交流电刺激与脑电图的结合 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-10-10T14:43:00.000+00:00
Duration: 6 min 14 s
Description: 学习将高清经颅交流电刺激与脑电图相结合的方法，用于研究认知任务中的神经振荡。该方案以工作记忆为案例，帮助研究人员评估刺激对神经活动的生理效应。

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本工作得到了国家自然科学基金（31972906）、中央高校基本科研业务费专项资金（SWU2209235）、西南大学创新研究2035先导计划（SWUPilotPlan006）、认知神经科学与学习国家重点实验室开放研究基金（CNLZD2102）以及西南大学研究生科研创新项目（SWUS24034）的资助。

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&#34;SCAN&#34;。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&#34;RELAX&#34;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&#34;RELAX&#34;杆轻微降低刺激强度。当受试者再次感到舒适后，可逐渐将&#34;RELAX&#34;杆向前推动，以恢复至完全电流强度。如有需要，可随时按下&#34;ABORT&#34;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。

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作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>脑电图脑电帽</td><td>BRAIN PRODUCTS</td><td>BC-64-X42-UAMW-56</td><td>基于10-20系统的64导联</td></tr><tr><td>4&amp;acute;1 高分辨率经颅电刺激（HD-tES）</td><td>Soterix Medical</td><td>4&amp;acute;1-C3A</td><td>Soterix 4&amp;times;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&amp;times;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&amp;times;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）。</td></tr></tbody></table>

经颅交流电刺激与脑电图的联合应用

The Combination of Transcranial Alternating Current Stimulation and Electroencephalogram

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

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...

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。

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……

本方案旨在演示如何将高分辨率经颅交流电刺激与脑电图（EEG）相结合。通过在刺激前后记录脑电图，该方案使研究人员能够评估刺激引起的神经生理效应。开始前，需在实验前清洁受试者的头皮。将64通道脑电图（EEG）脑电帽佩戴在受试者头部，电极按照10-20系统排列。在软件界面中选择阻抗选项，以监测电极阻抗。将阻抗显示范围设置为0至5千欧姆，以确保记录质量。 将显示屏上的橙色或绿色信号解释为低于五千欧姆。使用注射器尖端通过电极开口分开毛发，然后注入凝胶，以确保每个电极与头皮直接接触。用注射器尖端轻轻摩擦头皮，直到每个电极的阻抗降至五千欧姆以下。一旦确认所有电极的阻抗，让受试者执行双反向任务时，在软件中按下“开始”以启动脑电图（EEG）记录。在任务期间实时观察脑电图信号。在刺激前再次清洁受试者的头皮。提前准备好所有必要的材料。安装电池并确认其已充满电。使用输入电缆将双通道经颅电刺激刺激器连接至四合一刺激接口。将输出电缆连接到四合一接口，并在输出电缆上安装五个银或氯化银电极。完成所有连接后，打开双通道刺激器和四合一系统的电源。接着，将五个塑料高密度外壳嵌入脑电帽上指定位置P3、CP3、P1、PO3和P5处。然后将脑电帽戴在受试者头部。使用注射器针头通过每个高密度（HD）外壳的开口将导电凝胶涂抹于头皮。分开头发以暴露头皮，并直接涂抹凝胶。将五个电极插入外壳中，其中第五个电极置于P3位置，其余电极围绕其放置。再次用导电凝胶填充所有脑电图（EEG）电极，并确认阻抗值低于五千欧姆。确认刺激器的默认模式设置为扫描。然后通过按下四选一接口上的数字按钮，逐一查看每个电极的阻抗值。如果阻抗超过1.5，则打开帽盖，并用注射器针头擦拭头皮以降低阻抗。使用四个旋钮在双通道刺激器上设置刺激参数，包括波形、持续时间和强度。使用操纵杆切换伪刺激状态。设置参数为交流波形、2毫安、4赫兹，持续10分钟。将放松水平切换至满电流。接着，使用模式选择按钮将刺激器模式从扫描模式改为通过模式。通过按下刺激器上的启动按钮开始刺激。观察屏幕上的电流上升过程，直至达到目标强度。如果出现不适，使用放松杆降低刺激强度，并在受试者感到舒适后继续进行。必要时可按中止按钮终止刺激。从 EEG 帽上取下高密度（HD）外壳和刺激电极。将原始 EEG 电极重新插入 P3、CP3、P1、PO3 和 P5 位点。使用注射器尖端拨开头发，并将导电凝胶直接涂抹至每个重新插入的电极上。开始刺激后脑电图记录前，确认阻抗值低于五千欧姆。在脑电图预处理过程中，眼动伪迹已成功去除，表现为伪迹剔除后的轨迹中不存在典型的眼动信号。时频谱图显示，与刺激前相比，刺激后theta频段功率有所降低。本方案介绍了一种将HDTACS与EEG结合的实用方法。我们希望本方案能够促进TACS与EEG整合技术的更广泛应用，推动对神经同步动力学的系统性研究。本方案可拓展至更大样本量，并通过定制化的刺激参数，用于探究更广泛的认知与情感功能。

