La combinaison de la stimulation transcrânienne à courant alternatif et de l’électroencéphalogramme

Résumé

Ce protocole établit une approche pratique pour combiner HD-tACS avec EEG afin d’examiner les effets de la stimulation sur les oscillations neuronales pendant les tâches cognitives, en utilisant la stimulation à fréquence thêta dans la mémoire de travail comme exemple.

Résumé

Les oscillations neuronales font partie intégrante de divers processus cognitifs, notamment la mémoire de travail, l’attention et la perception. La stimulation transcrânienne à courant alternatif (tACS) est apparue comme un outil non invasif pour étudier les relations causales entre les oscillations cérébrales et les fonctions cognitives. En ciblant des fréquences spécifiques, tACS peut moduler l’activité oscillatoire, ce qui donne un aperçu du rôle des rythmes neuronaux dans les performances cognitives. Pour comprendre l’impact de la tACS sur la dynamique oscillatoire et les processus cognitifs, il est essentiel de combiner des mesures physiologiques telles que l’EEG avec des données comportementales. Le tACS haute définition (HD-tACS) améliore la précision spatiale de la stimulation, permettant un ciblage plus localisé de zones corticales spécifiques. Ce protocole décrit une méthode permettant de combiner HD-tACS avec l’EEG afin d’évaluer les changements dans les oscillations de la fréquence thêta (4 Hz) dans le cortex pariétal gauche. Les enregistrements EEG sont pris avant et après la stimulation lors d’une tâche de mémoire de travail à 2 dos pour examiner l’activité thêta. Cette approche offre un outil puissant pour explorer les mécanismes neuronaux qui sous-tendent la modulation cognitive via la stimulation cérébrale rythmique.

Introduction

La stimulation transcrânienne à courant alternatif (tACS) est une méthode de neuromodulation non invasive qui délivre de faibles courants électriques sinusoïdaux au cerveau à des fréquences spécifiques, ou des combinaisons de fréquences ^1,2. Dans le cadre de la catégorie plus large de la stimulation électrique transcrânienne (tES), qui comprend également la stimulation transcrânienne à courant continu (tDCS), la stimulation transcrânienne par bruit aléatoire (tRNS) et la stimulation transcrânienne à courant pulsé (tPCS)³, la tACS est particulièrement remarquable pour sa capacité à moduler les rythmes cérébraux endogènes. Contrairement à d’autres modalités tES, tACS peut se synchroniser avec les oscillations neuronales en cours, améliorant ou restaurant ainsi les fonctions cognitives en entraînant des oscillations neuronales à des fréquences ciblées 1,4,5,6. De plus, le tACS est reconnu comme une option thérapeutique potentielle pour le traitement d’un large éventail de troubles psychiatriques, tels que l’amélioration des performances de la mémoire chez les patients atteints de la maladie d’Alzheimer⁷ et l’atténuation des symptômes dépressifs⁸.

Bien que le tACS traditionnel basé sur une pastille ait démontré son potentiel, sa distribution de courant relativement large peut limiter le ciblage précis⁹. Le tACS haute définition (HD-tACS) résout ce problème avec un montage en anneau 4×1, où une électrode centrale est entourée de quatre électrodes de retour, augmentant ainsi la focalité en concentrant le flux de courant sous l’électrode centrale 10,11,12. Ce montage peut atteindre une intensité plus grande et des durées plus longues par rapport au tACS^13,14 traditionnel basé sur un pad.

Les oscillations cérébrales reflètent l’activité synchronisée des ensembles neuronaux et sont fondamentales pour divers processus cognitifs¹⁵, y compris la mémoire de travail^10,16. Cependant, la question de savoir si ces oscillations jouent un rôle fonctionnel causal ou si elles sont simplement corrélées avec la cognition reste ouverte. Pour révéler davantage une relation causale, les chercheurs peuvent appliquer des protocoles de stimulation cérébrale comme tACS pour moduler l’activité oscillatoire et observer les changements comportementaux correspondants¹. Une compréhension complète de la façon dont la stimulation externe influence la cognition nécessite d’examiner non seulement les performances comportementales, mais aussi les mesures physiologiques telles que l’EEG. L’EEG permet aux chercheurs de surveiller si et comment l’entraînement induit par tACS modifie l’activité neuronale ^1,17.

