Method Article

Jednoczesna rejestracja elektroencefalografii podczas przezczaszkowej stymulacji prądem zmiennym (tACS)

DOI:

10.3791/53527

⸱

January 22nd, 2016

 , 
1Division of Systems Neuroscience of Psychopathology, Translational Research Center, University Hospital of Psychiatry, University of Bern, 2Japan Science and Technology Agency, PRESTO

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W tym artykule wyjaśniamy, jak skonfigurować jednoczesną przezczaszkową stymulację prądem zmiennym i eksperyment EEG.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Uważa się, że oscylacyjne działania mózgu odzwierciedlają podstawę rytmicznych zmian w skuteczności transmisji w sieciach mózgowych i zakłada się, że integrują kognitywne procesy neuronalne. Przezczaszkowa stymulacja prądem przemiennym (tACS) daje nadzieję na wyjaśnienie związku przyczynowego między określonymi częstotliwościami oscylacyjnej aktywności mózgu a procesami poznawczymi. Jednoczesna rejestracja elektroencefalografii (EEG) podczas tACS dałaby możliwość bezpośredniego zbadania natychmiastowych efektów neurofizjologicznych tACS. Jednak pomiar sygnałów EEG podczas tACS nie jest trywialny, ponieważ tACS tworzy ogromny artefakt w danych EEG. Tutaj wyjaśniamy, jak skonfigurować równoległe eksperymenty tACS-EEG. Zwrócono uwagę na dwie kwestie, które są niezbędne do pomyślnego zapisu EEG podczas stosowania tACS. Po pierwsze, mostkowanie elektrod tACS i EEG przez wyciekający żel EEG natychmiast nasyca wzmacniacz EEG. Aby uniknąć mostkowania przez żel, najważniejszym parametrem jest lepkość żelu EEG. Żel EEG musi być lepki, aby uniknąć mostkowania, ale jednocześnie wystarczająco płynny, aby stworzyć kontakt między elektrodą tACS a skórą głowy. Po drugie, ze względu na dużą amplitudę artefaktu tACS, ważne jest, aby rozważyć użycie systemu EEG z przetwornikiem analogowo-cyfrowym (A/D) o wysokiej rozdzielczości. W szczególności wielkość artefaktu tACS może przekraczać 100 mV w pobliżu elektrody stymulującej, gdy stosuje się 1 mA tACS. Rozdzielczość przetwornika A/C ma znaczenie dla pomiaru dobrej jakości danych EEG z okolic miejsca stymulacji. Postępując zgodnie z tymi wytycznymi dotyczącymi procedur i względów technicznych, uda się uzyskać pomyślny jednoczesny zapis EEG podczas tACS.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rytmiczną dynamikę zewnątrzkomórkowych prądów elektrycznych w mózgu obserwuje się od stulecia1,2. Podczas gdy przez większość tego czasu są one uważane za niespecyficzny szum w danych, dziś powszechnie uważa się, że odgrywają główną rolę w przetwarzaniu informacji w mózgu3,4,5,6,7,8,9. Nasze zrozumienie związku przyczynowego między określonymi częstotliwościami oscylacyjnej aktywności mózgu a procesami poznawczymi posunęło się naprzód w ciągu ostatniej dekady dzięki rozwojowi różnych podejść interwencyjnych do bezpośredniej modulacji aktywności oscylacyjnej8,10. Przezczaszkowa stymulacja prądem przemiennym (tACS) jest jednym z takich obiecujących podejść do modulowania rytmicznej aktywnościw mózgu. tACS to nieinwazyjna metoda stymulacji mózgu, która wykorzystuje słabe prądy przemienne (sinusoidalne) ze skóry głowy i moduluje pobudliwość kory mózgowej w sposób specyficzny dla częstotliwości 11,12,13,14,15. Chociaż jest to obiecująca technika badania roli aktywności rytmicznej w mózgu, neurofizjologiczne mechanizmy tACS są nadal nieuchwytne. Kilka badań wykazało wpływ tACS na funkcje percepcyjne11,13,16,17,18 i motoryczne19,20,21,22, a także wpływ na procesy poznawcze wyższego rzędu23,24,25,26,27,28. Neurofizjologiczne dowody na porywanie drgań mózgu po stymulacji przedstawiono za pomocą EEG 13,14,15. Obecnie istnieje niewiele doniesień o neurofizjologicznych dowodach u ludzi na wpływ tACS podczas stymulacji 12,13,22. Ponieważ mózg jest bardzo odporny na zewnętrzne zakłócenia, takie dowody online mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia natychmiastowych neurofizjologicznych skutków tACS.

Elektroencefalografia (EEG), rejestrująca aktywność elektrofizjologiczną w mózgu z wysoką rozdzielczością czasową, jest idealnym wyborem do badania endogennych i porwanych oscylacyjnych aktywności neuronalnych. Ostatnie badania przeprowadzone przez Helfricha i współpracowników wykazały neurofizjologiczne efekty tACS online, ale jednocześnie pomiar EEG podczas tACS okazał się trudny ze względu na wyraźny artefakt tACS12,13. Dla udanych jednoczesnych eksperymentów tACS-EEG, rejestrowanie dobrej jakości danych EEG jest jednym z ważnych aspektów, na których skupia się niniejszy artykuł, a jednocześnie kluczowa jest również metoda wstępnego przetwarzania w celu usunięcia artefaktu tACS. W naszym laboratorium rozwijamy własny potok wstępnego przetwarzania, który pozwala na usunięcie artefaktu tACS z danych EEG29. W tym miejscu opiszemy, jak skutecznie rejestrować sygnały EEG z obszaru stymulacji oraz kwestie techniczne ważne dla udanej rejestracji.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Oświadczenie etyczne: Procedury z udziałem ludzi zostały zatwierdzone przez komisję etyki Kantonu Berno (KEK-BE 007/14).

