פרוטוקול זה מבסס גישה מעשית לשילוב HD-tACS עם EEG כדי לבחון את השפעות הגירוי על תנודות עצביות במהלך משימות קוגניטיביות, תוך שימוש בגירוי תדר תטא בזיכרון העבודה כדוגמה.
מאמר מחקר
פרוטוקול זה מבסס גישה מעשית לשילוב HD-tACS עם EEG כדי לבחון את השפעות הגירוי על תנודות עצביות במהלך משימות קוגניטיביות, תוך שימוש בגירוי תדר תטא בזיכרון העבודה כדוגמה.
תנודות עצביות הן חלק בלתי נפרד מתהליכים קוגניטיביים שונים, כולל זיכרון עבודה, קשב ותפיסה. גירוי זרם חילופין טרנס-גולגולתי (tACS) התגלה ככלי לא פולשני לחקירת קשרים סיבתיים בין תנודות מוח לתפקודים קוגניטיביים. על ידי התמקדות בתדרים ספציפיים, tACS יכול לווסת את הפעילות התנודתית, ולספק תובנות לגבי תפקידם של מקצבים עצביים בביצועים קוגניטיביים. כדי להבין את ההשפעה של tACS על דינמיקה תנודתית ותהליכים קוגניטיביים, חיוני לשלב מדידות פיזיולוגיות כגון EEG עם נתונים התנהגותיים. tACS בחדות גבוהה (HD-tACS) משפר את הדיוק המרחבי של הגירוי, ומאפשר מיקוד מקומי יותר של אזורים ספציפיים בקליפת המוח. פרוטוקול זה מתאר שיטה לשילוב HD-tACS עם EEG כדי להעריך שינויים בתנודות תדר תטא (4 הרץ) בקליפת המוח הקודקודית השמאלית. הקלטות EEG נלקחות לפני ואחרי גירוי במהלך מטלת זיכרון עבודה 2 גב כדי לבחון את פעילות התטה. גישה זו מציעה כלי רב עוצמה לחקר המנגנונים העצביים העומדים בבסיס אפנון קוגניטיבי באמצעות גירוי מוחי קצבי.
גירוי זרם חילופין טרנס-גולגולתי (tACS) היא שיטת נוירומודולציה לא פולשנית המספקת זרמים חשמליים סינוסואידיים חלשים למוח בתדרים ספציפיים, או שילובים של תדרים 1,2. כחלק מהקטגוריה הרחבה יותר של גירוי חשמלי טרנס-גולגולתי (tES), הכוללת גם גירוי זרם ישר טרנס-גולגולתי (tDCS), גירוי רעש אקראי טרנס-גולגולתי (tRNS) וגירוי זרם פועם טרנס-גולגולתי (tPCS)3, tACS בולט במיוחד ביכולתו לווסת מקצבי מוח אנדוגניים. בניגוד לשיטות tES אחרות, tACS יכול להסתנכרן עם תנודות עצביות מתמשכות, ובכך לשפר או לשחזר תפקודים קוגניטיביים על ידי אימון תנודות עצביות בתדרים ממוקדים 1,4,5,6. יתר על כן, tACS מוכר כאופציה טיפולית פוטנציאלית לטיפול במגוון רחב של הפרעות פסיכיאטריות, כגון שיפור ביצועי הזיכרון בחולים עם מחלת אלצהיימר7 והקלה על תסמיני דיכאון8.
בעוד ש-tACS מסורתי מבוסס פדים הוכיח את הפוטנציאל שלו, התפלגות הזרם הרחבה יחסית שלו יכולה להגביל את המיקוד המדויק9. tACS בחדות גבוהה (HD-tACS) מטפל בבעיה זו עם מונטאז' טבעות 4×1, שבו אלקטרודה מרכזית מוקפת בארבע אלקטרודות חוזרות, ובכך מגדילה את המוקד על ידי ריכוז זרימת הזרם מתחת לאלקטרודה המרכזית 10,11,12. מונטאז' זה יכול להשיג עוצמה רבה יותר ומשכי זמן ארוכים יותר בהשוואה ל-tACS מסורתי מבוסס פד13,14.
תנודות מוחיות משקפות את הפעילות המסונכרנת של הרכבים עצביים והן בסיסיות לתהליכים קוגניטיביים שונים15, כולל זיכרון עבודה10,16. עם זאת, נותרה שאלה פתוחה האם תנודות אלה ממלאות תפקיד תפקודי סיבתי או רק מתואמות עם קוגניציה. כדי לחשוף עוד יותר קשר סיבתי, חוקרים יכולים ליישם פרוטוקולי גירוי מוחי כמו tACS כדי לווסת את הפעילות התנודתית ולצפות בשינויים התנהגותיים מתאימים1. הבנה מקיפה של האופן שבו גירוי חיצוני משפיע על הקוגניציה דורשת בחינה לא רק של ביצועים התנהגותיים אלא גם של מדדים פיזיולוגיים כגון EEG. EEG מאפשר לחוקרים לעקוב אחר האם וכיצד הנגרמת על ידי tACS משנה את הפעילות העצבית 1,17.
