Artículo de investigación
Este protocolo establece un enfoque práctico para combinar HD-tACS con EEG para examinar los efectos de la estimulación sobre las oscilaciones neuronales durante las tareas cognitivas, utilizando la estimulación de frecuencia theta en la memoria de trabajo como ejemplo.
Las oscilaciones neuronales son parte integral de varios procesos cognitivos, incluida la memoria de trabajo, la atención y la percepción. La estimulación transcraneal de corriente alterna (tACS) ha surgido como una herramienta no invasiva para investigar las relaciones causales entre las oscilaciones cerebrales y las funciones cognitivas. Al dirigirse a frecuencias específicas, tACS puede modular la actividad oscilatoria, proporcionando información sobre el papel de los ritmos neuronales en el rendimiento cognitivo. Para comprender el impacto del tACS en la dinámica oscilatoria y los procesos cognitivos, es esencial combinar mediciones fisiológicas como el EEG con datos de comportamiento. El tACS de alta definición (HD-tACS) mejora la precisión espacial de la estimulación, lo que permite una orientación más localizada de áreas corticales específicas. Este protocolo describe un método para combinar HD-tACS con EEG para evaluar los cambios en las oscilaciones de frecuencia theta (4 Hz) en la corteza parietal izquierda. Las grabaciones de EEG se toman antes y después de la estimulación durante una tarea de memoria de trabajo de 2 espaldas para examinar la actividad theta. Este enfoque ofrece una poderosa herramienta para explorar los mecanismos neuronales que subyacen a la modulación cognitiva a través de la estimulación cerebral rítmica.
La estimulación transcraneal de corriente alterna (tACS) es un método de neuromodulación no invasivo que suministra corrientes eléctricas sinusoidales débiles al cerebro a frecuencias específicas o combinaciones de frecuencias 1,2. Como parte de la categoría más amplia de estimulación eléctrica transcraneal (tES), que también incluye la estimulación transcraneal de corriente continua (tDCS), la estimulación transcraneal de ruido aleatorio (tRNS) y la estimulación transcraneal de corriente pulsada (tPCS)3, tACS es particularmente notable por su capacidad para modular los ritmos cerebrales endógenos. A diferencia de otras modalidades de tES, tACS puede sincronizarse con oscilaciones neuronales en curso, mejorando o restaurando así las funciones cognitivas al arrastrar oscilaciones neuronales a frecuencias específicas 1,4,5,6. Además, el tACS es reconocido como una opción terapéutica potencial para el tratamiento de una amplia gama de trastornos psiquiátricos, como la mejora del rendimiento de la memoria en pacientes con enfermedad de Alzheimer7 y el alivio de los síntomas depresivos8.
Si bien el tACS tradicional basado en almohadillas ha demostrado su potencial, su distribución de corriente relativamente amplia puede limitar la orientación precisa9. El tACS de alta definición (HD-tACS) aborda este problema con un montaje de anillo 4×1, donde un electrodo central está rodeado por cuatro electrodos de retorno, lo que aumenta la focalidad al concentrar el flujo de corriente debajo del electrodo central 10,11,12. Este montaje puede lograr una mayor intensidad y duraciones más largas en comparación con el tACS tradicional basado en almohadillas13,14.
Las oscilaciones cerebrales reflejan la actividad sincronizada de los conjuntos neuronales y son fundamentales para varios procesos cognitivos15, incluida la memoria de trabajo10,16. Sin embargo, sigue siendo una pregunta abierta si estas oscilaciones juegan un papel funcional causal o simplemente se correlacionan con la cognición. Para revelar aún más una relación causal, los investigadores pueden aplicar protocolos de estimulación cerebral como tACS para modular la actividad oscilatoria yobservar los cambios de comportamiento correspondientes. Una comprensión integral de cómo la estimulación externa influye en la cognición requiere examinar no solo el rendimiento conductual sino también las medidas fisiológicas como el EEG. El EEG permite a los investigadores monitorear si el arrastre inducido por tACS altera la actividad neuronaly cómo lo hace.