Uwaga: Rysunek 1 ilustruje montaże, jak również konstrukcję elektrod tACS (zobacz też Dyskusję) i czepek EEG. Używamy czepka EEG wykonanego z elastycznego materiału (ryc. 1D) do przytrzymania elektrody tACS przymocowanej do skóry głowy.

1. Montaże

Uwaga: Reprezentatywne wyniki uzyskano z następujących montaży elektrod tACS.

  1. Montaż 1: Umieść obie elektrody na skórze głowy, w lewej grzbietowo-bocznej korze przedczołowej (DLPFC) (elektroda F3) i lewej tylnej korze ciemieniowej (PPC) (elektroda P3) (ryc. 1A).
  2. Montaż 2: Umieść jedną elektrodę tACS na skórze głowy po lewej elektrodzie DLPFC (elektroda F3), a drugą elektrodę tACS na lewym ramieniu (Rysunek 1B).
  3. Montaż 3: Umieść jedną elektrodę tACS na skórze głowy po lewej elektrodzie PPC (elektroda P3), a drugą elektrodę tACS na lewym ramieniu (Rysunek 1C).

2. Przygotowanie elektrod tACS

  1. Jeśli na ramieniu zostanie umieszczona elektroda referencyjna tACS (montaż 2 i 3), zrób to najpierw.
    1. Przed założeniem elektrody barkowej należy przygotować skórę za pomocą żelu ściernego przygotowującego skórę do EEG i elektrokardiografii. Za pomocą gazika delikatnie wyszoruj skórę żelem do przygotowania skóry.
    2. Nałóż żel EEG na elektrodę tACS i umieść elektrodę na ramieniu.
    3. Przymocuj elektrodę na ramieniu taśmą klejącą.
  2. Załóż czepek EEG. Dostosuj położenie czepka zgodnie z międzynarodowym systemem 10-20 dla pozycjonowania elektrody30 i zapnij pasek podbródkowy czepka EEG.
  3. Zaznacz miejsca, aby wskazać, gdzie elektroda tACS zostanie umieszczona na skórze głowy. Używaj czerwonego długopisu na bazie wody, po pierwsze dlatego, że efekty izolacyjne kolorowego materiału pióra są zmniejszone, a po drugie, można go łatwo zmyć wodą.
  4. Jeśli występuje problem z tym, że wstrzykiwacz nie sięga do skóry głowy w celu oznaczenia, ponieważ otwory w nasadce EEG do wprowadzania żelu są zbyt ciasne (ryc. 1D), użyj drewnianego patyczka, na przykład drewnianej rączki wacika.
    1. Dokładnie pomaluj końcówkę patyczka i użyj tej końcówki do oznaczenia skóry głowy.
    2. Zdejmij czepek EEG i sprawdź, czy oznaczenie się powiodło. W razie potrzeby wypełnij oznaczenie, aby można je było później łatwo zauważyć.
  5. Wykonaj następujące kroki (2.5.1-2.5.4) w zależności od długości włosów uczestnika. Jeśli uczestnik ma krótkie włosy (do około 10 centymetrów), pomiń następujące kroki (należy również zauważyć, że niektóre fryzury, takie jak dredy, uniemożliwiają zastosowanie elektrod tACS). Jeśli uczestnik ma dłuższe włosy:
    1. Umieść elektrodę tACS tak, aby jej środek był zaznaczony czerwoną plamką na skórze głowy. Należy pamiętać, że w tym momencie na elektrodę tACS nie należy nakładać żelu EEG.
    2. Nawlecz wszystkie włosy wewnątrz wewnętrznego pierścienia elektrody tACS.
    3. Zwiąż wyleczone włosy za pomocą spinaczy kablowych. Zwróć uwagę na to, aby włosy wokół elektrody tACS nie związały się z elektrodą tACS przez spinacze.
    4. Po związaniu włosów wyjmij elektrodę tACS.
  6. Nałóż żel EEG na elektrodę ACS skóry głowy.
    1. Przed nałożeniem żelu należy podłączyć elektrody tACS skóry głowy i ramienia do stymulatora, ale nie należy jeszcze włączać stymulatora. Nałóż cienką warstwę żelu EEG na elektrodę tACS. Ważne jest rzadkie nakładanie żelu.
    2. Ostrożnie umieść elektrodę tACS z powrotem na głowie.
      1. Jeśli uczestnik ma dłuższe włosy, przeciągnij związane włosy z powrotem przez wewnętrzny otwór elektrody tACS, nie dotykając żelu EEG na elektrodzie tACS.
      2. Podczas umieszczania elektrody tACS należy zwrócić szczególną uwagę na czerwony znak na skórze głowy, który znajduje się pośrodku elektrody tACS. Po umieszczeniu elektrody tACS na skórze głowy jej położenie nie może być już zmieniane.
      3. Usuń wiązania z włosów po umieszczeniu elektrody tACS.
    3. Włącz stymulator i monitoruj impedancję. Ostrożnie wywierając pewien nacisk na elektrodę tACS, należy zwrócić szczególną uwagę, aby czerwony punkt oznaczenia był zawsze utrzymywany na środku elektrody tACS.
    4. Ostrożnie podnieś krawędzie elektrody tACS i nałóż trochę więcej żelu EEG pod włosy, a nie między elektrodę tACS a włosy (ryc. 2). Jest to szczególnie ważne, jeśli uczestnik ma dużo włosów (patrz dyskusja).
    5. Kontynuuj wywieranie nacisku na elektrodę tACS, aż impedancja spadnie stabilnie poniżej 10 kΩ. Monitorować impedancję elektrody tACS za pomocą stymulatora tACS. W razie potrzeby ostrożnie dodaj dodatkowy żel EEG, ale zawsze rzadko.
      Uwaga: Impedancja elektrody tACS monitorowana przez stymulator tACS jest mierzona między elektrodami tACS, co ma tę wadę, że nie dostarcza oddzielnych informacji o wartości impedancji dla każdej elektrody. W zależności od systemu wzmacniacza EEG, może być również możliwy pomiar impedancji elektrod tACS za jego pomocą, a następnie pomiar impedancji dla każdej elektrody osobno.
    6. Zwróć uwagę na ewentualny żel wydostający się z elektrody tACS i usuń nadmiar żelu EEG za pomocą bawełnianego wacika.