Les artefacts massifs générés par tACS rendaient difficile l’analyse fiable des signaux EEG enregistrés pendant la stimulation^18,19. Bien que de nombreux chercheurs tentent de séparer les artefacts induits par tACS de l’activité cérébrale, tels que le PCA²⁰, le filtrage temporel²¹ et la formation de faisceaux²², la validité de ces tentatives est encore douteuse¹⁸. Après l’arrêt de la stimulation, la population neuronale revient progressivement à son état de base, donnant lieu à un écho d’entraînement. Ces échos d’entraînement offrent une occasion précieuse d’évaluer l’entraînement neuronal à l’aide de l’EEG, car ils se produisent après la stimulation et sont donc exempts d’artefacts induits par tACS. Cependant, la courte durée des échos d’entraînement réduit la probabilité d’observer un entraînement neuronal fiable dans l’EEG. Par conséquent, il est urgent d’adopter une approche pratique pour enregistrer l’EEG immédiatement après la stimulation HD-tACS.

L’objectif du protocole actuel est de démontrer comment combiner HD-tACS avec un EEG de haute qualité pour évaluer les effets de la stimulation. En enregistrant l’EEG avant et après une stimulation HD-tACS de 10 minutes (4 Hz, oscillations thêta) ciblée sur la région pariétale gauche dans le cadre d’une tâche de mémoire de travail à 2 dos, ce protocole permet aux chercheurs d’évaluer les effets neurophysiologiques de la stimulation sans artefacts induits par tACS. La tâche à 2 dos est un paradigme largement utilisé pour évaluer la mémoire de travail, qui implique à la fois la manipulation et le stockage d’informations^23,24. Les processus de mémoire de travail, y compris ceux engagés lors de la tâche à 2 dos, sont étroitement liés aux oscillations thêta dans les réseaux frontaux-pariétaux. Cela fournit une justification théorique solide pour cibler la stimulation thêta-fréquence dans ce paradigme 16,25,26. Pour garantir la qualité des données EEG, nous vous recommandons de maintenir l’impédance de l’électrode EEG en dessous de 5 kΩ et d’enregistrer les données dans un environnement standard blindé électriquement. Les méthodes décrites peuvent être adaptées à d’autres cibles de stimulation (par exemple, le cortex préfrontal dorsolatéral, DLPFC), à d’autres bandes de fréquences (par exemple, les oscillations alpha) et à d’autres paradigmes cognitifs (par exemple, l’attention). Les paramètres de stimulation tels que l’intensité et la durée, qui sont essentiels à l’efficacité de la stimulation, peuvent être déterminés en fonction des objectifs de recherche spécifiques. Nous espérons que ce protocole facilitera des applications plus larges de l’intégration tACS-EEG et favorisera une exploration plus rigoureuse de la dynamique de l’entraînement neuronal.

Protocole

Le protocole a été approuvé par le Conseil d’examen institutionnel de l’Université Southwest et mené conformément aux directives institutionnelles. Cette démonstration du protocole présente les données d’un participant adulte en bonne santé (âge = 25 ans, femme) pour illustrer les procédures du protocole. Le participant a fourni un consentement éclairé écrit avant l’expérience. Les équipements utilisés sont répertoriés dans la table des matériaux.

1. Détermination des paramètres de stimulation

Sur la base de recherches antérieures portant sur les oscillations neuronales sous-jacentes à la mémoire de travail 16,25,26, nous avons sélectionné une fréquence de stimulation de 4 Hz, une durée de stimulation de 10 minutes et la région pariétale gauche comme site cible de ce protocole.