Los artefactos masivos generados por tACS dificultaron el análisis confiable de las señales de EEG registradas durante la estimulación18,19. Aunque hay muchos investigadores que intentan separar los artefactos inducidos por tACS de la actividad cerebral, como PCA20, filtrado temporal21 y formación de haces22, la validez de estos intentos aún está en duda18. Una vez que cesa la estimulación, la población neuronal regresa gradualmente a su estado inicial, dando lugar a un eco de arrastre. Estos ecos de arrastre brindan una valiosa oportunidad para evaluar el arrastre neuronal mediante EEG, ya que ocurren después de la estimulación y, por lo tanto, están libres de artefactos inducidos por tACS. Sin embargo, la corta duración de los ecos de arrastre reduce la probabilidad de observar un arrastre neuronal confiable en el EEG. Por lo tanto, se necesita urgentemente un enfoque práctico para registrar el EEG inmediatamente después de la estimulación HD-tACS.
El objetivo del protocolo actual es demostrar cómo combinar HD-tACS con EEG de alta calidad para evaluar los efectos de la estimulación. Al registrar el EEG antes y después de una estimulación HD-tACS de 10 minutos (4Hz, oscilaciones theta) dirigida a la región parietal izquierda dentro de una tarea de memoria de trabajo 2-back, este protocolo permite a los investigadores evaluar los efectos neurofisiológicos de la estimulación sin artefactos inducidos por tACS. La tarea 2-back es un paradigma ampliamente utilizado para evaluar la memoria de trabajo, que implica tanto la manipulación como el almacenamiento de información23,24. Los procesos de memoria de trabajo, incluidos los que se realizan durante la tarea de 2 espaldas, están estrechamente relacionados con las oscilaciones theta en las redes frontales-parietales. Esto proporciona una sólida justificación teórica para dirigirse a la estimulación de la frecuencia theta en este paradigma 16,25,26. Para garantizar la calidad de los datos de EEG, recomendamos mantener la impedancia del electrodo de EEG por debajo de 5 kΩ y registrar los datos en un entorno estándar blindado eléctricamente. Los métodos descritos se pueden adaptar para otros objetivos de estimulación (p. ej., corteza prefrontal dorsolateral, DLPFC), otras bandas de frecuencia (p. ej., oscilaciones alfa) y otros paradigmas cognitivos (p. ej., atención). Los parámetros de estimulación como la intensidad y la duración, que son críticos para la efectividad de la estimulación, se pueden determinar en función de los objetivos específicos de la investigación. Esperamos que este protocolo facilite aplicaciones más amplias de la integración tACS-EEG y promueva una exploración más rigurosa de la dinámica de arrastre neuronal.
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El protocolo fue aprobado por la Junta de Revisión Institucional de la Universidad del Suroeste y se llevó a cabo de acuerdo con las pautas institucionales. Esta demostración de protocolo presenta datos de un participante adulto sano (edad = 25, mujer) para ilustrar los procedimientos del protocolo. El participante proporcionó su consentimiento informado por escrito antes del experimento. Los equipos utilizados se enumeran en la Tabla de Materiales.
1. Determinación de los parámetros de estimulación
Con base en investigaciones previas que investigaron las oscilaciones neuronales subyacentes a la memoria de trabajo 16,25,26, seleccionamos una frecuencia de estimulación de 4 Hz, una duración de estimulación de 10 minutos y la región parietal izquierda como el sitio objetivo para este protocolo.