3. Montaż czepka EEG

  1. Gdy impedancja elektrod tACS spadnie poniżej progu 10 kΩ, ponownie zamontuj czepek EEG. Załóż czepek EEG bardzo delikatnie i ostrożnie, szczególnie jeśli materiał czepka EEG jest elastyczny, ponieważ poza tym łatwo jest zmienić pozycję elektrody tACS skóry głowy na tym etapie.
    Uwaga: Przesunięcie elektrody tACS rozprowadza żel EEG pod elektrodą tACS i powoduje, że żel EEG łączy się z elektrodami EEG. Ważne jest, aby nie ciągnąć elastycznej nasadki na siłę w dół, ponieważ może to spowodować jej późniejsze odbicie, co również skutkowałoby przesunięciem elektrody tACS.
  2. Zapnij pasek czepka EEG.

4. Przygotowanie elektrod EEG

  1. Nałóż żel EEG o odpowiedniej lepkości (szczegółowo omówiony w dyskusji) na elektrody EEG, aby stworzyć kontakt między skórą głowy a elektrodami EEG. Zacznij od elektrod uziemiających i referencyjnych EEG. Następnie przejdź do elektrod znajdujących się pośrodku i w pobliżu elektrody tACS. Następnie przejdź do pozostałych elektrod (patrz Dyskusja).
  2. W przypadku elektrod EEG otaczających elektrodę tACS, wstrzyknąć żel końcówką igły skierowaną w kierunku przeciwnym od elektrody tACS. Delikatnie dociśnij elektrody EEG podczas nakładania żelu, aby żel nie wydostał się spod elektrod.
  3. Użyj drewnianego patyczka, aby zwiększyć kontakt między elektrodami EEG a skórą głowy, jak pokazano na rysunku 3. Nie używaj do tego celu końcówki igły, ponieważ zeskrobuje ona skórę głowy uczestnika, a ponadto nie jest tak skuteczna w tym celu.
    1. Dociśnij żel patyczkiem w kierunku skóry głowy i bardzo delikatnie pocieraj skórę głowy górną częścią patyczka ruchem obrotowym. Staraj się utrzymywać kąt patyczka prostopadle do skóry głowy w przypadku elektrod znajdujących się w bliskim sąsiedztwie elektrody tACS, ponieważ ruchy boczne patyczka spowodują rozprowadzenie żelu pod elektrodą. W razie potrzeby nałóż trochę więcej żelu EEG, a następnie użyj drewnianego patyczka, aby jeszcze bardziej poprawić impedancję.
  4. Aby uniknąć mostkowania przez nieszczelny żel (ryc. 4), należy zachować ostrożność przy nakładaniu żelu w celu obniżenia impedancji elektrod EEG w bezpośrednim sąsiedztwie elektrody tACS. Zamiast tego spróbuj maksymalnie obniżyć impedancję, używając tylko drewnianego patyczka, zanim rozważysz dodanie większej ilości żelu.
  5. Po osiągnięciu dobrej impedancji za pomocą drewnianego patyczka, ostrożnie włóż i opuść igłę, aż końcówka igły dotknie skóry głowy, a następnie delikatnie nałóż żel, jednocześnie wyciągając igłę, pomagając w ten sposób ustabilizować kontakt między elektrodą EEG a skórą głowy.
  6. Dąż do impedancji elektrod EEG poniżej 5 kΩ, aby uzyskać optymalne dane, ponieważ zmniejsza to zakłócenia i zniekształcenia sygnału.
  7. Po obniżeniu impedancji do odpowiedniego poziomu sprawdź, czy z powodu wycieku żelu nie powstał mostek między elektrodą tACS a otaczającymi elektrodami EEG.
    1. Zastosuj krótką stymulację sinusoidalną o intensywności zainteresowań eksperymentalnych (np. 1 mA od szczytu do szczytu).
      Uwaga: Ze względu na ograniczenia niektórych systemów (patrz tabela materiałów) nie jest możliwe sprawdzenie, czy nie ma mostkowania w trybie online, ale tylko poprzez zastosowanie stymulacji, a następnie sprawdzenie, czy któryś z kanałów wzmacniacza EEG jest nasycony.
    2. Sprawdź, czy któryś kanał jest nasycony podczas stymulacji.
      Uwaga: Jak wynika z reprezentatywnych wyników, mostkowanie przez nieszczelny żel między elektrodami tACS i EEG spowoduje nasycenie tego kanału wzmacniacza EEG i wykluczy rejestrację danych z tych elektrod. Nie ma możliwości cofnięcia mostkowania przez nieszczelny żel po jego ustaleniu. Jedynym wyjściem jest przerwanie eksperymentu.
  8. Sprawdź impedancje jeszcze raz. Następnie rozpocznij nagrywanie.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pokazano przykłady nieudanych i udanych jednoczesnych pomiarów tACS-EEG uzyskanych z dwóch różnych nagrań (Rysunek 5). Na skórę głowy umieszczono dwie elektrody tACS (elektrody F3 i P3), a intensywność tACS wynosiła 0,9 mA (peak-to-peak). W pierwszym przykładzie elektroda F3 EEG została zmostkowana z czołową elektrodą tACS za pomocą żelu (zauważ, że wspominając o "mostkowaniu" w całej dyskusji poniżej, oznaczamy utworzenie bezpośredniego połączenia przez żel EEG, tworząc kontakt między elektrodami tACS i EEG). Mostkowanie natychmiast nasyca kanał F3 i nie można było zarejestrować sygnałów EEG podczas tACS (ryc. 5A). W drugim przykładzie sygnały EEG zostały pomyślnie zarejestrowane podczas stosowania tACS (ryc. 5B).

