Die Kombination aus transkranieller Wechselstromstimulation und Elektroenzephalogramm

Die transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) ist eine nichtinvasive Neuromodulationsmethode, die dem Gehirn schwache sinusförmige elektrische Ströme bei bestimmten Frequenzen oder Frequenzkombinationen zuführt ^1,2. Als Teil der breiteren Kategorie der transkraniellen elektrischen Stimulation (tES), zu der auch die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS), die transkranielle Zufallsrauschstimulation (tRNS) und die transkranielle gepulste Stromstimulation (tPCS)³ gehören, zeichnet sich die tACS besonders durch ihre Fähigkeit aus, endogene Hirnrhythmen zu modulieren. Im Gegensatz zu anderen tES-Modalitäten kann tACS mit laufenden neuronalen Schwingungen synchronisieren, wodurch kognitive Funktionen verbessert oder wiederhergestellt werden, indem neuronale Schwingungen bei Zielfrequenzen mitgerissen^werden 1,4,5,6. Darüber hinaus ist tACS als potenzielle Therapieoption für die Behandlung einer Vielzahl von psychiatrischen Störungen anerkannt, wie z. B. die Verbesserung der Gedächtnisleistung bei Patienten mit Alzheimer-Krankheit⁷ und die Linderung depressiver Symptome⁸.

Während herkömmliche padbasierte tACS ihr Potenzial unter Beweis gestellt haben, kann ihre relativ breite Stromverteilung die präzise Zielerfassung einschränken⁹. High-Definition tACS (HD-tACS) löst dieses Problem mit einer 4×1-Ringmontage, bei der eine zentrale Elektrode von vier Rücklaufelektroden umgeben ist, wodurch die Fokalität durch Konzentration des Stromflusses unter der zentralen Elektrode 10,11,12 erhöht wird. Mit dieser Montage können im Vergleich zu herkömmlichen padbasierten tACS^13,14 eine höhere Intensität und längere Dauern erreicht werden.

Gehirnoszillationen spiegeln die synchronisierte Aktivität neuronaler Ensembles wider und sind grundlegend für verschiedene kognitive Prozesse¹⁵, einschließlich des Arbeitsgedächtnisses^10,16. Es bleibt jedoch offen, ob diese Oszillationen eine kausale funktionelle Rolle spielen oder lediglich mit der Kognition korrelieren. Um einen kausalen Zusammenhang weiter aufzudecken, können Forscher Hirnstimulationsprotokolle wie tACS anwenden, um die oszillatorische Aktivität zu modulieren und entsprechende Verhaltensänderungen zu beobachten¹. Um umfassend zu verstehen, wie externe Stimulation die Kognition beeinflusst, muss nicht nur die Verhaltensleistung, sondern auch physiologische Messungen wie das EEG untersucht werden. Mit dem EEG können Forscher überwachen, ob und wie tACS-induziertes Entrainment die neuronale Aktivität verändert ^1,17.

Die massiven Artefakte, die von tACS erzeugt wurden, erschwerten die zuverlässige Analyse von EEG-Signalen, die während der Stimulation aufgezeichnet wurden^18,19. Obwohl es viele Forscher gibt, die versuchen, tACS-induzierte Artefakte von der Gehirnaktivität zu trennen, wie z. B. PCA²⁰, temporale Filterung²¹ und Beamforming²², ist die Gültigkeit dieser Versuche noch zweifelhaft¹⁸. Nach Beendigung der Stimulation kehrt die neuronale Population allmählich in ihren Ausgangszustand zurück, was zu einem Entrainment-Echo führt. Diese Entrainment-Echos bieten eine wertvolle Möglichkeit, das neuronale Entrainment mittels EEG zu beurteilen, da sie nach der Stimulation auftreten und somit frei von tACS-induzierten Artefakten sind. Die kurze Dauer der Entrainment-Echos verringert jedoch die Wahrscheinlichkeit, ein zuverlässiges neuronales Entrainment im EEG zu beobachten. Daher ist ein praktischer Ansatz zur Aufzeichnung des EEGs unmittelbar nach der HD-tACS-Stimulation dringend erforderlich.

Das Ziel des aktuellen Protokolls ist es, zu demonstrieren, wie HD-tACS mit hochwertigem EEG kombiniert werden kann, um die Auswirkungen der Stimulation zu bewerten. Durch die Aufzeichnung des EEGs vor und nach einer 10-minütigen HD-tACS-Stimulation (4 Hz, Theta-Oszillationen), die auf die linke parietale Region im Rahmen einer Arbeitsgedächtnis-2-Back-Aufgabe abzielt, ermöglicht dieses Protokoll den Forschern, die neurophysiologischen Effekte der Stimulation ohne tACS-induzierte Artefakte zu bewerten. Die 2-Back-Aufgabe ist ein weit verbreitetes Paradigma zur Bewertung des Arbeitsgedächtnisses, das sowohl die Manipulation als auch die Speicherung von Informationen beinhaltet^23,24. Arbeitsgedächtnisprozesse, einschließlich derer, die während der 2-Back-Aufgabe beansprucht werden, sind eng mit Theta-Oszillationen in frontal-parietalen Netzwerken verbunden. Dies liefert eine starke theoretische Begründung für die gezielte Theta-Frequenz-Stimulation in diesem Paradigma 16,25,26. Um die Qualität der EEG-Daten zu gewährleisten, empfehlen wir, die Impedanz der EEG-Elektrode unter 5 kΩ zu halten und die Daten in einer standardmäßig elektrisch abgeschirmten Umgebung aufzuzeichnen. Die skizzierten Methoden können für andere Stimulationsziele (z. B. dorsolateraler präfrontaler Kortex, DLPFC), andere Frequenzbänder (z. B. Alpha-Oszillationen) und andere kognitive Paradigmen (z. B. Aufmerksamkeit) angepasst werden. Stimulationsparameter wie Intensität und Dauer, die für die Wirksamkeit der Stimulation entscheidend sind, können auf der Grundlage der spezifischen Forschungsziele bestimmt werden. Wir hoffen, dass dieses Protokoll breitere Anwendungen der tACS-EEG-Integration erleichtern und eine rigorosere Erforschung der neuronalen Entrainment-Dynamik fördern wird.

Das Protokoll wurde vom Institutional Review Board der Southwest University genehmigt und in Übereinstimmung mit den institutionellen Richtlinien durchgeführt. Diese Protokolldemonstration zeigt die Daten eines gesunden erwachsenen Teilnehmers (Alter = 25, weiblich), um die Protokollabläufe zu veranschaulichen. Der Teilnehmer gab vor dem Experiment eine schriftliche Einverständniserklärung ab. Die verwendeten Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Bestimmung der Stimulationsparameter

Basierend auf früheren Forschungen, die neuronale Oszillationen untersuchten, die dem Arbeitsgedächtnis zugrunde liegen 16,25,26, wählten wir eine Stimulationsfrequenz von 4 Hz, eine Stimulationsdauer von 10 Minuten und die linke parietale Region als Zielort für dieses Protokoll.

2. EEG-Aufzeichnung vor der Stimulation

Die EEG-Ausgangsdaten wurden aufgezeichnet, während die Teilnehmer eine Arbeitsgedächtnis-2-Back-Aufgabe absolvierten. Vor dem Experiment wurde die Kopfhaut des Teilnehmers gereinigt. Alle EEG-Elektroden wurden mit einer Kunststoffspritze mit leitfähigem Gel gefüllt. Konkret wurde die Spritzenspitze verwendet, um das Haar durch die Elektrodenöffnungen zu scheiteln, und das Gel wurde injiziert, um einen direkten Kontakt zwischen der Elektrode und der Kopfhaut zu gewährleisten. Die Kopfhaut wurde vorsichtig mit der Spritzenspitze gerieben, bis die Impedanz jeder Elektrode auf unter 5 kΩ gesunken war. Das in diesem Protokoll verwendete EEG-Braincap enthielt 64 Elektroden, die nach dem 10-20-System angeordnet waren. Die Elektrodenimpedanz wurde durch Klicken auf die Option Impedanz in der Softwareoberfläche überwacht (Abbildung 1). Um eine hohe Qualität der EEG-Aufzeichnung zu gewährleisten, wurde der Anzeigebereich der Impedanz auf 0-5 kΩ eingestellt. Elektroden mit orange oder grün angezeigten Impedanzwerten wurden als unter 5 kΩ interpretiert. Nachdem bestätigt wurde, dass die Impedanz an allen Elektroden unter 5 kΩ lag, wurde die EEG-Aufzeichnung durch Drücken von Start in der Software gestartet, während der Teilnehmer die 2-Back-Aufgabe ausführte (Abbildung 2). Die EEG-Signale wurden während der Aufgabe ebenfalls visualisiert (Abbildung 2). Die Vorgehensweise der 2-Back-Aufgabe in unserem Protokoll ist in Abbildung 3 dargestellt.

3. Vorbereitung auf die Stimulation

Die Teilnehmer wurden zunächst untersucht, um zu bestätigen, dass sie keine neurologischen oder psychiatrischen Störungen für tES in der Vorgeschichte hatten. Die Kopfhaut des Teilnehmers wurde vor der Stimulation erneut gereinigt. Alle notwendigen Materialien wurden im Vorfeld vorbereitet (Abbildung 4). Das Gerät wurde wie folgt zusammengebaut²⁷: Die Batterien wurden eingebaut und es wurde bestätigt, dass sie vollständig geladen sind. Das Eingangskabel wurde verwendet, um den 2-Kanal-tES-Stimulator mit der 4×1-Mehrkanal-Stimulationsschnittstelle zu verbinden. Anschließend wurde das Ausgangskabel an die 4×1-Schnittstelle angeschlossen, und fünf Ag/AgCl-Elektroden wurden an das Ausgangskabel angeschlossen (Abbildung 5).

Nachdem alle Geräteverbindungen abgeschlossen waren, wurden der 2-Kanal-tES-Stimulator und das 4×1-Schnittstellensystem eingeschaltet. Fünf High-Definition-Kunststoffgehäuse (HD) wurden in spezifische Elektrodenstellen (P3, CP3, P1, PO3, P5) in der EEG-Hirnkappe eingebettet und die Kappe dann auf den Kopf des Teilnehmers gesetzt (Abbildung 6).

Ein elektrisch leitfähiges Gel wurde durch die Öffnung des HD-Gehäuses auf die Kopfhautoberfläche aufgetragen. Mit der Spitze einer Spritze wurde das Haar gescheitelt, um die Kopfhaut freizulegen, und leitfähiges Gel wurde direkt auf die freiliegende Stelle aufgetragen. Fünf Elektroden wurden dann in HD-Gehäuse eingeführt, wobei Elektrode Nr. 5 in der Mitte der ringförmigen Konfiguration (d. h. P3) positioniert war. Die restlichen vier Elektroden wurden um die zentrale Elektrode an den angrenzenden Stellen (d. h. P1, PO3, P5 und CP3; Abbildung 6). In ähnlicher Weise wurden alle EEG-Elektroden mit leitfähigem Gel gefüllt und ihre Impedanzen wurden mit unter 5 kΩ bestätigt (Abbildung 1).

4. Stimulation

Vor Beginn der Stimulation wurde bestätigt, dass der Standardmodus des Stimulators auf "SCAN" eingestellt war. In diesem Modus zeigte das System die Impedanz jeder Elektrode einzeln an (Abbildung 7). Der Impedanzwert jeder Elektrode wurde durch Drücken der entsprechenden nummerierten Tasten an der 4×1-Schnittstelle angezeigt. Impedanzwerte unter 1,5 zeigten eine akzeptable Qualität^{an 27,28}. Wenn ein Impedanzwert diesen Schwellenwert überschritt, wurde das entsprechende Kunststoffgehäuse angepasst, indem die Kappe geöffnet und die Kopfhaut mit der Spitze einer Spritze geschrubbt wurde, um den gewünschten Impedanzwert zu erhalten.

Die Stimulationsparameter wurden am 2-Kanal-tES-Stimulator eingestellt, einschließlich der aktuellen Wellenform, der Dauer und der Intensität (Abbildung 7). Über vier Drehregler wurden die jeweiligen Parameter eingestellt. Ein Joystick wurde verwendet, um den Scheinzustand ein- oder auszuschalten. In diesem Protokoll wurde die Stimulation in einer Wechselstromwellenform von 2 mA und 4 Hz für 10 Minuten verabreicht. Als nächstes wurde der Pegel "RELAX" auf Vollstrom umgeschaltet. Der Stimulatormodus wurde dann mit der MODE SELECT-Taste von SCAN auf PASS umgestellt. Die Polarität der Stimulation (Mitte-Anode oder Mitte-Kathode) wurde durch Drücken der POLARITY-Taste ausgewählt.

Die Stimulation wurde durch Drücken der START-Taste am 2-Kanal-tES-Stimulator eingeleitet. Die Stromintensität wurde schrittweise erhöht, bis die Zielintensität erreicht war. Der Timer zeigte die verbleibende Stimulationszeit an. Verspürte der Teilnehmer während des aktuellen Hochlaufs Unwohlsein, konnte die Intensität mit dem "RELAX"-Hebel leicht reduziert werden. Fühlte sich der Teilnehmer wieder wohl, wurde der "RELAX"-Hebel nach und nach nach vorne geschoben, um wieder die volle Stromstärke zu erreichen. Bei Bedarf kann die Stimulation jederzeit mit der Taste "ABORT" beendet werden.

5. EEG-Aufzeichnung nach der Stimulation

Nach der Stimulation wurden die HD-Kunststoffgehäuse und die Stimulationselektroden aus der EEG-Hirnkappe entfernt. Die EEG-Elektroden, die zuvor aus den Positionen P3, CP3, P1, PO3 und P5 entfernt worden waren, wurden wieder an ihre ursprünglichen Positionen eingesetzt. Jede Elektrode wurde vorsichtig durch das dafür vorgesehene Loch in der Kappe eingeführt, dem 10-20-Systemlayout folgend, und durch Ausrichten mit der darunter liegenden Kopfhaut gesichert. Die Spitze einer Plastikspritze wurde verwendet, um das Haar durch die Öffnung zu scheiteln, um einen direkten Kontakt mit der Kopfhaut zu gewährleisten, und leitfähiges Gel wurde mit derselben Spritze auf jede Elektrode aufgetragen. Die Impedanz jeder EEG-Elektrode wurde dann überprüft und bestätigt, dass sie unter 5 kΩ lag, bevor die EEG-Aufzeichnung nach der Stimulation eingeleitet wurde.

EEG-Daten können im Zeitbereich (z. B. ereigniskorrelierte Potentiale), im Frequenzbereich (z. B. Spektralanalyse) oder im Zeit-Frequenz-Bereich (z. B. Zeit-Frequenz-Analyse) analysiert werden. In diesem Fall wurde eine Zeit-Frequenz-Analyse verwendet, um Veränderungen der oszillatorischen Aktivität im Zusammenhang mit der Stimulation zu untersuchen. EEG-Daten, die vor und nach der Stimulation von einem repräsentativen Probanden erhoben wurden, wurden mit der EEGLAB-Toolbox in MATLAB vorverarbeitet. Die Vorverarbeitungsschritte umfassten unter anderem: Das kontinuierliche EEG wurde mit 40 Hz Tiefpass- und 0,1 Hz Hochpassfiltern gefiltert. Die EEG-Daten wurden dann in Epochen von 1000 ms vor bis 1300 ms nach dem Einsetzen des Stimulus segmentiert. Die langen Epochen verhinderten Fensterartefakte in der Zeit-Frequenz-Analyse. Die Baseline-Korrektur wurde von 200 ms auf 0 ms angewendet. Die Referenz wurde auf die bilateralen Mastoide verwiesen. Die unabhängige Komponentenanalyse (ICA) wurde verwendet, um nicht-kortikale physiologische Artefakte (z. B. Herz, Muskeln, Okular) und nicht-physiologische Artefakte (z. B. Umgebungsgeräusche, Bewegungen) zu entfernen29. Abbildung 7 zeigt die Wirksamkeit der Artefaktablehnung, indem sie zeigt, dass Augenartefakte entfernt wurden. Epochen mit Artefakten von mehr als ±100 μV wurden dann entfernt. Die Zeit-Frequenz-Zerlegung wurde an jeder Elektrode und jedem Versuch unter Verwendung einer Kurzzeit-Fourier-Transformation und eines festen Hanning-Fensters von 200 ms durchgeführt, das den Zeitbereich von -1000 ms bis 1000 ms relativ zum Stimulusbeginn (mit 1 ms Abtastschritt) und Frequenzen von 1 Hz bis 30 Hz (mit 1 Hz Abtastschritt) abdeckte. Die Leistungsschätzungen wurden dann auf Dezibel (dB) neu skaliert, wobei ein Ausgangswert von -800 ms bis -200 ms vor Beginn des Stimulus verwendet wurde.