2. Registro de EEG previo a la estimulación
Los datos de EEG de referencia se registraron mientras los participantes completaban una tarea de memoria de trabajo de 2 espaldas. Antes del experimento, se limpió el cuero cabelludo del participante. Todos los electrodos de EEG se llenaron con gel conductor con una jeringa de plástico. Específicamente, la punta de la jeringa se usó para separar el cabello a través de las aberturas de los electrodos, y el gel se inyectó para asegurar el contacto directo entre el electrodo y el cuero cabelludo. El cuero cabelludo se frotó suavemente con la punta de la jeringa hasta que la impedancia de cada electrodo se redujo por debajo de 5 kΩ. El encefálico EEG utilizado en este protocolo contenía 64 electrodos dispuestos de acuerdo con el sistema 10-20. La impedancia del electrodo se monitoreó haciendo clic en la opción Impedancia en la interfaz del software (Figura 1). Para garantizar una alta calidad del registro de EEG, el rango de visualización de impedancia se configuró en 0-5 kΩ. Los electrodos con valores de impedancia mostrados en naranja o verde se interpretaron por debajo de 5 kΩ. Una vez que se confirmó que la impedancia en todos los electrodos estaba por debajo de 5 kΩ, el registro del EEG se inició presionando Start en el software mientras el participante realizaba la tarea de 2 espaldas (Figura 2). Las señales de EEG también se visualizaron durante la tarea (Figura 2). El procedimiento de la tarea 2-back en nuestro protocolo se muestra en la Figura 3.
3. Preparación para la estimulación
Los participantes fueron evaluados primero para confirmar que no tenían antecedentes de trastornos neurológicos o psiquiátricos para tES. El cuero cabelludo del participante se limpió nuevamente antes de la estimulación. Todos los materiales necesarios se prepararon con anticipación (Figura 4). El equipo se ensambló de la siguiente manera27: Se instalaron baterías y se confirmó que estaban completamente cargadas. El cable de entrada se utilizó para conectar el estimulador tES de 2 canales a la interfaz de estimulación multicanal 4×1. Luego, el cable de salida se conectó a la interfaz 4×1 y se conectaron cinco electrodos de Ag / AgCl al cable de salida (Figura 5).
Una vez completadas todas las conexiones del dispositivo, se encendieron el estimulador tES de 2 canales y el sistema de interfaz 4×1. Se incrustaron cinco carcasas de plástico de alta definición (HD) en sitios específicos de electrodos (P3, CP3, P1, PO3, P5) en la tapa encefálica del EEG, y luego se colocó la tapa en la cabeza del participante (Figura 6).
Se aplicó un gel conductor de electricidad a la superficie del cuero cabelludo a través de la abertura de la carcasa HD. Con la punta de una jeringa, se separó el cabello para exponer el cuero cabelludo y se aplicó gel conductor directamente en el área expuesta. Luego se insertaron cinco electrodos en carcasas HD, con el electrodo No.5 colocado en el centro de la configuración en forma de anillo (es decir, P3). Los cuatro electrodos restantes se colocaron alrededor del electrodo central en los sitios adyacentes (es decir, P1, PO3, P5 y CP3; Figura 6). Del mismo modo, todos los electrodos de EEG se llenaron con gel conductor y se confirmó que sus impedancias estaban por debajo de 5 kΩ (Figura 1).
4. Estimulación
Antes de iniciar la estimulación, se confirmó que el modo predeterminado del estimulador estaba configurado en "SCAN". En este modo, el sistema mostraba la impedancia de cada electrodo individualmente (Figura 7). El valor de impedancia de cada electrodo se veía pulsando los botones numerados correspondientes en la interfaz 4×1. Los valores de impedancia por debajo de 1,5 indicaron una calidad aceptable27,28. Si algún valor de impedancia excedía este umbral, la carcasa de plástico correspondiente se ajustaba abriendo la tapa y frotando el cuero cabelludo con la punta de una jeringa para obtener el valor de impedancia deseado.
Los parámetros de estimulación se establecieron en el estimulador tES de 2 canales, incluida la forma de onda de la corriente, la duración y la intensidad (Figura 7). Se utilizaron cuatro perillas para establecer los parámetros respectivos. Se utilizó un joystick para activar o desactivar la condición simulada. En este protocolo, la estimulación se administró en una forma de onda de corriente alterna, 2 mA y 4 Hz durante 10 min. A continuación, el nivel "RELAX" se cambió a corriente completa. Luego, el modo estimulador se cambió de SCAN a PASS usando el botón MODE SELECT . La polaridad de estimulación (ánodo central o cátodo central) se seleccionó presionando el botón POLARITY .