Aby ocenić rozkład przestrzenny wielkości artefaktu tACS, obliczono wielkość artefaktu tACS podczas udanego zapisu uzyskanego od trzech osób. tACS zastosowano do DLPFC (elektroda F3) lub PPC (elektroda P3). Natężenie tACS wynosiło 0,9 mA (peak-to-peak). Zaobserwowano, że wielkość międzyszczytowa artefaktu tACS była odwrotnie skorelowana z odległością między elektrodą EEG a tACS (ryc. 6A i 6B). Ponadto położenie elektrody referencyjnej EEG w stosunku do elektrody tACS również wpłynęło na rozkład przestrzenny wielkości artefaktu tACS w kanałach EEG (ryc. 6A i 6B). Wielkość artefaktu tACS waha się od 10 mV na elektrodach EEG bardziej oddalonych od miejsca stymulacji, podczas gdy wielkość może osiągnąć do 100 mV na elektrodzie EEG w środku elektrody tACS. Zbadano również zależność między natężeniem prądu tACS a wielkością artefaktów w pobliżu elektrody tACS (ryc. 7). Wykazywał zależności liniowe i nasycał zakres napięcia zapisu, gdy natężenie prądu tACS było większe niż 1,6 mA.

figure-results-1
Rysunek 1. Ilustracja montażu. (A) Montaż za pomocą dwóch elektrod tACS umieszczonych na skórze głowy (F3 i P3). (B) Montaż z jedną elektrodą tACS umieszczoną na skórze głowy (F3) i jedną elektrodą referencyjną tACS umieszczoną na ramieniu ipsilateralnym. (C) Montaż z jedną elektrodą tACS umieszczoną na skórze głowy (P3) i jedną elektrodą referencyjną tACS umieszczoną na ramieniu ipsilateralnym. (D) Elastyczna nasadka EEG utrzymuje elektrodę ACS skóry głowy na miejscu pod czepkiem. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 2. Prawidłowe nałożenie dodatkowego żelu EEG pod elektrodę tACS. Pod elektrodą tACS należy nałożyć dodatkowy żel EEG w celu poprawy jednorodności połączenia ze skórą skóry. Dodatkowy żel należy nakładać między włosy a skórę głowy (niebieska strzałka), a nie między elektrodą tACS a włosami, aby poprawić kontakt. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rysunek 3. Poprawa połączenia elektrod EEG ze skórą głowy. (A) Nałóż żel EEG na elektrody EEG za pomocą strzykawki. Użyj końcówki igły, aby odgarnąć włosy poniżej elektrody EEG, a następnie ostrożnie włóż i opuść igłę, aż końcówka igły dotknie skóry głowy. Nałóż żel, jednocześnie wyciągając igłę, aby utworzyć połączenie między skórą głowy a elektrodą EEG. (B) Użyj drewnianego patyczka (np. drewnianej rączki wacika lub podobnego), aby jeszcze bardziej poprawić kontakt między elektrodami EEG a skórą głowy. Dociśnij żel patyczkiem w kierunku skóry głowy i bardzo delikatnie pocieraj skórę głowy górną częścią patyczka ruchem obrotowym. Staraj się utrzymywać kąt patyczka prostopadle do skóry głowy w przypadku elektrod znajdujących się w bliskim sąsiedztwie elektrody tACS, ponieważ ruchy boczne patyczka spowodują rozprowadzenie żelu pod elektrodą. W razie potrzeby nałóż trochę więcej żelu EEG, a następnie użyj drewnianego patyczka, aby jeszcze bardziej poprawić impedancję. W przypadku elektrod znajdujących się w bliskim sąsiedztwie elektrody tACS ważne jest również, aby zachować ostrożność przy nakładaniu większej ilości żelu w celu poprawy kontaktu. Raczej staraj się jak najbardziej poprawić kontakt za pomocą drewnianego patyczka. Na koniec, po osiągnięciu dobrej impedancji za pomocą drewnianego patyczka, dodaj trochę dodatkowego żelu, aby ustabilizować kontakt między elektrodą EEG a skórą głowy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rysunek 4. Przykład wycieku żelu EEG powodującego bezpośredni kontakt między elektrodami tACS i EEG. Obserwuje się nieszczelność żelu EEG, który tworzy bezpośredni kontakt między tACS a elektrodą EEG. Mostkowanie takie jak to między elektrodami tACS i EEG może powstać np. poprzez dodanie nadmiaru żelu EEG pod elektrodę tACS lub elektrodę EEG w pobliżu elektrody tACS lub przez przesunięcie elektrody tACS. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-5
Rysunek 5. tACS nasyca wzmacniacz EEG poprzez mostkowanie za pomocą żelu. Surowe dane z dwóch różnych nagrań, odnoszących się do CPz, podczas montażu z elektrodami ACS skóry głowy umieszczonymi na DLPFC (elektroda F3) i PCC (elektroda P3). (A) Sygnał zapisany na elektrodzie F3 jest nasycony z powodu mostkowania przez nieszczelny żel EEG między elektrodą F3 EEG a elektrodą tACS. (B) Sygnały są pomyślnie rejestrowane ze wszystkich elektrod. Wielkość artefaktu tACS na elektrodzie F3 przekracza ponad 50 mV. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-6
Rysunek 6. Wielkość artefaktów tACS w kanałach EEG. Wartości szczytowe artefaktów tACS uśrednione dla trzech osób (mV). Dane są danymi surowymi, odnoszącymi się do CPz. (A) Wielkość artefaktu tACS podczas montażu z jedną elektrodą tACS skóry głowy umieszczoną na lewym DLPFC (elektroda F3), a drugą elektrodą tACS umieszczoną na lewym ramieniu (Montaż 2, Rysunek 1B). (B) Wielkość artefaktu tACS podczas montażu, gdy jedna elektroda tACS jest umieszczona na lewym PPC (elektroda P3), a druga elektroda tACS umieszczona na lewym ramieniu (Montaż 3, rysunek 1C). (C) Lokalizacje kanałów EEG. Czerwony: kanał w miejscu stymulacji, niebieski: kanały w bliskim sąsiedztwie miejsca stymulacji, Ref (pogrubiona czerń): elektroda referencyjna (CPz). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-7
Rysunek 7. Wielkość artefaktu tACS liniowo koreluje z intensywnością stymulacji. Międzyszczytowa wielkość artefaktu tACS (mV) od jednego obiektu na kanale F3. Natężenia od 0,5 do 2 mA stosowano w krokach co 0,1 mA. Dane są danymi surowymi, odnoszącymi się do CPz. Montaż z jedną elektrodą tACS skóry głowy umieszczoną po lewej stronie DLPFC (elektroda F3), a drugą elektrodą tACS umieszczoną na lewym ramieniu (Montaż 2, Rysunek 1B). Dane wskazują na doskonałą liniową zależność między intensywnością zastosowanej stymulacji a wielkością artefaktu tACS, w zakresie intensywności od 0,5 do 1,6 mA. Rozdzielczość napięciowa została ustawiona na 150 mV, ale rzeczywisty maksymalny zakres akwizycji wynosił 161,6 mV, powyżej którego sygnał był nasycony. Linia przerywana oznacza maksymalny zakres napięcia. Przy intensywności stymulacji 1,7 mA i wyższej, gdy wynikowe wielkości artefaktów były większe niż 161,6 mV, kanał F3 był nasycony. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Procedury konfiguracji jednoczesnych eksperymentów tACS-EEG są opisane tutaj. Przejdziemy teraz do omówienia kwestii związanych z konfiguracją zapisów tACS-EEG, z których dwie pierwsze kwestie są niezbędne do udanych jednoczesnych zapisów tACS-EEG.

