Articolo di ricerca
Questo protocollo stabilisce un approccio pratico per combinare HD-tACS con EEG per esaminare gli effetti della stimolazione sulle oscillazioni neurali durante i compiti cognitivi, utilizzando la stimolazione della frequenza theta nella memoria di lavoro come esempio.
Le oscillazioni neurali sono parte integrante di vari processi cognitivi, tra cui la memoria di lavoro, l'attenzione e la percezione. La stimolazione transcranica a corrente alternata (tACS) è emersa come strumento non invasivo per studiare le relazioni causali tra oscillazioni cerebrali e funzioni cognitive. Mirando a frequenze specifiche, il tACS può modulare l'attività oscillatoria, fornendo informazioni sul ruolo dei ritmi neurali nelle prestazioni cognitive. Per comprendere l'impatto della tACS sulla dinamica oscillatoria e sui processi cognitivi, è essenziale combinare misurazioni fisiologiche come l'EEG con dati comportamentali. Il tACS ad alta definizione (HD-tACS) migliora la precisione spaziale della stimolazione, consentendo un targeting più localizzato di specifiche aree corticali. Questo protocollo delinea un metodo per combinare HD-tACS con EEG per valutare i cambiamenti nelle oscillazioni della frequenza theta (4 Hz) nella corteccia parietale sinistra. Le registrazioni EEG vengono effettuate prima e dopo la stimolazione durante un'attività di memoria di lavoro a 2 spalle per esaminare l'attività theta. Questo approccio offre un potente strumento per esplorare i meccanismi neurali che sono alla base della modulazione cognitiva attraverso la stimolazione cerebrale ritmica.
La stimolazione transcranica a corrente alternata (tACS) è un metodo di neuromodulazione non invasivo che fornisce deboli correnti elettriche sinusoidali al cervello a frequenze specifiche, o combinazioni di frequenze 1,2. Nell'ambito della più ampia categoria della stimolazione elettrica transcranica (tES), che comprende anche la stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS), la stimolazione transcranica a rumore casuale (tRNS) e la stimolazione transcranica a corrente pulsata (tPCS)3, la tACS è particolarmente nota per la sua capacità di modulare i ritmi cerebrali endogeni. A differenza di altre modalità tES, tACS può sincronizzarsi con le oscillazioni neurali in corso, migliorando o ripristinando così le funzioni cognitive esercitando le oscillazioni neurali a frequenze mirate 1,4,5,6. Inoltre, il tACS è riconosciuto come una potenziale opzione terapeutica per il trattamento di un'ampia gamma di disturbi psichiatrici, come il miglioramento delle prestazioni della memoria nei pazienti con malattia di Alzheimer7 e l'alleviamento dei sintomi depressivi8.
Sebbene il tradizionale tACS basato su pad abbia dimostrato il suo potenziale, la sua distribuzione di corrente relativamente ampia può limitare il targeting preciso9. Il tACS ad alta definizione (HD-tACS) risolve questo problema con un montaggio ad anello 4×1, in cui un elettrodo centrale è circondato da quattro elettrodi di ritorno, aumentando così la focalità concentrando il flusso di corrente sotto l'elettrodo centrale 10,11,12. Questo montaggio può raggiungere una maggiore intensità e una durata maggiore rispetto al tradizionale tACS13,14 basato su pad.
Le oscillazioni cerebrali riflettono l'attività sincronizzata degli insiemi neuronali e sono fondamentali per vari processi cognitivi15, inclusa la memoria di lavoro10,16. Tuttavia, rimane una questione aperta se queste oscillazioni svolgano un ruolo funzionale causale o siano semplicemente correlate con la cognizione. Per rivelare ulteriormente una relazione causale, i ricercatori possono applicare protocolli di stimolazione cerebrale come il tACS per modulare l'attività oscillatoria e osservare i corrispondenti cambiamenti comportamentali1. Una comprensione completa di come la stimolazione esterna influenza la cognizione richiede l'esame non solo delle prestazioni comportamentali, ma anche di misure fisiologiche come l'EEG. L'EEG consente ai ricercatori di monitorare se e come il trascinamento indotto da tACS altera l'attività neurale 1,17.
Gli enormi artefatti generati dal tACS hanno reso difficile analizzare in modo affidabile i segnali EEG registrati durante la stimolazione 18,19. Sebbene ci siano molti ricercatori che tentano di separare gli artefatti indotti da tACS dall'attività cerebrale, come la PCA20, il filtraggio temporale21 e il beamforming22, la validità di questi tentativi è ancora in dubbio18. Dopo che la stimolazione cessa, la popolazione neurale ritorna gradualmente al suo stato di base, dando origine a un'eco di trascinamento. Questi echi di trascinamento forniscono una preziosa opportunità per valutare il trascinamento neurale utilizzando l'EEG, poiché si verificano dopo la stimolazione e sono quindi privi di artefatti indotti da tACS. Tuttavia, la breve durata degli echi di trascinamento riduce la probabilità di osservare un trascinamento neurale affidabile nell'EEG. Pertanto, è urgentemente necessario un approccio pratico alla registrazione dell'EEG immediatamente dopo la stimolazione HD-tACS.
L'obiettivo dell'attuale protocollo è dimostrare come combinare l'HD-tACS con un EEG di alta qualità per valutare gli effetti della stimolazione. Registrando l'EEG prima e dopo una stimolazione HD-tACS di 10 minuti (4Hz, oscillazioni theta) mirata alla regione parietale sinistra all'interno di un compito di memoria di lavoro 2-back, questo protocollo consente ai ricercatori di valutare gli effetti neurofisiologici della stimolazione senza artefatti indotti da tACS. Il compito 2-back è un paradigma ampiamente utilizzato per valutare la memoria di lavoro, che coinvolge sia la manipolazione che l'archiviazione delle informazioni23,24. I processi della memoria di lavoro, compresi quelli impegnati durante il compito 2-back, sono strettamente legati alle oscillazioni theta nelle reti fronto-parietali. Ciò fornisce un forte razionale teorico per indirizzare la stimolazione della frequenza theta in questo paradigma 16,25,26. Per garantire la qualità dei dati EEG, si consiglia di mantenere l'impedenza dell'elettrodo EEG al di sotto di 5 kΩ e di registrare i dati in un ambiente standard schermato elettricamente. I metodi descritti possono essere adattati per altri bersagli di stimolazione (ad esempio, corteccia prefrontale dorsolaterale, DLPFC), altre bande di frequenza (ad esempio, oscillazioni alfa) e altri paradigmi cognitivi (ad esempio, attenzione). I parametri di stimolazione come l'intensità e la durata, che sono fondamentali per l'efficacia della stimolazione, possono essere determinati in base agli obiettivi specifici della ricerca. Ci auguriamo che questo protocollo faciliti applicazioni più ampie dell'integrazione tACS-EEG e promuova un'esplorazione più rigorosa delle dinamiche di trascinamento neurale.
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Il protocollo è stato approvato dall'Institutional Review Board della Southwest University e condotto in conformità con le linee guida istituzionali. Questa dimostrazione del protocollo presenta i dati di un partecipante adulto sano (età = 25, femmina) per illustrare le procedure del protocollo. Il partecipante ha fornito il consenso informato scritto prima dell'esperimento. Le attrezzature utilizzate sono elencate nella Tabella dei Materiali.
1. Determinazione dei parametri di stimolazione
Sulla base di ricerche precedenti che indagavano le oscillazioni neurali alla base della memoria di lavoro 16,25,26, abbiamo selezionato una frequenza di stimolazione di 4 Hz, una durata della stimolazione di 10 minuti e la regione parietale sinistra come sito target per questo protocollo.
2. Registrazione EEG pre-stimolazione
I dati EEG di base sono stati registrati mentre i partecipanti completavano un compito di memoria di lavoro 2-back. Prima dell'esperimento, il cuoio capelluto del partecipante è stato pulito. Tutti gli elettrodi EEG sono stati riempiti con gel conduttivo utilizzando una siringa di plastica. In particolare, la punta della siringa è stata utilizzata per separare i capelli attraverso le aperture degli elettrodi e il gel è stato iniettato per garantire il contatto diretto tra l'elettrodo e il cuoio capelluto. Il cuoio capelluto è stato strofinato delicatamente con la punta della siringa fino a quando l'impedenza di ciascun elettrodo non è stata ridotta al di sotto di 5 kΩ. La calotta cerebrale EEG utilizzata in questo protocollo conteneva 64 elettrodi disposti secondo il sistema 10-20. L'impedenza dell'elettrodo è stata monitorata facendo clic sull'opzione Impedenza nell'interfaccia del software (Figura 1). Per garantire un'elevata qualità della registrazione EEG, l'intervallo di visualizzazione dell'impedenza è stato impostato su 0-5 kΩ. Gli elettrodi con valori di impedenza visualizzati in arancione o verde sono stati interpretati come inferiori a 5 kΩ. Una volta confermato che l'impedenza in tutti gli elettrodi era inferiore a 5 kΩ, la registrazione EEG è stata avviata premendo Start nel software mentre il partecipante eseguiva l'attività 2-back (Figura 2). Durante l'attività sono stati visualizzati anche i segnali EEG (Figura 2). La procedura del task 2-back nel nostro protocollo è mostrata nella Figura 3.
3. Preparazione per la stimolazione
I partecipanti sono stati prima valutati per confermare che non avevano una storia di disturbi neurologici o psichiatrici per la tES. Il cuoio capelluto del partecipante è stato nuovamente pulito prima della stimolazione. Tutti i materiali necessari sono stati preparati in anticipo (Figura 4). L'apparecchiatura è stata assemblata come segue27: Le batterie sono state installate e confermate come completamente cariche. Il cavo di ingresso è stato utilizzato per collegare lo stimolatore tES a 2 canali all'interfaccia di stimolazione multicanale 4×1. Il cavo di uscita è stato quindi collegato all'interfaccia 4×1 e cinque elettrodi Ag/AgCl sono stati collegati al cavo di uscita (Figura 5).
Dopo aver completato tutti i collegamenti del dispositivo, lo stimolatore tES a 2 canali e il sistema di interfaccia 4×1 sono stati accesi. Cinque involucri di plastica ad alta definizione (HD) sono stati incorporati in specifici siti di elettrodi (P3, CP3, P1, PO3, P5) nella calotta cerebrale EEG e la calotta è stata quindi posizionata sulla testa del partecipante (Figura 6).
Un gel elettricamente conduttivo è stato applicato sulla superficie del cuoio capelluto attraverso l'apertura dell'involucro HD. Usando la punta di una siringa, i capelli sono stati divisi per esporre il cuoio capelluto e il gel conduttivo è stato applicato direttamente sull'area esposta. Cinque elettrodi sono stati quindi inseriti in involucri HD, con l'elettrodo n. 5 posizionato al centro della configurazione a forma di anello (cioè P3). I restanti quattro elettrodi sono stati posizionati attorno all'elettrodo centrale nei siti adiacenti (cioè P1, PO3, P5 e CP3; Figura 6). Allo stesso modo, tutti gli elettrodi EEG sono stati riempiti con gel conduttivo e le loro impedenze sono state confermate inferiori a 5 kΩ (Figura 1).
4. Stimolazione
Prima di iniziare la stimolazione, è stato confermato che la modalità predefinita dello stimolatore è impostata su "SCAN". In questa modalità, il sistema visualizzava l'impedenza di ciascun elettrodo singolarmente (Figura 7). Il valore di impedenza di ciascun elettrodo veniva visualizzato premendo i pulsanti numerati corrispondenti sull'interfaccia 4×1. Valori di impedenza inferiori a 1,5 indicavano una qualità accettabile27,28. Se un valore di impedenza superava questa soglia, l'involucro di plastica corrispondente veniva regolato aprendo il tappo e strofinando il cuoio capelluto con la punta di una siringa per ottenere il valore di impedenza desiderato.
I parametri di stimolazione sono stati impostati sullo stimolatore tES a 2 canali, tra cui la forma d'onda corrente, la durata e l'intensità (Figura 7). Quattro manopole sono state utilizzate per impostare i rispettivi parametri. Un joystick è stato utilizzato per attivare o disattivare la condizione di simulazione. In questo protocollo, la stimolazione è stata erogata in una forma d'onda a corrente alternata, 2 mA e 4 Hz per 10 minuti. Successivamente, il livello "RELAX" è stato commutato alla massima corrente. La modalità dello stimolatore è stata quindi modificata da SCAN a PASS utilizzando il pulsante MODE SELECT . La polarità di stimolazione (centro-anodo o centro-catodo) è stata selezionata premendo il pulsante POLARITY .
La stimolazione è stata avviata premendo il pulsante START sullo stimolatore tES a 2 canali. L'intensità di corrente è aumentata gradualmente fino a raggiungere l'intensità target. Il timer mostrava il tempo di stimolazione rimanente. Se il partecipante ha avvertito disagio durante l'attuale ramp-up, l'intensità potrebbe essere leggermente ridotta utilizzando la leva "RELAX". Una volta che il partecipante si è sentito di nuovo a proprio agio, la leva "RELAX" è stata gradualmente spinta in avanti per riprendere la piena intensità di corrente. Se necessario, la stimolazione può essere interrotta in qualsiasi momento utilizzando il pulsante "ABORT".
5. Registrazione EEG post-stimolazione
Dopo la stimolazione, gli involucri in plastica HD e gli elettrodi di stimolazione sono stati rimossi dalla calotta cerebrale EEG. Gli elettrodi EEG precedentemente rimossi dalle posizioni P3, CP3, P1, PO3 e P5 sono stati reinseriti nelle loro posizioni originali. Ogni elettrodo è stato inserito delicatamente attraverso il foro designato nel cappuccio, seguendo il layout del sistema 10-20, e fissato allineandolo con il cuoio capelluto sottostante. La punta di una siringa di plastica è stata utilizzata per separare i capelli attraverso l'apertura per garantire il contatto diretto con il cuoio capelluto e il gel conduttivo è stato applicato a ciascun elettrodo utilizzando la stessa siringa. L'impedenza di ciascun elettrodo EEG è stata quindi controllata e confermata al di sotto di 5 kΩ prima di iniziare la registrazione EEG post-stimolazione.
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I dati EEG possono essere analizzati nel dominio del tempo (ad esempio, potenziali correlati agli eventi), nel dominio della frequenza (ad esempio, analisi spettrale) o nel dominio del tempo-frequenza (ad esempio, analisi tempo-frequenza). In questo caso, l'analisi tempo-frequenza è stata utilizzata per esaminare i cambiamenti nell'attività oscillatoria associata alla stimolazione. I dati EEG acquisiti prima e dopo la stimolazione da un soggetto rappresentativo sono stati pre-elaborati u...
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La stimolazione transcranica a corrente alternata (tACS) offre un approccio non invasivo per modulare specifici ritmi cerebrali. Grazie alla sua eccellente risoluzione, l'EEG è adatto per esaminare sia le oscillazioni neurali spontanee che quelle esternamente trascinate. La combinazione di tACS con EEG fornisce un approccio multimodale per studiare la funzione e la struttura del cervello e per esplorare ulteriormente i meccanismi neurali alla base degli effetti di tACS. Pertanto, questo ...
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Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Questo lavoro è stato supportato da sovvenzioni di ricerca della National Natural Science Foundation of China (31972906), Fundamental Research Funds for the Central Universities (SWU2209235), dall'Innovation Research 2035 Pilot Plan della Southwest University (SWUPilotPlan006), dall'Open Research Fund dello State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning (CNLZD2102) e dal Graduate Research Innovation Project della Southwest University (SWUS24034).
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Cellula encefalica EEG | PRODOTTI CEREBRALI | BC-64-X42-UAMW-56 | 64 canali basati sul sistema 10-20 |
| 4&acuto; 1 HD-tES | Soterix medical | 4&acuto; 1-C3A | I Soterix 4 volte; Un adattatore HD-tDCS / HD-tES converte qualsiasi stimolatore Soterix Medical tDCS a 2 canali in un dispositivo HD-tDCS / tES. I 4× 1 adattatore HD-tES non è uno stimolatore autonomo e durante la stimolazione non genera alcuna corrente. Piuttosto, il 4× 1 adattatore HD-tES divide e guida intelligentemente la corrente generata da un dispositivo a 2 canali, convertendolo in HD-tES (HD-tDCS, HD-tACS, HD-tRNS, HD-tPCS, HD-tODCS). |
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