Etablierung einer gleichzeitigen transkraniellen Wechselstromstimulation und Elektroenzephalographie zur Aufzeichnung der menschlichen Gehirnaktivität

Abstract

Quelle: Fehér, K. D. et. al., Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS). J. Vis. Exp. (2016)

Dieses Video zeigt den Aufbau von gleichzeitigen Experimenten zur transkraniellen Wechselstromstimulation (tACS) und Elektroenzephalographie (EEG), um rhythmische elektrische Signale an das Gehirn zu liefern und gleichzeitig die Gehirnaktivität aufzuzeichnen. Das Verfahren gewährleistet die Elektrodenisolierung und verhindert Gelbrückenbildung für eine genaue Stimulation und saubere EEG-Signale.

Protocol

Alle Eingriffe, an denen menschliche Teilnehmer beteiligt sind, wurden in Übereinstimmung mit den institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien für das Wohlergehen des Menschen durchgeführt und vom lokalen institutionellen Prüfungsausschuss überprüft.

HINWEIS: Abbildung 1 zeigt die Montage und das Design der transkraniellen Wechselstromstimulationselektroden (tACS) und der Elektroenzephalographie (EEG)-Kappe. Wir verwenden eine elastische EEG-Kappe (Abbildung 1D), um die tACS-Elektrode an der Kopfhaut zu halten.

1. Montagen

HINWEIS: Die repräsentativen Ergebnisse stammen aus den folgenden tACS-Elektrodenmontagen.

1. Montage 1: Platzieren Sie beide Elektroden auf der Kopfhaut, am linken dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) (F3-Elektrode) und am linken hinteren parietalen Kortex (PPC) (P3-Elektrode) (Abbildung 1A).
2. Montage 2: Platzieren Sie eine tACS-Elektrode auf der Kopfhaut an der linken DLPFC-Elektrode (F3-Elektrode) und platzieren Sie eine weitere tACS-Elektrode an der linken Schulter (Abbildung 1B).
3. Montage 3: Platzieren Sie eine tACS-Elektrode auf der Kopfhaut an der linken PPC-Elektrode (P3-Elektrode) und platzieren Sie eine weitere tACS-Elektrode an der linken Schulter (Abbildung 1C).