Unikanie mostkowania elektrod tACS-EEG za pomocą żelu

Bardzo ważne jest, aby unikać mostkowania między elektrodami EEG i tACS przez nieszczelny żel EEG, ponieważ mostkowanie natychmiast nasyca odpowiedni kanał wzmacniacza EEG. Z tego powodu lepkość żelu EEG jest kluczowym parametrem dla pomyślnego zapisu tACS-EEG. Nigdy nie używaj płynnego żelu EEG, ponieważ płynny żel EEG może wydostać się z elektrody tACS i połączyć się z sąsiednimi elektrodami EEG. Jednocześnie bardzo lepki żel EEG ma tę wadę, że wnika we włosy i smaruje skórę w celu zmniejszenia impedancji. W przypadku elektrod EEG znajdujących się w bliskiej odległości od elektrody tACS można użyć bardziej lepkiego żelu, ponieważ można użyć drewnianego patyczka w celu obniżenia impedancji. Do tACS i pozostałych elektrod EEG użyj nieco mniej lepkiego (choć nadal nie płynnego) żelu EEG. Ten rodzaj żelu wymaga mniej wysiłku, aby obniżyć impedancję. Ponieważ trudno jest zeskrobać pod elektrodą tACS, lepiej jest tutaj użyć nieco mniej lepkiego żelu.

Radzenie sobie z wielkościami artefaktów tACS

Drugą kwestią jest poradzenie sobie z dużą wielkością artefaktu tACS, od 10 mV na elektrodach EEG odległych od obszaru stymulacji, do ponad 100 mV w miejscu stymulacji podczas obecnej intensywności stymulacji 0,9 mA (ryc. 6). Rysunek 7 ilustruje liniową zależność między intensywnością stymulacji (od 0,5 do 2,0 mA od szczytu do szczytu) a wynikającą z tego wielkością artefaktu w miejscu stymulacji (kanał F3). Pierwszym środkiem jest utrzymanie niskiej impedancji zarówno elektrod EEG, jak i tACS. Niewystarczający kontakt elektrody tACS ze skórą głowy powoduje większe amplitudy artefaktu tACS w danych EEG, a ponadto przyłożony prąd elektroniczny byłby zwykle niejednorodny. Po drugie, należy wziąć pod uwagę poziom rozdzielczości przetwornika A/C systemu EEG. 24-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy może teoretycznie pokryć zakres 1,68 V z rozdzielczością 0,1 μV/bit. Natomiast 16-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy o rozdzielczości 0,1 μV/bit pokryłby zakres napięcia 6,5 mV - zbyt niski, aby pokryć zakres artefaktu tACS (ilustracja 6). W związku z tym rozdzielczość zapisu napięcia musi zostać obniżona. Aby pokryć wielkości artefaktów do 100 mV w miejscu stymulacji za pomocą systemu 16-bitowego, rozdzielczość zapisu napięcia teoretycznie musiałaby zostać obniżona do powyżej 1,53 μV/bit. W rzeczywistości ostatnie równoległe badania tACS-EEG z systemem 16-bitowym nie były w stanie zarejestrować sygnałów EEG z okolic miejsca stymulacji z powodu nasycenia wzmacniacza, nawet gdy rozdzielczość została obniżona do 0,5 μV/bit12,13.

Uwagi dotyczące zmniejszania impedancji elektrody

Powodem, dla którego należy najpierw rozpocząć pracę nad impedancjami elektrod EEG znajdujących się w środku lub w pobliżu elektrody tACS, jest to, że te elektrody EEG wymagają cierpliwej i starannej pracy, aby uniknąć mostkowania. Zaczynając od tych elektrod, jest czas, aby poczekać, aż nałożony żel będzie miał trochę czasu na nasmarowanie skóry głowy, zanim rozważysz nałożenie większej ilości żelu EEG, jeśli to konieczne. Dodatkowy żel należy nałożyć pod elektrodę tACS po jej umieszczeniu na skórze głowy, w szczególności jeśli uczestnik ma dużo włosów. Powodem jest nie tylko zmniejszenie impedancji - dobrą impedancję można osiągnąć bez tego kroku - ale uzyskanie jednolitego połączenia ze skórą głowy na całej powierzchni elektrody tACS.

Zagadnienia dotyczące projektowania i montażu

Rysunek 1 ilustruje montaż elektrod tACS. Przedstawiono konstrukcję elektrody/elektrod tACS skóry głowy w kształcie pączka oraz prostokątnej elektrody tACS na ramię. Kształt elektrody tACS skóry głowy pozwala na umieszczenie elektrody EEG w środku stymulowanego obszaru. Jedną z zalet konstrukcji w kształcie pączka jest to, że pozwala na nagrywanie sygnału z stymulowanego obszaru. Po drugie, ułatwia również utrzymanie niezmienionej pozycji elektrody tACS. W zależności od miejsca stymulacji bardziej odpowiedni byłby inny kształt elektrody tACS. Prostokątny kształt elektrody tACS jest bardziej odpowiedni do nagrywania z miejsca pomiędzy elektrodami EEG.

Należy zwrócić uwagę, że kształt i położenie elektrody tACS nie jest takie samo jak obszar faktycznie stymulowany, ale może być nieznacznie przesunięte31. Przy podejmowaniu decyzji o położeniu elektrod tACS zawsze zdecydowanie zaleca się modelowanie przepływu prądu w celu oszacowania najlepszej pozycji elektrod do kierowania w obszar zainteresowania.

Obecna konfiguracja jest odpowiednia do modulacji aktywności rytmicznej w sieciach na dużą skalę. Większą stymulację ogniskową można osiągnąć na kilka sposobów 13,32,33,34. Najpierw zmniejsz rozmiar elektrody tACS. Nitsche i współpracownicy wykazali, że elektroda o średnicy 3,5cm2 może modulować pobudliwość kory ruchowej za pomocą tDCS32. Drugim podejściem jest wykorzystanie konfiguracji13,33,34 o wysokiej rozdzielczości, w której jedna elektroda stymulująca jest otoczona czterema elektrodami referencyjnymi. Kolejną zaletą konfiguracji o wysokiej rozdzielczości jest to, że gęstość elektrod EEG może zostać zwiększona, ponieważ konwencjonalne elektrody gumowe ograniczają przestrzeń do umieszczenia elektrod EEG, a sześćdziesiąt cztery elektrody EEG nie są możliwe do zaimplementowania w obecnej konfiguracji. Chociaż te modyfikacje w celu uzyskania większej specyficzności przestrzennej wymagają różnych procedur konfiguracji, opisane tutaj względy techniczne nadal mają zastosowanie.

W tym protokole umieszczamy elektrody tACS zgodnie z międzynarodowym systemem 10-20 do pozycjonowania elektrod EEG30. Podczas gdy indywidualna optymalizacja miejsca stymulacji byłaby alternatywą, może stanowić problem dla porównania przy różnicowaniu miejsca stymulacji wśród osób w eksperymencie, ponieważ miejsce stymulacji różni się w stosunku do miejsc zapisu EEG. Niedawno zademonstrowane połączone zastosowanie magnetoencefalografii (MEG) i tACS przez Neulinga i współpracownikówmoże przezwyciężyć ten problem i problemy związane z artefaktami tACS, ponieważ metody filtrowania przestrzennego z kształtowaniem wiązki MEG pozwalają oszacować aktywność mózgu niezależnie od miejsca tACS.

Jeśli chodzi o montaż, opisano tutaj dwa montaże monopolarne, tj. z pozacefalicznym umiejscowieniem elektrody odniesienia (ryc. 1B i 1C) oraz jeden montaż jednobiegunowy , tj. z obiema elektrodami umieszczonymi na skórze głowy (ryc. 1A) (patrz dalsze klasyfikacje montaży elektrod autorstwa Nasseri i wsp.36). Zaletą stosowania montażu monopolarnego jest uniknięcie dodatkowej stymulacji głowowej, która nie jest interesująca dla badania. Podstawowym problemem przy wyborze montażu monopolarnego jest przepływ prądu przez struktury podkorowe, w tym pień mózgu, z potencjalnym ryzykiem modulacji ważnych funkcji pnia mózgu. Potwierdzono, że zarówno zewnątrzgejowe, jak i ipsilateralne umieszczenie elektrody referencyjnej w ramieniu nie moduluje funkcji pnia mózgu dla intensywności 1 mA tDCS37,38 (np. zmienność rytmu serca, częstość oddechów i ciśnienie krwi). Ponieważ montaż monopolarny może mieć wyraźne zalety w zależności od projektu eksperymentu, istnieje potrzeba kompleksowego zbadania wpływu na kluczowe funkcje pnia mózgu podczas wyższych intensywności stymulacji i różnych montaży monopolarnych, a także porównania wpływu między tDCS i tACS.

Należy pamiętać, że konfiguracja wysokiej rozdzielczości jest kolejnym rozwiązaniem pozwalającym uniknąć problemu dwubiegunowego montażu dodatkowej stymulacji głowowej, która nie jest interesująca. Konfiguracja o wysokiej rozdzielczości z jedną elektrodą stymulacyjną otoczoną czterema elektrodami odniesienia prowadzi do wysokiej gęstości prądu pod elektrodą środkową i niskiej gęstości prądu pod czterema otaczającymi elektrodami. Ponieważ efekt stymulacji zależy od gęstości prądu, oznacza to jednokierunkową modulację pod elektrodą środkową w konfiguracji o wysokiej rozdzielczości, w przeciwieństwie do modulacji dwukierunkowej w konfiguracji dwuelektrodowej39.

Percepcja migotania wzrokowego indukowana przez tACS jest krytycznym czynnikiem ograniczającym intensywność stymulacji podczas umieszczania elektrody tACS na płacie czołowym, ze względu na stymulację siatkówki przez tACS. W szczególności tACS na częstotliwości pasma beta indukuje migotanie wizualne nawet przy niskiej intensywności tACS11. Z naszego doświadczenia wynika, że stymulacja 0,9 mA (od szczytu do szczytu) przez elektrodę DLPFC (F3) przy 6 Hz jest odpowiednim poziomem intensywności, aby zminimalizować wrażenie migotania wizualnego.