החפצים המסיביים שנוצרו על ידי tACS הקשו על ניתוח מהימן של אותות EEG שנרשמו במהלך הגירוי18,19. למרות שישנם חוקרים רבים המנסים להפריד בין חפצים המושרים על ידי tACS לבין פעילות מוחית, כגון PCA20, סינון זמני21 ויצירת אלומה22, תקפותם של ניסיונות אלה עדיין מוטלת בספק18. לאחר הפסקת הגירוי, האוכלוסייה העצבית חוזרת בהדרגה למצב הבסיס שלה, מה שמוליד הד התאמה. הדי ההשתלבות הללו מספקים הזדמנות יקרת ערך להעריך את ההשתלטות העצבית באמצעות EEG, מכיוון שהם מתרחשים לאחר גירוי ולכן הם נקיים מחפצים המושרים על ידי tACS. עם זאת, משך הזמן הקצר של הדי ההשתלבות מפחית את הסבירות להתבוננות בהשתלבות עצבית אמינה ב-EEG. לכן, יש צורך בדחיפות בגישה מעשית לרישום EEG מיד לאחר גירוי HD-tACS.
מטרת הפרוטוקול הנוכחי היא להדגים כיצד לשלב HD-tACS עם EEG איכותי כדי להעריך את השפעות הגירוי. על ידי רישום EEG לפני ואחרי גירוי HD-tACS של 10 דקות (4Hz, תנודות תטא) המכוון לאזור הקודקודי השמאלי בתוך משימת זיכרון עבודה 2-back, פרוטוקול זה מאפשר לחוקרים להעריך את ההשפעות הנוירופיזיולוגיות של גירוי ללא חפצים המושרים על ידי tACS. משימת 2-back היא פרדיגמה בשימוש נרחב להערכת זיכרון עבודה, הכוללת הן מניפולציה והן אחסון של מידע23,24. תהליכי זיכרון עבודה, כולל אלה המעורבים במהלך משימת 2-back, קשורים קשר הדוק לתנודות תטא ברשתות קדמיות-קודקודיות. זה מספק רציונל תיאורטי חזק למיקוד גירוי תדר תטא בפרדיגמה זו 16,25,26. כדי להבטיח את איכות נתוני ה-EEG, אנו ממליצים לשמור על עכבת אלקטרודות EEG מתחת ל-5 kΩ ולהקליט את הנתונים בסביבה מסוככת חשמלית סטנדרטית. ניתן להתאים את השיטות המתוארות למטרות גירוי אחרות (למשל, קליפת המוח הקדם-מצחית הגבית-צידית, DLPFC), רצועות תדרים אחרות (למשל, תנודות אלפא) ופרדיגמות קוגניטיביות אחרות (למשל, קשב). ניתן לקבוע פרמטרים של גירוי כגון עוצמה ומשך זמן, שהם קריטיים ליעילות הגירוי, על סמך יעדי המחקר הספציפיים. אנו מקווים שפרוטוקול זה יקל על יישומים רחבים יותר של שילוב tACS-EEG ויקדם חקירה קפדנית יותר של דינמיקת הרכבה עצבית.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הפרוטוקול אושר על ידי מועצת הביקורת המוסדית של אוניברסיטת סאות'ווסט ונערך בהתאם להנחיות המוסדיות. הדגמת פרוטוקול זו מציגה נתונים ממשתתף מבוגר בריא אחד (גיל = 25, נקבה) כדי להמחיש את נהלי הפרוטוקול. המשתתף סיפק הסכמה מדעת בכתב לפני הניסוי. הציוד המשמש מופיע בטבלת החומרים.
1. קביעת פרמטרי גירוי
בהתבסס על מחקר קודם שחקר תנודות עצביות העומדות בבסיס זיכרון העבודה 16,25,26, בחרנו תדר גירוי של 4 הרץ, משך גירוי של 10 דקות והאזור הקודקודי השמאלי כאתר היעד לפרוטוקול זה.