2. Enregistrement EEG de pré-stimulation

Les données EEG de base ont été enregistrées pendant que les participants effectuaient une tâche de mémoire de travail à 2 dos. Avant l’expérience, le cuir chevelu du participant a été nettoyé. Toutes les électrodes EEG ont été remplies de gel conducteur à l’aide d’une seringue en plastique. Plus précisément, l’embout de la seringue a été utilisé pour séparer les cheveux à travers les ouvertures des électrodes, et le gel a été injecté pour assurer un contact direct entre l’électrode et le cuir chevelu. Le cuir chevelu a été frotté doucement avec l’embout de la seringue jusqu’à ce que l’impédance de chaque électrode soit réduite en dessous de 5 kΩ. La coiffe cérébrale EEG utilisée dans ce protocole contenait 64 électrodes disposées selon le système 10-20. L’impédance de l’électrode a été surveillée en cliquant sur l’option Impédance dans l’interface du logiciel (Figure 1). Pour garantir une haute qualité d’enregistrement EEG, la plage d’affichage de l’impédance a été réglée sur 0-5 kΩ. Les électrodes dont l’impédance était affichée en orange ou en vert ont été interprétées comme étant inférieures à 5 kΩ. Une fois que l’impédance de toutes les électrodes a été confirmée inférieure à 5 kΩ, l’enregistrement EEG a été lancé en appuyant sur Start dans le logiciel pendant que le participant effectuait la tâche à 2 dos (figure 2). Les signaux EEG ont également été visualisés pendant la tâche (Figure 2). La procédure de la tâche à 2 dos dans notre protocole est illustrée à la figure 3.

3. Préparation à la stimulation

Les participants ont d’abord été évalués pour confirmer qu’ils n’avaient pas d’antécédents de troubles neurologiques ou psychiatriques pour tES. Le cuir chevelu du participant a été nettoyé à nouveau avant la stimulation. Tout le matériel nécessaire a été préparé à l’avance (figure 4). L’équipement a été assemblé comme suit²⁷ : Les batteries ont été installées et confirmées comme étant complètement chargées. Le câble d’entrée a été utilisé pour connecter le stimulateur tES à 2 canaux à l’interface de stimulation multicanal 4×1. Le câble de sortie a ensuite été connecté à l’interface 4×1, et cinq électrodes Ag/AgCl ont été connectées au câble de sortie (Figure 5).

Une fois toutes les connexions de l’appareil terminées, le stimulateur tES à 2 canaux et le système d’interface 4×1 ont été mis sous tension. Cinq boîtiers en plastique haute définition (HD) ont été intégrés dans des sites d’électrodes spécifiques (P3, CP3, P1, PO3, P5) dans la calotte cérébrale EEG, puis la casquette a été placée sur la tête du participant (Figure 6).

Un gel conducteur d’électricité a été appliqué à la surface du cuir chevelu à travers l’ouverture du boîtier HD. À l’aide de la pointe d’une seringue, les cheveux ont été séparés pour exposer le cuir chevelu, et un gel conducteur a été appliqué directement sur la zone exposée. Cinq électrodes ont ensuite été insérées dans des boîtiers HD, l’électrode n° 5 étant positionnée au centre de la configuration en forme d’anneau (c’est-à-dire P3). Les quatre électrodes restantes ont été positionnées autour de l’électrode centrale aux sites adjacents (c.-à-d. P1, PO3, P5 et CP3 ; Figure 6). De même, toutes les électrodes EEG ont été remplies de gel conducteur, et il a été confirmé que leur impédance était inférieure à 5 kΩ (Figure 1).

4. La stimulation

Avant de lancer la stimulation, il a été confirmé que le mode par défaut du stimulateur était réglé sur « SCAN ». Dans ce mode, le système affichait l’impédance de chaque électrode individuellement (Figure 7). La valeur d’impédance de chaque électrode a été visualisée en appuyant sur les boutons numérotés correspondants sur l’interface 4×1. Des valeurs d’impédance inférieures à 1,5 indiquaient une qualité acceptable^27,28. Si une valeur d’impédance dépassait ce seuil, le boîtier en plastique correspondant était ajusté en ouvrant le capuchon et en frottant le cuir chevelu avec la pointe d’une seringue pour obtenir la valeur d’impédance souhaitée.