W zależności od projektu eksperymentu może być konieczne sterowanie stymulatorem za pomocą urządzenia zewnętrznego (jeśli ta funkcja jest dostępna dla zastosowanego stymulatora). Używamy płytki wyjścia analogowego fali do sterowania stymulatorem i wysyłania wyzwalaczy do wzmacniacza EEG (patrz dalsze specyfikacje sprzętowe i programowe w tabeli materiałów). W przypadku zastosowanego tutaj stymulatora (patrz tabela materiałów) poziom szumów prądu wyjściowego z pilota jest wyższy niż z wbudowanym interfejsem stymulatora. W związku z tym opcja zdalnego sterowania stymulatorem powinna być wybierana tylko wtedy, gdy wymaga tego projekt eksperymentalny.

Rozwiązywanie problemów z nasyceniem kanałów EEG

Wykazaliśmy, że mostkowanie między elektrodami tACS i EEG poprzez wyciek żelu EEG powoduje nasycenie odpowiedniego kanału wzmacniacza EEG i wyklucza rejestrację danych z tych elektrod (ryc. 5A). Istnieją inne powody wysycenia kanału EEG. Jednym z powodów może być to, że wzmocnienie wzmacniacza jest zbyt wąskie, a rozdzielczość nagrywania napięcia nie została odpowiednio dostosowana. W takim przypadku rozdzielczość zapisu napięcia musi zostać obniżona, aby pokryć zakres wielkości artefaktu tACS. Innym powodem jest to, że miejsce nagrywania znajduje się zbyt blisko miejsca stymulacji. W takim przypadku nawet bardzo zgrubna rozdzielczość zapisu napięcia może nadal nie pokryć zasięgu artefaktu. Nagranie powinno znajdować się dalej od miejsca stymulacji.

Obecny protokół kompleksowo przedstawia ustawienia i uwarunkowania techniczne dotyczące jednoczesnych eksperymentów tACS-EEG. Dzięki metodom usuwania artefaktu tACS i protokołom zapewniającym dobrą jakość nagrywania podczas tACS, tACS będzie naprawdę obiecującą metodą pogłębiania naszego zrozumienia najbardziej widocznej cechy aktywności mózgu, dynamiki rytmicznej.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają żadnego interesu finansowego do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten projekt został wsparty przez program PRESTO Japońskiej Agencji Nauki i Technologii (JST).

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Stymulator dla tACS: Eldith DC-Stimulator plusNeuroConn GmbH, NiemcyW przypadku zdalnego wprowadzania należy zamówić model z włączoną tą funkcją
Analog Output Board do wysyłania wyzwalaczy: Płytka wyjścia analogowego statycznego i falowego, model NI PCI-6723National Instruments, USA13-bit, 32 kanały.
Matlab i zestaw narzędzi do akwizycji danychThe MathWorks, Inc., USA"Zestaw narzędzi do akwizycji danych" dostępny dla MATLAB zapewnia funkcje do sterowania sprzętem do akwizycji danych, takim jak analogowa karta wyjściowa, wyprodukowana przez kilku producentów.
System EEG: eegosports, z 32-kanałową nasadką EEG ze osłoną falANT neuro, Holandia
tACS elektrodyNeuroConn GmbH, Niemcy305090-05            305050Materiały: elektrody z kauczuku przewodzącego.
Wymiary elektrod do skóry głowy: Zewnętrzne Ø: 60 mm, Wewnętrzne & Oslash; :25 mm (Część# 305090-05) Wytnij z oryginalnego rozmiaru Ø 75mm
Wymiary elektrody barkowej:
50 x 50 mm (Część# 305050)
żel EEGInselspital, Berno, SzwajcariaPasta elektrody, zawierająca materiały ścierne (tj. pumeks), które szorują skórę, poprawiając kontakt elektrody ze skórą.
Ścierny żel do przygotowania skóry do EEG i elektrokardiografii: NuprepWeaver and Company, USA
mocne>Waciki bawełniane, drewniana rączkaSalzmann MEDICO, SzwajcariaWymiary:
150 x 1,5 mm; drewniana rączka i Oslash; 2,2 mm
Taśma klejąca: LeukofixBNS medical GmbH, Niemcy 04.107.12
<