2. הקלטת EEG לפני גירוי
נתוני EEG בסיסיים נרשמו בזמן שהמשתתפים השלימו משימת זיכרון עבודה 2 אחורה. לפני הניסוי, הקרקפת של המשתתף נוקתה. כל אלקטרודות ה-EEG מולאו בג'ל מוליך באמצעות מזרק פלסטיק. באופן ספציפי, קצה המזרק שימש להפרדת השיער דרך פתחי האלקטרודות, והג'ל הוזרק כדי להבטיח מגע ישיר בין האלקטרודה לקרקפת. הקרקפת נמרחה בעדינות עם קצה המזרק עד שהעכבה של כל אלקטרודה הופחתה מתחת ל-5 kΩ. מכסה המוח של EEG ששימש בפרוטוקול זה הכיל 64 אלקטרודות המסודרות לפי מערכת 10-20. עכבת האלקטרודה נוטרה על ידי לחיצה על אפשרות העכבה בממשק התוכנה (איור 1). כדי להבטיח איכות גבוהה של הקלטת EEG, טווח תצוגת העכבה הוגדר ל-0-5 kΩ. אלקטרודות עם ערכי עכבה המוצגים בכתום או ירוק פורשו כמתחת ל-5 kΩ. לאחר שהעכבה על פני כל האלקטרודות אושרה כנמוכה מ- 5 kΩ, הקלטת EEG החלה על ידי לחיצה על התחל בתוכנה כאשר המשתתף ביצע את משימת 2 הגב (איור 2). אותות ה-EEG גם הודגמו במהלך המטלה (איור 2). ההליך של משימת 2 הגב בפרוטוקול שלנו מוצג באיור 3.
3. הכנה לגירוי
המשתתפים הוערכו תחילה כדי לאשר שאין להם היסטוריה של הפרעות נוירולוגיות או פסיכיאטריות עבור tES. הקרקפת של המשתתף נוקתה שוב לפני הגירוי. כל החומרים הדרושים הוכנו מראש (איור 4). הציוד הורכב באופן הבא27: סוללות הותקנו ואושרו כטעונות במלואן. כבל הקלט שימש לחיבור ממריץ tES דו-ערוצי לממשק הגירוי הרב-ערוצי 4×1. לאחר מכן כבל היציאה חובר לממשק 4×1, וחמש אלקטרודות Ag/AgCl חוברו לכבל היציאה (איור 5).
לאחר השלמת כל חיבורי המכשירים, הופעלו ממריץ tES דו-ערוצי ומערכת ממשק 4×1. חמישה מארזי פלסטיק בחדות גבוהה (HD) הוטמעו באתרי אלקטרודות ספציפיים (P3, CP3, P1, PO3, P5) במוח ה-EEG, ולאחר מכן המכסה הונח על ראשו של המשתתף (איור 6).
ג'ל מוליך חשמלי נמרח על פני הקרקפת דרך פתח מעטפת ה-HD. באמצעות קצה המזרק, השיער הופרד כדי לחשוף את הקרקפת, וג'ל מוליך נמרח ישירות על האזור החשוף. לאחר מכן הוכנסו חמש אלקטרודות למעטפות HD, כאשר האלקטרודה מס' 5 ממוקמת במרכז התצורה בצורת טבעת (כלומר, P3). ארבע האלקטרודות הנותרות מוקמו סביב האלקטרודה המרכזית באתרים הסמוכים (כלומר, P1, PO3, P5 ו-CP3; איור 6). באופן דומה, כל אלקטרודות ה-EEG היו מלאות בג'ל מוליך, והעכבות שלהן אושרו כמתחת ל-5 kΩ (איור 1).
4. גירוי
לפני התחלת הגירוי, מצב ברירת המחדל בסטימולטור אושר להיות מוגדר ל-"SCAN". במצב זה, המערכת הציגה את העכבה של כל אלקטרודה בנפרד (איור 7). ערך העכבה של כל אלקטרודה נצפה על ידי לחיצה על הכפתורים הממוספרים המתאימים בממשק 4×1. ערכי עכבה מתחת ל-1.5 הצביעו על איכות מקובלת27,28. אם ערך עכבה כלשהו חרג מסף זה, מעטפת הפלסטיק המתאימה הותאמה על ידי פתיחת המכסה וקרצוף הקרקפת בקצה המזרק כדי לקבל את ערך העכבה הרצוי.
פרמטרי גירוי נקבעו על ממריץ tES דו-ערוצי, כולל צורת גל זרם, משך ועוצמה (איור 7). ארבעה כפתורים שימשו לקביעת הפרמטרים המתאימים. ג'ויסטיק שימש להפעלה או כיבוי של מצב הדמה. בפרוטוקול זה, הגירוי הועבר בצורת גל זרם חילופין, 2 mA ו-4 הרץ למשך 10 דקות. לאחר מכן, רמת "RELAX" הועברה לזרם מלא. לאחר מכן שונה מצב הסטימולטור מ-SCAN ל-PASS באמצעות כפתור MODE SELECT. קוטביות הגירוי (מרכז אנודה או מרכז קתודה) נבחרה על ידי לחיצה על כפתור POLARITY.
