Die Kombination aus transkranieller Wechselstromstimulation und Elektroenzephalogramm

Zusammenfassung

Dieses Protokoll etabliert einen praktischen Ansatz für die Kombination von HD-tACS mit EEG, um Stimulationseffekte auf neuronale Schwingungen während kognitiver Aufgaben zu untersuchen, am Beispiel der Theta-Frequenz-Stimulation im Arbeitsgedächtnis.

Zusammenfassung

Neuronale Oszillationen sind integraler Bestandteil verschiedener kognitiver Prozesse, einschließlich Arbeitsgedächtnis, Aufmerksamkeit und Wahrnehmung. Die transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) hat sich als nicht-invasives Instrument zur Untersuchung kausaler Zusammenhänge zwischen Gehirnschwingungen und kognitiven Funktionen herausgestellt. Durch die Ausrichtung auf bestimmte Frequenzen kann tACS die oszillatorische Aktivität modulieren und Einblicke in die Rolle neuronaler Rhythmen für die kognitive Leistung geben. Um den Einfluss von tACS auf die oszillatorische Dynamik und kognitive Prozesse zu verstehen, ist es unerlässlich, physiologische Messungen wie EEG mit Verhaltensdaten zu kombinieren. High-Definition tACS (HD-tACS) verbessert die räumliche Präzision der Stimulation und ermöglicht ein lokaleres Targeting bestimmter kortikaler Bereiche. Dieses Protokoll beschreibt eine Methode zur Kombination von HD-tACS mit EEG zur Beurteilung von Veränderungen der Theta-Frequenz (4 Hz) Oszillationen im linken parietalen Kortex. EEG-Aufzeichnungen werden vor und nach der Stimulation während einer 2-Back-Arbeitsgedächtnisaufgabe gemacht, um die Theta-Aktivität zu untersuchen. Dieser Ansatz bietet ein leistungsfähiges Werkzeug zur Erforschung der neuronalen Mechanismen, die der kognitiven Modulation durch rhythmische Hirnstimulation zugrunde liegen.

Einleitung

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.

Protokoll

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.

Ergebnisse

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 vor...

Diskussion

Die transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) bietet einen nicht-invasiven Ansatz zur Modulation spezifischer Hirnrhythmen. Aufgrund seiner hervorragenden Auflösung eignet sich das EEG gut, um sowohl spontane als auch extern mitgeführte neuronale Schwingungen zu untersuchen. Die Kombination von tACS mit EEG bietet einen multimodalen Ansatz, um die Funktion und Struktur des Gehirns zu untersuchen und die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen von tACS-Effekten weiter zu erforschen....

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
EEG-Braincap	GEHIRNPRODUKTE	BC-64-X42-UAMW-56	64 Kanäle basierend auf dem 10-20-System
4&akut; 1 HD-tES	Soterix Medical	4&akut; 1-C3A	Die Soterix 4× Ein HD-tDCS / HD-tES Adapter wandelt jeden 2-Kanal-Soterix Medical tDCS-Stimulator in ein HD-tDCS / tES-Gerät um. Die 4&Times; Ein HD-tES-Adapter ist kein eigenständiger Stimulator und erzeugt während der Stimulation keinen Strom. Vielmehr sind die 4&-Male; Ein HD-tES-Adapter teilt und lenkt intelligent den Strom, der von einem 2-Kanal-Gerät erzeugt wird, und wandelt ihn in HD-tES (HD-tDCS, HD-tACS, HD-tRNS, HD-tPCS, HD-tODCS) um.