2. Vorbereitung der tACS-Elektroden

1. Wenn eine Referenz-tACS-Elektrode auf der Schulter platziert wird (Montage 2 und 3), tun Sie dies zuerst.
   1. Bereiten Sie die Haut vor dem Einsetzen der Schulterelektrode mit einem abrasiven Hautpräparationsgel für EEG und Elektrokardiographie vor. Verwenden Sie ein Mullkissen, um die Haut leicht mit dem Gel zu schrubben.
   2. Tragen Sie EEG-Gel auf die tACS-Elektrode auf und legen Sie die Elektrode auf die Schulter.
   3. Befestigen Sie die Elektrode mit Klebeband an der Schulter.
2. Setzen Sie die EEG-Kappe auf. Stellen Sie die Position der Kappe gemäß dem internationalen 10-20-System für die Elektrodenpositionierung ein und befestigen Sie den Kinnriemen.
3. Markieren Sie Punkte, um anzuzeigen, wo die tACS-Elektrode auf der Kopfhaut positioniert wird. Verwenden Sie einen roten Stift auf Wasserbasis, da der Stift durch sein Farbmaterial die isolierende Wirkung verringert und er sich zum anderen leicht mit Wasser abwaschen lässt.
4. Wenn der Pen die Kopfhaut zum Markieren nicht erreicht, weil die Löcher in der EEG-Kappe zum Einführen des Gels zu eng sind (Abbildung 1D), verwenden Sie ein Holzstäbchen, z. B. den Holzgriff eines Wattestäbchens.
   1. Malen Sie die Spitze des Stäbchens gründlich an und verwenden Sie diese Spitze, um die Kopfhaut zu markieren.
   2. Entfernen Sie die EEG-Kappe und prüfen Sie, ob die Markierung erfolgreich war. Füllen Sie bei Bedarf die Markierung aus, damit sie später leicht zu erkennen ist.
5. Führen Sie die folgenden Schritte (2.5.1-2.5.4) in Abhängigkeit von der Haarlänge des Teilnehmers durch. Wenn der Teilnehmer kurze Haare (bis ca. 10 Zentimeter) hat, überspringen Sie die folgenden Schritte (zu beachten ist auch, dass bestimmte Frisuren, wie z.B. Dreadlocks, das Anlegen von tACS-Elektroden unmöglich machen). Wenn der Teilnehmer längere Haare hat:
   1. Platzieren Sie die tACS-Elektrode so, dass ihre Mitte durch den roten Fleck auf der Kopfhaut markiert ist. Beachten Sie, dass zu diesem Zeitpunkt kein EEG-Gel auf die tACS-Elektrode aufgetragen werden sollte.
   2. Fädeln Sie alle Haare im inneren Ring der tACS-Elektrode aus.
   3. Binden Sie die ausgefädelten Haare mit Kabelbindern zusammen. Achten Sie darauf, dass die Haare um die tACS-Elektrode herum nicht durch die Kabelbinder mit ihr verbunden werden.
   4. Nachdem das Haar gebunden wurde, entfernen Sie die tACS-Elektrode.
6. Tragen Sie das EEG-Gel auf die Kopfhaut der tACS-Elektrode auf.
   1. Bevor du das Gel aufträgst, verbinde die tACS-Elektroden der Kopfhaut und der Schulter mit dem Stimulator, schalte den Stimulator aber noch nicht ein. Tragen Sie eine dünne Schicht EEG-Gel auf die tACS-Elektrode auf. Ein spärlicher Auftrag des Gels ist wichtig.
   2. Setzen Sie die tACS-Elektrode vorsichtig wieder auf den Kopf.
      1. Wenn der Teilnehmer längere Haare hat, fädeln Sie die gebundenen Haare durch das innere Loch der tACS-Elektrode zurück, ohne dass sie das EEG-Gel auf der tACS-Elektrode berühren.
      2. Achten Sie beim Platzieren der tACS-Elektrode genau auf die rote Markierung auf der Kopfhaut, die in der Mitte der tACS-Elektrode gehalten wird. Sobald die tACS-Elektrode auf der Kopfhaut platziert wurde, darf ihre Position nicht mehr verändert werden.
      3. Entfernen Sie die Kabelbinder aus dem Haar, sobald die tACS-Elektrode platziert wurde.
   3. Schalten Sie den Stimulator ein und überwachen Sie die Impedanz. Achten Sie bei vorsichtigem Druck auf die tACS-Elektrode sehr darauf, dass der rote Markierungsfleck immer in der Mitte der tACS-Elektrode bleibt.
   4. Heben Sie vorsichtig die Ränder der tACS-Elektrode an und tragen Sie etwas mehr EEG-Gel unter das Haar auf, nicht zwischen die tACS-Elektrode und das Haar (Abbildung 2). Dies ist besonders wichtig, wenn der Teilnehmer viele Haare hat (siehe Diskussion).
   5. Üben Sie weiterhin Druck auf die tACS-Elektrode aus, bis die Impedanz stabil unter 10 kΩ liegt. Überwachen Sie die Impedanz der tACS-Elektrode mit dem tACS-Stimulator. Geben Sie bei Bedarf vorsichtig zusätzliches EEG-Gel hinzu, aber immer nur spärlich.
      HINWEIS: Die Impedanz der vom tACS-Stimulator überwachten tACS-Elektrode wird zwischen den tACS-Elektroden gemessen, was den Nachteil hat, dass nicht für jede Elektrode separate Impedanzwertinformationen bereitgestellt werden. Abhängig vom EEG-Verstärkersystem kann es auch möglich sein, über dieses die Impedanz der tACS-Elektroden zu messen und dann die Impedanz für jede Elektrode separat zu messen.
   6. Achten Sie auf das aus der tACS-Elektrode austretende Gel und entfernen Sie überschüssiges EEG-Gel mit einem Wattestäbchen.

3. Montage der EEG-Kappe

1. Nachdem die Impedanz der tACS-Elektroden den Schwellenwert von 10 kΩ unterschritten hat, montieren Sie die EEG-Kappe wieder. Setzen Sie die EEG-Kappe sehr vorsichtig und vorsichtig auf, insbesondere wenn das Material der EEG-Kappe elastisch ist, da sich die Position der tACS-Elektrode der Kopfhaut bei diesem Schritt sonst leicht verschieben lässt.
   HINWEIS: Durch die Verschiebung der tACS-Elektrode wird das EEG-Gel unter der tACS-Elektrode ausgebreitet und das EEG-Gel bildet eine Brücke mit den EEG-Elektroden. Es ist wichtig, eine elastische Kappe nicht mit Gewalt nach unten zu ziehen, da dies dazu führen kann, dass sie danach zurückprallt, was ebenfalls zu einer Bewegung der tACS-Elektrode führen würde.
2. Befestigen Sie den Riemen der EEG-Kappe.

