Protokół ten ustanawia praktyczne podejście do łączenia HD-tACS z EEG w celu badania efektów stymulacji nerwowych podczas zadań poznawczych, wykorzystując stymulację częstotliwością theta w pamięci roboczej jako przykład.
Artykuł badawczy
Protokół ten ustanawia praktyczne podejście do łączenia HD-tACS z EEG w celu badania efektów stymulacji nerwowych podczas zadań poznawczych, wykorzystując stymulację częstotliwością theta w pamięci roboczej jako przykład.
Oscylacje nerwowe są integralną częścią różnych procesów poznawczych, w tym pamięci roboczej, uwagi i percepcji. Przezczaszkowa stymulacja prądem przemiennym (tACS) stała się nieinwazyjnym narzędziem do badania przyczynowych zależności między oscylacjami mózgu a funkcjami poznawczymi. Poprzez celowanie w określone częstotliwości, tACS może modulować aktywność oscylacyjną, dostarczając wglądu w rolę rytmów nerwowych w funkcjonowaniu poznawczym. Aby zrozumieć wpływ tACS na dynamikę oscylatoryjną i procesy poznawcze, niezbędne jest połączenie pomiarów fizjologicznych, takich jak EEG, z danymi behawioralnymi. TACS wysokiej rozdzielczości (HD-tACS) poprawia precyzję przestrzenną stymulacji, umożliwiając bardziej lokalne celowanie w określone obszary korowe. Protokół ten określa metodę łączenia HD-tACS z EEG w celu oceny zmian oscylacji częstotliwości theta (4 Hz) w lewej korze ciemieniowej. Nagrania EEG są wykonywane przed i po stymulacji podczas zadania pamięci roboczej z 2-backiem, aby zbadać aktywność theta. To podejście stanowi potężne narzędzie do badania mechanizmów nerwowych leżących u podstaw modulacji poznawczej poprzez rytmiczną stymulację mózgu.
Przezczaszkowa stymulacja prądem przemiennym (tACS) to nieinwazyjna metoda neuromodulacji, która dostarcza słabe sinusoidalne prądy elektryczne do mózgu o określonych częstotliwościach lub kombinacjach częstotliwości 1,2. W ramach szerszej kategorii przezczaszkowej stymulacji elektrycznej (tES), która obejmuje także przezczaszkową stymulację prądem stałym (tDCS), przezczaszkową stymulację losowym szumem (tRNS) oraz przezczaszkową stymulację impulsowym prądem (tPCS)3, tACS jest szczególnie znany ze względu na zdolność modulowania endogennych rytmów mózgowych. W przeciwieństwie do innych modalności tES, tACS może synchronizować się z trwającymi oscylacjami nerwowymi, wzmacniając lub przywracając funkcje poznawcze poprzez synchronizację oscylacji neuronalnych na docelowych częstotliwościach 1,4,5,6. Ponadto tACS jest uznawany za potencjalną opcję terapeutyczną w leczeniu szerokiego zakresu zaburzeń psychiatrycznych, takich jak poprawa zdolności pamięci u pacjentów z chorobą Alzheimera7 oraz łagodzenie objawów depresji8.
Chociaż tradycyjny tACS oparty na wypadowcach wykazał swój potencjał, jego stosunkowo szeroki rozkład prądu może ograniczać precyzyjne celowanie9. Wysokorozdzielczość tACS (HD-tACS) rozwiązuje ten problem za pomocą montażu pierścieniowego 4×1, gdzie centralna elektroda otoczona jest czterema elektrodami powrotnymi, co zwiększa ogniskość poprzez koncentrację przepływu prądu pod elektrodącentralną 10,11,12. Ten montaż może osiągnąć większą intensywność i dłuższy czas trwania w porównaniu do tradycyjnego tACS13,14 opartego na padach.