Les paramètres de stimulation ont été réglés sur le stimulateur tES à 2 canaux, y compris la forme d’onde du courant, la durée et l’intensité (Figure 7). Quatre boutons ont été utilisés pour régler les paramètres respectifs. Un joystick était utilisé pour activer ou désactiver la condition fictive. Dans ce protocole, la stimulation a été délivrée sous une forme d’onde de courant alternatif, 2 mA et 4 Hz pendant 10 min. Ensuite, le niveau « RELAX » a été commuté sur le courant complet. Le mode du stimulateur a ensuite été changé de SCAN à PASS à l’aide du bouton MODE SELECT . La polarité de stimulation (anode centrale ou cathode centrale) a été sélectionnée en appuyant sur le bouton POLARITY .

La stimulation a été lancée en appuyant sur le bouton START du stimulateur tES à 2 canaux. L’intensité du courant a progressivement augmenté jusqu’à ce que l’intensité cible soit atteinte. La minuterie indiquait le temps de stimulation restant. Si le participant a ressenti une gêne pendant la montée en puissance actuelle, l’intensité a pu être légèrement réduite à l’aide du levier « RELAX ». Une fois que le participant s’est senti à l’aise, le levier « RELAX » a été progressivement poussé vers l’avant pour reprendre sa pleine intensité actuelle. Si nécessaire, la stimulation peut être interrompue à tout moment à l’aide du bouton « ABORT ».

5. Enregistrement EEG post-stimulation

Après la stimulation, les boîtiers HD en plastique et les électrodes de stimulation ont été retirés de la calotte cérébrale EEG. Les électrodes EEG précédemment retirées des positions P3, CP3, P1, PO3 et P5 ont été réinsérées à leur emplacement d’origine. Chaque électrode a été doucement insérée à travers son trou désigné dans le capuchon, en suivant la disposition du système 10-20, et sécurisée en l’alignant avec le cuir chevelu sous-jacent. L’extrémité d’une seringue en plastique a été utilisée pour séparer les cheveux à travers l’ouverture afin d’assurer un contact direct avec le cuir chevelu, et un gel conducteur a été appliqué sur chaque électrode à l’aide de la même seringue. L’impédance de chaque électrode EEG a ensuite été vérifiée et confirmée comme étant inférieure à 5 kΩ avant de lancer l’enregistrement EEG post-stimulation.

Résultats

Les données EEG peuvent être analysées dans le domaine temporel (par exemple, les potentiels liés aux événements), le domaine fréquentiel (par exemple, l’analyse spectrale) ou le domaine temps-fréquence (par exemple, l’analyse temps-fréquence). Dans ce cas, l’analyse temps-fréquence a été utilisée pour examiner les changements dans l’activité oscillatoire associés à la stimulation. Les données EEG acquises avant et après la stimulation auprès d’un sujet représentatif ont été prétraitées ...

Discussion

La stimulation transcrânienne à courant alternatif (tACS) offre une approche non invasive pour moduler des rythmes cérébraux spécifiques. En raison de son excellente résolution, l’EEG est bien adapté à l’examen des oscillations neuronales spontanées et entraînées de l’extérieur. La combinaison de la tACS et de l’EEG offre une approche multimodale pour étudier la fonction et la structure du cerveau, et pour explorer davantage les mécanismes neuronaux sous-jacents des effets de la tACS. Ai...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Cellule cérébrale EEG	PRODUITS CERVEAUX	BC-64-X42-UAMW-56	64 canaux basés sur le système 10-20
4 & aigu ; 1 HD-tES	Soterix Medical	4 & aigu ; 1-C3A	Les Soterix 4 fois ; Un adaptateur HD-tDCS / HD-tES convertit n’importe quel stimulateur Soterix Medical tDCS 2 canaux en un appareil HD-tDCS / tES. Les 4× ; Un adaptateur HD-tES n’est pas un stimulateur autonome et, lors de la stimulation, ne génère aucun courant. Plutôt, les 4× ; Un adaptateur HD-tES divise et guide intelligemment le courant généré par un appareil à 2 canaux, le convertissant en HD-tES (HD-tDCS, HD-tACS, HD-tRNS, HD-tPCS, HD-tODCS).