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Research

科研

JoVE Journal

Neuroscience

神经科学

经颅交流电刺激与脑电图的结合

来源：Stefanou, M., et.al. 基于脑状态的脑刺激结合实时脑电图触发经颅磁刺激。J. Vis. Exp.

实时脑电图触发的经颅磁刺激用于皮层兴奋性研究

来源：Fehér, K. D. et. al., 经颅交流电刺激（tACS）期间同步进行脑电图记录。J. Vis. Exp.

建立同步经颅交流电刺激与脑电图记录人类脑活动的方法

来源：Lioumis, P. 等。背外侧前额叶皮层的经颅磁刺激联合脑电图记录。 J. Vis. Exp.

背外侧前额叶皮层的经颅磁刺激联合脑电图检测

经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性脑刺激技术，在多种神经系统疾病中已显示出初步的治疗效果。这些治疗效应的主要机制是调节皮层兴奋性。因此，对皮层兴奋性进行在线监测将有助于指导刺激参数的设定，并优化其治疗效果。本文综述了一种新型设备的应用，该设备能够同时实现tDCS与脑电图（EEG）的实时同步监测。...

经颅直流电刺激期间同步脑电图监测

经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性脑刺激技术。该技术已成功应用于基础研究和临床环境中，以调节人类大脑功能。本文介绍了tDCS与同步功能性磁共振成像（fMRI）联合实施的方法，用于探究tDCS效应的神经机制。...

经颅直流电刺激与同步功能磁共振成像

本文介绍了如何设置同步进行经颅交流电刺激与脑电图实验的方法。...

经颅交流电刺激（tACS）期间同步进行脑电图记录

经颅交流电刺激（tACS）能够以频率特异性的方式调节皮层兴奋性。本文展示了一种独特的方法，将在线tACS与单脉冲经颅磁刺激（TMS）相结合，通过运动诱发电位来“探测”皮层兴奋性。...

经颅交流电刺激对初级运动皮层的影响：与经颅磁刺激在线联合应用的方法

经颅交流电刺激（tACS）是一种用于无创研究脑振荡的有前景的工具，但其效应尚未完全明确。本文介绍了一种安全且可靠的实验装置，可实现经颅交流电刺激与功能性磁共振成像的同步应用，有助于加深对脑部振荡功能及tACS效应的理解。...

同步经颅交流电刺激与功能磁共振成像

本文所述方案适用于采用皮层内兴奋性测试-重测设计范式的经颅磁刺激-脑电图（TMS-EEG）研究。该方案旨在获得可靠且可重复的皮层兴奋性测量指标，用于评估与神经精神疾病（如重度抑郁症）治疗中治疗干预相关的神经生理功能。...

背外侧前额叶皮层的经颅磁刺激联合脑电图记录

在实施经颅直流电刺激（tDCS）时，可重复的电极制备与放置对于确保刺激过程的安全性和有效性至关重要。本文旨在展示经颅直流电刺激及相关经颅电刺激技术（如经颅交流电刺激，tACS）的现代标准化操作流程。...

一种改进的经颅电刺激技术，可实现可靠、简便且耐受性良好的刺激，包括经颅直流电刺激

本文描述了实时脑电图触发的经颅磁刺激技术，用于研究和调控人类大脑网络。...

基于脑状态的脑刺激：实时脑电图触发的经颅磁刺激

学习将高清经颅交流电刺激与脑电图相结合的方法，用于研究认知任务中的神经振荡。该方案以工作记忆为案例，帮助研究人员评估刺激对神经活动的生理效应。

经颅交流电刺激与脑电图的联合应用

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