הגירוי התחיל על ידי לחיצה על כפתור START בממריץ tES הדו-ערוצי. עוצמת הזרם התגברה בהדרגה עד שהושגה עוצמת היעד. הטיימר הראה את זמן הגירוי שנותר. אם המשתתף חווה אי נוחות במהלך ההגברה הנוכחית, ניתן להפחית מעט את העוצמה באמצעות ידית "RELAX". ברגע שהמשתתף הרגיש שוב בנוח, ידית ה-"RELAX" נדחפה בהדרגה קדימה כדי לחזור לעוצמת זרם מלאה. במידת הצורך, ניתן היה להפסיק את הגירוי בכל רגע באמצעות כפתור "ביטול".
5. הקלטת EEG לאחר גירוי
לאחר הגירוי, מעטפות הפלסטיק HD ואלקטרודות הגירוי הוסרו מכיפת המוח של EEG. אלקטרודות ה-EEG שהוסרו בעבר ממיקומים P3, CP3, P1, PO3 ו-P5 הוכנסו מחדש למיקומם המקורי. כל אלקטרודה הוכנסה בעדינות דרך החור המיועד לה במכסה, בהתאם לפריסת מערכת 10-20, ומאובטחת על ידי יישורה עם הקרקפת שמתחתיה. קצה מזרק פלסטיק שימש להפרדת השיער דרך הפתח כדי להבטיח מגע ישיר עם הקרקפת, וג'ל מוליך נמרח על כל אלקטרודה באמצעות אותו מזרק. לאחר מכן נבדקה העכבה של כל אלקטרודת EEG ואושרה כנמוכה מ-5 kΩ לפני תחילת הקלטת ה-EEG לאחר הגירוי.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
ניתן לנתח נתוני EEG בתחום הזמן (למשל, פוטנציאלים הקשורים לאירוע), בתחום התדר (למשל, ניתוח ספקטרלי), או בתחום זמן-תדר (למשל, ניתוח זמן-תדר). במקרה זה, נעשה שימוש בניתוח תדירות זמן כדי לבחון שינויים בפעילות התנודה הקשורה לגירוי. נתוני EEG שנרכשו לפני ואחרי הגירוי מנבדק מייצג עובדו מראש באמצעות ארגז הכלים של EEGLAB ב-MATLAB. שלבי העיבוד המקדים כללו את הדברים הבאים: ה-EEG הרציף סונן עם מסנני מעביר-נמוכים של 40 הרץ ו-0.1 הרץ. לאחר מכן נתוני EEG חולקו לתקופות מ-1000 אלפיות השנייה לפני ל-1300 א...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גירוי זרם חילופין טרנס-גולגולתי (tACS) מציע גישה לא פולשנית לווסת מקצבי מוח ספציפיים. בשל הרזולוציה המצוינת שלו, EEG מתאים היטב לבחינת תנודות עצביות ספונטניות וחיצוניות כאחד. שילוב tACS עם EEG מספק גישה רב-מודאלית לחקירת התפקוד והמבנה של המוח, ולחקור עוד יותר את המנגנונים העצביים הבסיסיים של השפעות tACS. לפיכך, פרוטוקול זה מציג שיטה מעשית לשילוב HD-tACS עם EEG.
הקלטת EEG בו-זמנית נפגעת על ידי חפץ ה-tACS הבולט. למרות שהוצעו שיטות רבות להפריד את החפץ הזה מפעילות...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין מה לחשוף.
עבודה זו נתמכה על ידי מענקי מחקר מהקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (31972906), קרנות מחקר בסיסיות לאוניברסיטאות המרכזיות (SWU2209235), תוכנית הפיילוט למחקר חדשנות 2035 של אוניברסיטת סאות'ווסט (SWUPilotPlan006), קרן המחקר הפתוחה של מעבדת המפתח הממלכתית למדעי המוח הקוגניטיביים ולמידה (CNLZD2102), ופרויקט חדשנות מחקר לתארים מתקדמים של אוניברסיטת סאות'ווסט (SWUS24034).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| EEG Braincap | מוצרי מוח | BC-64-X42-UAMW-56 | 64 ערוצים המבוססים על מערכת 10-20 |
| 4´ 1 HD-tES | סוטריקס מדיקל | 4´ 1-C3A | The Soterix 4× מתאם HD-tDCS / HD-tES אחד ממיר כל מגרה tDCS דו-ערוצי של Soterix Medical למכשיר HD-tDCS / tES. ה-4× מתאם HD-tES אחד אינו מגרה עצמאי, ובמהלך הגירוי אינו מייצר זרם. במקום זאת, ה-4× מתאם HD-tES אחד מחלק ומכוון בצורה חכמה את הזרם הנוצר על ידי מכשיר דו-ערוצי, וממיר אותו ל-HD-tES (HD-tDCS, HD-tACS, HD-tRNS, HD-tPCS, HD-tODCS). |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה