経頭蓋交流刺激と脳波の組み合わせ

サマリー

このプロトコルは、作業記憶におけるシータ周波数刺激を例として使用して、認知タスク中の神経振動に対する刺激効果を調べるために、HD-tACS と EEG を組み合わせるための実用的なアプローチを確立します。

要約

神経振動は、作業記憶、注意力、知覚などのさまざまな認知プロセスに不可欠です。経頭蓋交流刺激 (tACS) は、脳の振動と認知機能の間の因果関係を調査するための非侵襲的ツールとして登場しました。tACS は特定の周波数を標的とすることで振動活動を調節し、認知能力における神経リズムの役割についての洞察を提供します。振動ダイナミクスと認知プロセスに対する tACS の影響を理解するには、EEG などの生理学的測定値と行動データを組み合わせることが不可欠です。高解像度tACS(HD-tACS)は、刺激の空間精度を向上させ、特定の皮質領域をより局所的にターゲティングできるようにします。このプロトコルは、HD-tACS と EEG を組み合わせて、左頭頂皮質のシータ周波数 (4 Hz) 振動の変化を評価する方法の概要を示しています。EEG 記録は、シータ活動を調べるために、2 バック作業記憶タスク中の刺激の前後に行われます。このアプローチは、リズミカルな脳刺激 による 認知調節の根底にある神経メカニズムを探索するための強力なツールを提供します。

概要

経頭蓋交流刺激 (tACS) は、特定の周波数、または周波数の組み合わせで微弱な正弦波電流を脳に供給する非侵襲的な神経調節法です ^1,2。経頭蓋直流刺激 (tDCS)、経頭蓋ランダム ノイズ刺激 (tRNS)、および経頭蓋パルス電流刺激 (tPCS)³ も含む経頭蓋電気刺激 (tES) のより広いカテゴリの一部として、tACS は内因性脳リズムを調節する能力で特に注目に値します。他のtESモダリティとは異なり、tACSは進行中の神経振動と同期することができ、それによって目標周波数^{1、4、5、6}で神経振動を同調させることにより認知機能を強化または回復する。さらに、tACS は、アルツハイマー病患者の記憶能力の改善⁷ や抑うつ症状の緩和など、幅広い精神障害の治療のための潜在的な治療選択肢として認識されています⁸。

従来のパッドベースのtACSはその可能性を実証していますが、その比較的広い電流分布により、正確な^{ターゲティング}が制限される可能性があります9。高精細tACS(HD-tACS)は、中心電極が4つのリターン電極で囲まれ、それによって中心電極^10、11、12の下に電流の流れを集中させることによって焦点性を高める4×1リングモンタージュでこの問題に対処します。このモンタージュは、従来のパッドベースの tACS^13,14 と比較して、より高い強度とより長い持続時間を実現できます。

脳の振動は、ニューロンアンサンブルの同期した活動を反映しており、作業記憶^10,16を含むさまざまな認知プロセス¹⁵の基礎です。しかし、これらの振動が因果的な機能的役割を果たすのか、それとも単に認知と相関しているのかは未解決の問題のままです。因果関係をさらに明らかにするために、研究者はtACSなどの脳刺激プロトコルを適用して振動活動を調節し、対応する^{行動変化を}観察することができます1。外部刺激が認知にどのような影響を与えるかを包括的に理解するには、行動パフォーマンスだけでなく、脳波などの生理学的測定値も調べる必要があります。EEGにより、研究者はtACS誘発性の同調が^{神経活動を}変化させるかどうか、またどのように変化するかを監視できます^1,17。

tACSによって生成された大量のアーティファクトにより、刺激中に記録されたEEG信号を確実に分析することが困難になりました^18,19。PCA²⁰、時間的フィルタリング²¹、ビームフォーミング²² など、tACS 誘発アーティファクトを脳活動から分離しようとする研究者は数多くいますが、これらの試みの妥当性にはまだ疑問があります¹⁸。刺激が止まった後、神経集団は徐々にベースライン状態に戻り、同調エコーを引き起こします。これらの同調エコーは、刺激後に発生し、tACS誘発アーティファクトがないため、EEGを使用して神経同調を評価する貴重な機会を提供します。ただし、同調エコーの持続時間が短いと、EEG で信頼できる神経同調を観察する可能性が低くなります。したがって、HD-tACS 刺激の直後に脳波を記録する実用的なアプローチが緊急に必要とされています。

現在のプロトコルの目的は、HD-tACS と高品質の EEG を組み合わせて刺激の効果を評価する方法を実証することです。このプロトコルにより、作業記憶 2 バック タスク内の左頭頂領域を標的とした 10 分間の HD-tACS 刺激 (4Hz、シータ振動) の前後に EEG を記録することにより、研究者は tACS 誘発性アーティファクトなしで刺激の神経生理学的効果を評価できます。2バックタスクは、作業記憶を評価するために広く使用されているパラダイムであり、情報の操作と保存の両方が含まれます^23,24。2バックタスク中に関与するプロセスを含む作業記憶プロセスは、前頭頭頂ネットワークのシータ振動と密接に関連しています。これは、このパラダイム16,25,26でシータ周波数刺激をターゲットにするための強力な理論的根拠を提供します。EEGデータの品質を確保するには、EEG電極のインピーダンスを5kΩ未満に維持し、標準的な電気シールド環境でデータを記録することをお勧めします。概説されている方法は、他の刺激ターゲット (背外側前頭前野、DLPFC など)、他の周波数帯域 (アルファ振動など)、およびその他の認知パラダイム (注意など) に適応できます。刺激の有効性にとって重要な強度や持続時間などの刺激パラメータは、特定の研究目標に基づいて決定できます。このプロトコルが tACS-EEG 統合のより広範なアプリケーションを促進し、神経同調ダイナミクスのより厳密な調査を促進することを願っています。

プロトコル

このプロトコルはサウスウエスト大学の治験審査委員会によって承認され、機関のガイドラインに従って実施されました。このプロトコルのデモンストレーションでは、プロトコル手順を説明するために、1 人の健康な成人参加者 (年齢 = 25 歳、女性) からのデータが表示されます。参加者は実験前に書面によるインフォームドコンセントを提供しました。使用する機器は 材料表に記載されています。

1. 刺激パラメータの決定

作業記憶^16、25、26 の根底にある神経振動を調査した先行研究に基づいて、このプロトコルのターゲット部位として 4 Hz の刺激周波数、10 分間の刺激持続時間、および左頭頂領域を選択しました。

2. 刺激前脳波記録

ベースライン脳波データは、参加者が作業記憶 2 バック タスクを完了している間に記録されました。実験の前に、参加者の頭皮を洗浄しました。すべての脳波電極は、プラスチック製の注射器を使用して導電性ゲルで満たされました。具体的には、シリンジの先端を使用して電極の開口部から髪を分け、電極と頭皮が直接接触するようにゲルを注入しました。各電極のインピーダンスが5kΩ未満になるまで、シリンジの先端で頭皮を優しくこすりました。このプロトコルで使用されるEEGブレインキャップには、10-20システムに従って配置された64個の電極が含まれていました。電極インピーダンスは、ソフトウェアインターフェイスの[インピーダンス]オプションをクリックして監視しました(図1)。脳波記録の高品質を確保するために、インピーダンス表示範囲は0〜5kΩに設定されました。インピーダンス値がオレンジ色または緑色で表示されている電極は、5 kΩ未満と解釈されました。すべての電極のインピーダンスが5kΩ未満であることが確認されたら、参加者が2バックタスクを実行しているときにソフトウェアで[開始]を押してEEG記録を開始しました(図2)。EEG信号もタスク中に視覚化されました(図2)。私たちのプロトコルにおける2バックタスクの手順を 図3に示します。

3. 刺激の準備

参加者は最初に評価され、tES の神経障害または精神障害の病歴がないことを確認しました。刺激の前に、参加者の頭皮を再度洗浄しました。必要な材料はすべて事前に準備されていました(図4)。装置は次のように組み立てられました²⁷: バッテリーを取り付け、完全に充電されていることを確認しました。入力ケーブルを使用して、2 チャンネル tES 刺激装置を 4×1 マルチチャンネル刺激インターフェイスに接続しました。次に、出力ケーブルを4×1インターフェースに接続し、5つのAg/AgCl電極を出力ケーブルに接続しました(図5)。

すべてのデバイス接続が完了したら、2チャンネルtES刺激装置と4×1インターフェースシステムの電源がオンになりました。5 つのプラスチック製の高精細 (HD) ケーシングを EEG 脳蓋の特定の電極部位 (P3、CP3、P1、PO3、P5) に埋め込み、キャップを参加者の頭に装着しました (図 6)。

導電性ゲルをHDケーシングの開口部から頭皮表面に塗布しました。注射器の先端を使用して髪を分けて頭皮を露出させ、露出した領域に直接導電性ジェルを塗布しました。次に、5つの電極をHDケーシングに挿入し、電極No.5をリング状の構成(すなわち、P3)の中心に配置しました。残りの4つの電極は、隣接する部位(すなわち、P1、PO3、P5、およびCP3; 図6)。同様に、すべての脳波電極に導電性ゲルを充填し、インピーダンスが5kΩ以下であることを確認しました(図1)。

4. 刺激

刺激を開始する前に、刺激装置のデフォルトモードが「SCAN」に設定されていることを確認しました。このモードでは、システムは各電極のインピーダンスを個別に表示しました(図7)。各電極のインピーダンス値は、4×1 インターフェイスの対応する番号付きボタンを押すことで表示されました。1.5未満のインピーダンス値は、許容可能な品質^{を示しています27,28}。いずれかのインピーダンス値がこのしきい値を超えた場合は、キャップを開けて注射器の先端で頭皮をこすり洗いして、対応するプラスチックケーシングを調整し、目的のインピーダンス値を得ました。

電流波形、持続時間、強度などの刺激パラメータを2チャンネルtES刺激装置で設定しました(図7)。4つのノブを使用して、それぞれのパラメータを設定しました。ジョイスティックを使用して、偽の状態のオンとオフを切り替えました。このプロトコルでは、刺激は交流波形、2 mA および 4 Hz で 10 分間送達されました。次に、「RELAX」レベルをフル電流に切り替えました。次に、MODE SELECTボタンを使用して、刺激装置モードをSCANからPASSに変更しました。刺激極性(中心陽極または中心陰極)は、POLARITYボタンを押して選択しました。

刺激は、2チャンネルtES刺激装置の START ボタンを押すことによって開始されました。現在の強度は、目標強度に達するまで徐々に増加しました。タイマーは残りの刺激時間を示しました。参加者が現在のランプアップ中に不快感を感じた場合は、「RELAX」レバーを使用して強度をわずかに下げることができます。参加者が再び快適になったら、「RELAX」レバーを徐々に前方に押して、全電流強度を再開しました。必要に応じて、「ABORT」ボタンを使用していつでも刺激を終了できます。

5. 刺激後の脳波記録

刺激後、プラスチック製のHDケーシングと刺激電極を脳波脳波脳帽から取り外した。以前に位置 P3、CP3、P1、PO3、および P5 から取り外した EEG 電極を元の位置に再挿入しました。各電極は、10-20 システムのレイアウトに従って、キャップの指定された穴からそっと挿入され、下にある頭皮に合わせて固定されました。プラスチック製の注射器の先端を使用して、頭皮に直接接触するように開口部から髪を分け、同じ注射器を使用して各電極に導電性ゲルを塗布しました。次に、各 EEG 電極のインピーダンスをチェックし、刺激後の EEG 記録を開始する前に 5 kΩ 未満であることを確認しました。

結果

EEGデータは、時間領域(イベント関連電位など)、周波数領域(スペクトル分析など)、または時間周波数領域(時間周波数分析など)で分析できます。この場合、時間-周波数分析を使用して、刺激に関連する振動活動の変化を調べました。代表的な被験者から刺激の前後に取得した脳波データは、MATLAB の EEGLAB ツールボックスを使用して前処理されました。前処理ステップには次のものが含まれていました。連続脳波は、40 Hzのローパスフィルターと0.1 Hzのハイパスフィルターでフィルタリングされました。次に、EEG データを、刺激開始前の 1000 ミリ秒から開始後 1300 ミリ秒までのエポックに分割しました。長いエポックは、時間-周波数解析におけるウィンドウアーティファクトを防止しました。ベースライン補正は 200 ミリ秒から 0 ミリ秒まで適用されました。参照は両側乳様突起に再参照されました。独立成分分析 (ICA) を使用して、非皮質の生理学的アーティファクト (心臓、筋肉、眼など) および非生理学的アーティファクト (環境ノイズ、動きなど) を除去しました

ディスカッション

経頭蓋交流刺激 (tACS) は、特定の脳リズムを調節するための非侵襲的アプローチを提供します。EEGは、その優れた分解能により、自発的および外部に巻き込まれた神経振動の両方の検査に適しています。tACS と EEG を組み合わせることで、脳の機能と構造を調査し、tACS 効果の根底にある神経メカニズムをさらに調査するためのマルチモーダル アプローチが提供されます。したがって、このプロトコルは、HD-tACS を EEG と統合するための実用的な方法を提示します。

同時脳波記録は、顕著な tACS アーティファクトによって妨げられます。このアーティファクトを脳活動から分離するために多くの方法が提案されていますが、Nouryら¹⁸ は、これらの除去の試みの妥当性について懸念を提起し、tACSアーティファクトが心臓および呼吸の周波数で非線形および振幅変調の両方になる可能性があることを示しました。対照的に、Neuling et ^al.19...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
脳波 脳蓋	脳製品	BC-64-X42-UAMW-56	10-20システムに基づく64チャンネル
4&急性;1 HD-tES	ソテリクス・メディカル	4&急性;1-C3A	ソテリックス4&タイムズ;1つのHD-tDCS / HD-tESアダプターは、任意の2チャンネルSoterix Medical tDCS刺激装置をHD-tDCS / tESデバイスに変換します。4×1つのHD-tESアダプターは独立した刺激装置ではなく、刺激時には電流を発生させません。むしろ、4×1つのHD-tESアダプターは、2チャンネルデバイスで生成される電流をインテリジェントに分割・誘導し、それをHD-tES(HD-tDCS、HD-tACS、HD-tRNS、HD-tPCS、HD-tODCS)に変換します。