La estimulación se inició presionando el botón START en el estimulador tES de 2 canales. La intensidad de la corriente aumentó gradualmente hasta que se alcanzó la intensidad objetivo. El temporizador mostró el tiempo de estimulación restante. Si el participante experimentó molestias durante la aceleración actual, la intensidad podría reducirse ligeramente usando la palanca "RELAX". Una vez que el participante se sintió cómodo nuevamente, la palanca "RELAX" se empujó gradualmente hacia adelante para reanudar la intensidad de la corriente completa. Si es necesario, la estimulación podría terminarse en cualquier momento utilizando el botón "ABORT".
5. Registro de EEG posterior a la estimulación
Después de la estimulación, las carcasas de plástico HD y los electrodos de estimulación se retiraron de la tapa encefálica del EEG. Los electrodos de EEG previamente retirados de las posiciones P3, CP3, P1, PO3 y P5 se volvieron a insertar en sus ubicaciones originales. Cada electrodo se insertó suavemente a través de su orificio designado en la tapa, siguiendo el diseño del sistema 10-20, y se aseguró alineándolo con el cuero cabelludo subyacente. Se usó la punta de una jeringa de plástico para separar el cabello a través de la abertura para asegurar el contacto directo con el cuero cabelludo, y se aplicó gel conductor a cada electrodo con la misma jeringa. A continuación, se comprobó la impedancia de cada electrodo de EEG y se confirmó que estaba por debajo de 5 kΩ antes de iniciar el registro del EEG posterior a la estimulación.
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Los datos de EEG se pueden analizar en el dominio del tiempo (p. ej., potenciales relacionados con eventos), dominio de frecuencia (p. ej., análisis espectral) o dominio de tiempo-frecuencia (p. ej., análisis de tiempo-frecuencia). En este caso, se utilizó el análisis de tiempo-frecuencia para examinar los cambios en la actividad oscilatoria asociados con la estimulación. Los datos de EEG adquiridos antes y después de la estimulación de un sujeto representativo se preprocesaron utilizand...
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La estimulación transcraneal de corriente alterna (tACS) ofrece un enfoque no invasivo para modular ritmos cerebrales específicos. Debido a su excelente resolución, el EEG es muy adecuado para examinar oscilaciones neuronales espontáneas y externas. La combinación de tACS con EEG proporciona un enfoque multimodal para investigar la función y la estructura del cerebro, y para explorar más a fondo los mecanismos neuronales subyacentes de los efectos de tACS. Por lo tanto, este protocolo pr...
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Los autores no tienen nada que revelar.
Este trabajo fue apoyado por becas de investigación de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (31972906), los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales (SWU2209235), el Plan Piloto de Investigación de Innovación 2035 de la Universidad del Suroeste (SWUPilotPlan006), el Fondo de Investigación Abierta del Laboratorio Estatal Clave de Neurociencia Cognitiva y Aprendizaje (CNLZD2102) y el Proyecto de Innovación de Investigación de Posgrado de la Universidad del Suroeste (SWUS24034).
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| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Cápsula encefálica EEG | PRODUCTOS CEREBRALES | BC-64-X42-UAMW-56 | 64 canales basados en el sistema 10-20 |
| 4&agudo; 1 HD-tES | Soterix médico | 4&agudo; 1-C3A | El Soterix 4 veces; Un adaptador HD-tDCS / HD-tES convierte cualquier estimulador Soterix Medical tDCS de 2 canales en un dispositivo HD-tDCS / tES. Los 4× 1 adaptador HD-tES no es un estimulador independiente y, durante la estimulación, no genera corriente. Más bien, el 4× 1 adaptador HD-tES divide y guía inteligentemente la corriente generada por un dispositivo de 2 canales, convirtiéndolo en HD-tES (HD-tDCS, HD-tACS, HD-tRNS, HD-tPCS, HD-tODCS). |
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