4. Vorbereitung der EEG-Elektroden

1. Tragen Sie ein EEG-Gel mit geeigneter Viskosität (wie in der Diskussion ausführlich besprochen) auf die EEG-Elektroden auf, um einen Kontakt zwischen der Kopfhaut und den EEG-Elektroden herzustellen. Beginnen Sie mit den Erdungs- und Referenz-EEG-Elektroden. Fahren Sie dann mit den Elektroden fort, die sich in der Nähe der tACS-Elektrode befinden. Fahren Sie dann mit den restlichen Elektroden fort (siehe Diskussion).
2. Bei EEG-Elektroden, die die tACS-Elektrode umgeben, injizieren Sie das Gel, wobei die Nadelspitze in eine Richtung zeigt, die von der tACS-Elektrode weg zeigt. Drücken Sie die EEG-Elektroden beim Auftragen des Gels vorsichtig nach unten, damit das Gel nicht unter den Elektroden austritt.
3. Verwenden Sie ein Holzstäbchen, um den Kontakt zwischen den EEG-Elektroden und der Kopfhaut zu erhöhen, wie in Abbildung 3 dargestellt. Verwenden Sie die Nadelspitze nicht zu diesem Zweck, da sie die Kopfhaut des Teilnehmers abkratzt und außerdem für diesen Zweck nicht so effektiv ist.
   1. Drücke das Gel mit dem Stick in Richtung Kopfhaut und reibe die Kopfhaut sehr vorsichtig mit der Oberseite des Sticks in einer rotierenden Bewegung. Versuchen Sie bei Elektroden, die sich in unmittelbarer Nähe der tACS-Elektrode befinden, den Winkel des Stäbchens orthogonal zur Kopfhaut zu halten, da seitliche Bewegungen des Stäbchens das Gel unter der Elektrode verteilen. Tragen Sie bei Bedarf noch etwas EEG-Gel auf und verwenden Sie dann den Holzstab, um die Impedanz weiter zu verbessern.
4. Um eine Überbrückung durch auslaufendes Gel zu vermeiden (Abbildung 4), seien Sie sparsam beim Auftragen des Gels, um die Impedanz der EEG-Elektroden in unmittelbarer Nähe der tACS-Elektrode zu senken. Versuchen Sie stattdessen, die Impedanz so weit wie möglich zu senken, indem Sie nur den Holzstab verwenden, bevor Sie in Erwägung ziehen, mehr Gel hinzuzufügen.
5. Sobald Sie mit dem Holzstäbchen eine gute Impedanz erreicht haben, führen Sie die Nadel vorsichtig ein und bringen Sie sie nach unten, bis die Spitze die Kopfhaut berührt. Tragen Sie dann vorsichtig Gel auf, während Sie die Nadel herausziehen, und tragen Sie so dazu bei, den Kontakt zwischen der EEG-Elektrode und der Kopfhaut zu stabilisieren.
6. Streben Sie EEG-Elektrodenimpedanzen unter 5 kΩ an, um optimale Daten zu erzielen, da dies Rauschstörungen und Signalverzerrungen reduziert.
7. Nachdem die Impedanzen auf das entsprechende Niveau abgesenkt wurden, testen Sie, ob zwischen der tACS-Elektrode und den umgebenden EEG-Elektroden aufgrund eines austretenden Gels eine Brücke entstanden ist.
   1. Wenden Sie eine kurze sinusförmige Stimulation mit einer Intensität von experimentellem Interesse an (z.B. 1 mA Spitze-zu-Spitze).
      HINWEIS: Aufgrund von Einschränkungen einiger Systeme (siehe Materialtabelle) ist es nicht möglich, das Bridging online zu überprüfen, sondern nur durch Anwenden von Stimulation und anschließendes Überprüfen, ob ein Kanal des EEG-Verstärkers gesättigt wird.
   2. Prüfen Sie, ob ein Kanal während der Stimulation gesättigt ist.
      HINWEIS: Wie aus den repräsentativen Ergebnissen hervorgeht, führt die Überbrückung durch austretendes Gel zwischen den tACS- und EEG-Elektroden zu einer Sättigung dieses Kanals des EEG-Verstärkers und schließt die Aufzeichnung von Daten von diesen Elektroden aus. Ist eine Überbrückung über auslaufendes Gel einmal etabliert, ist es nicht mehr möglich, diese wieder rückgängig zu machen. Die einzige Möglichkeit besteht darin, das Experiment zu unterbrechen.
8. Überprüfen Sie die Impedanzen erneut. Beginnen Sie dann mit der Aufnahme.

Results

Abbildung 1. Illustration der Montage. (A) Montage mit zwei tACS-Elektroden, die auf der Kopfhaut platziert werden (F3 und P3). (B) Montage mit einer tACS-Elektrode auf der Kopfhaut (F3) und einer Referenz-tACS-Elektrod...

Materials