Die Spektrogramme, die in Abbildung 8 dargestellt sind, zeigen die mittlere ereigniskorrelierte spektrale Störung (ERSP) für die Vor- und Nachstimulation. Die Auswirkungen der Stimulation können durch den Vergleich der Schwingungskraft zwischen Vor- und Nachstimulation beurteilt werden. In diesem Fall wurde eine ereigniskorrelierte Desynchronisation (ERD) in den Theta-Oszillationen zwischen 0,4 s und 0,6 s nach Stimulusbeginn beobachtet, deren Ausmaß nach der Stimulation abnahm.

Diese Ergebnisse zeigen, dass HD-tACS messbare Veränderungen der neuronalen Oszillationen induzieren kann, was sich in einer Verringerung der Theta-Band-ERD nach der Stimulation im Vergleich zum Ausgangswert vor der Stimulation zeigt. Somit bietet dieses Protokoll einen praktischen Ansatz zur Kombination von HD-tACS mit EEG (Abbildung 9), der es ermöglicht zu untersuchen, ob und wie tACS-induziertes Entrainment neuronale Oszillationen moduliert.

DATENVERFÜGBARKEIT:
Alle EEG-Rohdaten sind im Open Science Framework (OSF) verfügbar: https://osf.io/6wc9x/?view_only=6486cbeb82394610a192feabba32e607

Abbildung 1: EEG-Impedanzprüfung. Screenshot der EEG-Impedanz. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: EEG-Aufzeichnung. Screenshot der EEG-Aufzeichnung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Prozedur für 2-Back-Aufgaben. Die Buchstaben werden sequentiell für bis zu 1000 ms mit einem Inter-Stimulus-Intervall von 500 ms präsentiert. Der Teilnehmer wurde angewiesen, die linke Taste zu drücken, wenn der aktuelle Buchstabe mit dem Ziel übereinstimmte, und die rechte Taste, wenn er nicht übereinstimmte. Die 2-Rücken-Aufgabe besteht aus 98 Versuchen, bestehend aus 48 übereinstimmenden Zielen. Die Ansprechgenauigkeit und die Reaktionszeit wurden für jeden Versuch aufgezeichnet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Notwendige Materialien für die Stimulation. Zu diesen Materialien gehören eine 4×1-Mehrkanal-Stimulationsschnittstelle, eine transkranielle elektrische Stimulatorschnittstelle mit 1×1 niedriger Intensität, fünf Ag/AgCl-Ringelektroden, fünf HD-Kunststoffgehäuse und ihre jeweiligen Kappen, ein elektrisch leitfähiges Gel, eine EEG-Gehirnkappe und vier Batterien. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Fünf Ag/AgCl-Elektroden, die an das Ausgangskabel angeschlossen sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 6: Eingebettete Stimulationselektroden in der EEG-Hirnkappe. Stimulationselektroden wurden an den Stellen P3, CP3, P1, PO3 und P5 unter Verwendung von HD-Kunststoffgehäusen eingebettet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 7: Stimulator-Schnittstelle. Das 4×1-Mehrkanal-Stimulations-Interface umfasst die Impedanz jeder Elektrode, die Modusauswahl und die Polarität. Das transkranielle elektrische Stimulator-Interface 1×1 mit niedriger Intensität umfasst die eingestellten Stimulationsparameter, die verbleibende Zeit, die Kontaktqualität, die Frequenz, den Echtstrom und den Entspannungsgrad. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 8: Repräsentativer Screenshot der ICA-basierten Artefaktabstoßung. (A) EEG-Rohdaten, die vor der ICA-Zerlegung mit Augenartefakten kontaminiert waren. (B) Bereinigte EEG-Daten nach Entfernung von Augenartefakten durch ICA-Zersetzung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 9: EEG-Zeit-Frequenz-Ergebnisse von einem repräsentativen Teilnehmer. (A) Ereigniskorrelierte spektrale Störung (ERSP) für Prä- und Poststimulation. (B) Theta-Leistung (4-7 Hz) während 0,4-0,6 s nach Stimulusbeginn unter beiden Bedingungen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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