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Berger, P. D. H. On the electroencephalogram of humans. Arch Psychiatr Nervenkr. 87 (1), 527-570 (1929).
  2. Finger, S. Origins of Neuroscience: A History of Explorations Into Brain Function. , Oxford University Press. New York. (2001).
  3. Engel, A. K., Fries, P., Singer, W. Dynamic predictions: oscillations and synchrony in top-down processing. Nat Rev Neurosci. 2 (10), 704-716 (2001).
  4. Varela, F., Lachaux, J. P., Rodriguez, E., Martinerie, J. The brainweb: phase synchronization and large-scale integration. Nat Rev Neurosci. 2 (4), 229-239 (2001).
  5. Fries, P. A mechanism for cognitive dynamics: neuronal communication through neuronal coherence. Trends Cogn Sci. 9 (10), 474-480 (2005).
  6. Canolty, R. T., Knight, R. T. The functional role of cross-frequency coupling. Trends Cogn Sci. 14 (11), 506-515 (2010).
  7. Fell, J., Axmacher, N. The role of phase synchronization in memory processes. Nat Rev Neurosci. 12 (2), 105-118 (2011).
  8. Thut, G., Miniussi, C., Gross, J. The functional importance of rhythmic activity in the brain. Curr Biol. 22 (16), R658-R663 (2012).
  9. Buzsáki, G., Draguhn, A. Neuronal oscillations in cortical networks. Science. 304 (5679), 1926-1929 (2004).
  10. Paulus, W. Transcranial electrical stimulation (tES - tDCS; tRNS, tACS) methods. Neuropsychol Rehabil. 21 (5), 602-617 (2011).
  11. Kanai, R., Chaieb, L., Antal, A., Walsh, V., Paulus, W. Frequency-dependent electrical stimulation of the visual cortex. Curr Biol. 18 (23), 1839-1843 (2008).
  12. Helfrich, R. F., Schneider, T. R., Rach, S., Trautmann-Lengsfeld, S. A., Engel, A. K., Herrmann, C. S. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
  13. Helfrich, R. F., et al. Selective modulation of interhemispheric functional connectivity by HD-tACS shapes perception. PLoS Biol. 12 (12), e1002031(2014).
  14. Zaehle, T., Rach, S., Herrmann, C. S. Transcranial alternating current stimulation enhances individual alpha activity in human EEG. PloS One. 5 (11), e13766(2010).
  15. Neuling, T., Rach, S., Herrmann, C. S. Orchestrating neuronal networks: sustained after-effects of transcranial alternating current stimulation depend upon brain states. Front Hum Neurosci. 7, 161(2013).
  16. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, 13(2011).
  17. Laczò, B., Antal, A., Niebergall, R., Treue, S., Paulus, W. Transcranial alternating stimulation in a high gamma frequency range applied over V1 improves contrast perception but does not modulate spatial attention. Brain Stimul. 5 (4), 484-491 (2012).
  18. Strüber, D., Rach, S., Trautmann-Lengsfeld, S. A., Engel, A. K., Herrmann, C. S. Antiphasic 40 Hz oscillatory current stimulation affects bistable motion perception. Brain Topogr. 27 (1), 158-171 (2014).
  19. Joundi, R. A., Jenkinson, N., Brittain, J. -S., Aziz, T. Z., Brown, P. Driving oscillatory activity in the human cortex enhances motor performance. Curr Biol. 22 (5), 403-407 (2012).
  20. Wach, C., Krause, V., Moliadze, V., Paulus, W., Schnitzler, A., Pollok, B. Effects of 10 Hz and 20 Hz transcranial alternating current stimulation (tACS) on motor functions and motor cortical excitability. Behav Brain Res. 241, 1-6 (2013).
  21. Wach, C., Krause, V., Moliadze, V., Paulus, W., Schnitzler, A., Pollok, B. The effect of 10 Hz transcranial alternating current stimulation (tACS) on corticomuscular coherence. Front Hum Neurosci. 7, 511(2013).
  22. Pogosyan, A., Gaynor, L. D., Eusebio, A., Brown, P. Boosting cortical activity at Beta-band frequencies slows movement in humans. Curr Biol. 19 (19), 1637-1641 (2009).
  23. Santarnecchi, E., et al. Frequency-dependent enhancement of fluid intelligence induced by transcranial oscillatory potentials. Curr Biol. 23 (15), 1449-1453 (2013).
  24. Polanìa, R., Nitsche, M. A., Korman, C., Batsikadze, G., Paulus, W. The importance of timing in segregated theta phase-coupling for cognitive performance. Curr Biol. 22 (14), 1314-1318 (2012).
  25. Jaušovec, N., Jaušovec, K. Increasing working memory capacity with theta transcranial alternating current stimulation (tACS). Biol Psychol. 96, 42-47 (2014).
  26. Jaušovec, N., Jaušovec, K., Pahor, A. The influence of theta transcranial alternating current stimulation (tACS) on working memory storage and processing functions. Acta Psychol (Amst). 146, 1-6 (2014).
  27. Sela, T., Kilim, A., Lavidor, M. Transcranial alternating current stimulation increases risk-taking behavior in the balloon analog risk task. Front Neurosci. 6, 22(2012).
  28. Voss, U., et al. Induction of self awareness in dreams through frontal low current stimulation of gamma activity. Nat Neurosci. 17 (6), 810-812 (2014).
  29. Morishima, Y., Fehér, K. D. A method for removing tACS artifacts from EEG data. Program No. 303.05. Neuroscience 2014 Abstracts. , Society for Neuroscience. Washington, D.C. Online (2014).
  30. Jasper, H. H. The ten twenty electrode system of the international federation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 10, 371-375 (1958).
  31. Dmochowski, J. P., Datta, A., Bikson, M., Su, Y., Parra, L. C. Optimized multi-electrode stimulation increases focality and intensity at target. J Neural Eng. 8 (4), 046011(2011).
  32. Nitsche, M. A., et al. Shaping the effects of transcranial direct current stimulation of the human motor cortex. J Neurophysiol. 97 (4), 3109-3117 (2007).
  33. Villamar, M. F., Volz, M. S., Bikson, M., Datta, A., Dasilva, A. F., Fregni, F. Technique and considerations in the use of 4x1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). J Vis Exp. (77), e50309(2013).
  34. Datta, A., Bansal, V., Diaz, J., Patel, J., Reato, D., Bikson, M. Gyri -precise head model of transcranial DC stimulation: Improved spatial focality using a ring electrode versus conventional rectangular pad. Brain Stimul. 2 (4), 201-207 (2009).
  35. Neuling, T., Ruhnau, P., Fuscà, M., Demarchi, G., Herrmann, C. S., Weisz, N. Friends, not foes: Magnetoencephalography as a tool to uncover brain dynamics during transcranial alternating current stimulation. Neuroimage. 118, 406-413 (2015).
  36. Nasseri, P., Nitsche, M. A., Ekhtiari, H. A framework for categorizing electrode montages in transcranial direct current stimulation. Front Hum Neurosci. 9, 54(2015).
  37. Vandermeeren, Y., Jamart, J., Ossemann, M. Effect of tDCS with an extracephalic reference electrode on cardio-respiratory and autonomic functions. BMC Neurosci. 11, 38(2010).
  38. Santarnecchi, E., et al. Time Course of Corticospinal Excitability and Autonomic Function Interplay during and Following Monopolar tDCS. Front Psychiatry. 5, 86(2014).
  39. Datta, A., Elwassif, M., Battaglia, F., Bikson, M. Transcranial current stimulation focality using disc and ring electrode configurations: FEM analysis. J Neural Eng. 5 (2), 163-174 (2008).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Transcranial Alternating Current StimulationEEG RecordingtACS EEGEEG Gel ViscosityAnalog to Digital ConverterElectrode PlacementImpedance MeasurementSignal SaturationNeurophysiological EffectsBrain Oscillations

Related Articles