Oscylacje mózgu odzwierciedlają zsynchronizowaną aktywność zespołów neuronalnych i są fundamentalne dla różnych procesów poznawczych15, w tym pamięci roboczej 10,16. Jednak pozostaje otwartą kwestią, czy te oscylacje pełnią funkcję funkcyjną przyczynową, czy jedynie korelują z poznaniem. Aby dalej ujawnić związek przyczynowy, badacze mogą stosować protokoły stymulacji mózgu, takie jak tACS, do modulowania aktywności oscylacyjnej i obserwowania odpowiadających im zmian zachowań1. Kompleksowe zrozumienie, jak bodźce zewnętrzne wpływają na funkcje poznawcze, wymaga badania nie tylko wyników behawioralnych, ale także miar fizjologicznych, takich jak EEG. EEG pozwala badaczom monitorować, czy i w jaki sposób synchronizacja indukowana przez tACS wpływa na aktywność neuronalną 1,17.
Masywne artefakty generowane przez tACS utrudniały wiarygodną analizę sygnałów EEG zarejestrowanych podczas stymulacji18,19. Chociaż wielu badaczy próbuje oddzielić artefakty wywołane tACS od aktywności mózgu, takich jak PCA20, filtrowanie czasowe21 czy formowanie wiązki22, wiarygodność tych prób pozostaje niepewna18. Po zakończeniu stymulacji populacja neuronalna stopniowo wraca do stanu wyjściowego, co prowadzi do echa synchronizacji. Echa synchronizacji dają cenną okazję do oceny synchronizacji nerwowej za pomocą EEG, ponieważ następują po stymulacji i są wolne od artefaktów indukowanych przez tACS. Jednak krótki czas trwania echa synchronizacji zmniejsza prawdopodobieństwo zaobserwowania wiarygodnego synchronizacji neuronalnej w EEG. Dlatego pilnie potrzebne jest praktyczne podejście do rejestrowania EEG bezpośrednio po stymulacji HD-tACS.
Celem obecnego protokołu jest pokazanie, jak łączyć HD-tACS z wysokiej jakości EEG w celu oceny efektów stymulacji. Poprzez rejestrowanie EEG przed i po 10-minutowej stymulacji HD-tACS (oscylacje theta 4Hz) skierowanej na lewy obszar ciemieniowy w ramach zadania 2-back z pamięcią roboczą, protokół ten umożliwia badaczom ocenę neurofizjologicznych efektów stymulacji bez artefaktów indukowanych przez tACS. Zadanie 2-back to szeroko stosowany paradygmat oceny pamięci roboczej, który obejmuje zarówno manipulację, jak i przechowywanie informacji23,24. Procesy pamięci roboczej, w tym te zaangażowane podczas zadania 2-back, są ściśle powiązane z oscylacjami theta w sieciach czołowo-ciemieniowych. To stanowi silne teoretyczne uzasadnienie dla celowania stymulacji częstotliwością theta w tym paradygmatze 16,25,26. Aby zapewnić jakość danych EEG, zalecamy utrzymywanie impedancji elektrod EEG poniżej 5 kΩ i rejestrowanie danych w standardowym, elektrycznie osłoniętym środowisku. Opisane metody można dostosować do innych celów stymulacji (np. grzbietowo-bocznej kory przedczołowej, DLPFC), innych pasm częstotliwości (np. oscylacje alfa) oraz innych paradygmatów poznawczych (np. uwagi). Parametry stymulacji, takie jak intensywność i czas trwania, które są kluczowe dla skuteczności stymulacji, można określić na podstawie konkretnych celów badawczych. Mamy nadzieję, że protokół ten ułatwi szersze zastosowania integracji tACS-EEG oraz zachęci do bardziej rygorystycznego badania dynamiki synchronizacji nerwowej.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół został zatwierdzony przez Instytucjonalną Radę Przeglądową Uniwersytetu Southwest i przeprowadzony zgodnie z wytycznymi instytucjonalnymi. Ta demonstracja protokołu prezentuje dane od jednego zdrowego dorosłego uczestnika (wiek = 25 lat, kobieta), aby zilustrować procedury protokołu. Uczestnik przed eksperymentem wyraził pisemną świadomą zgodę. Używany sprzęt jest wymieniony w Tabeli Materiałów.
1. Określenie parametrów stymulacji
Na podstawie wcześniejszych badań dotyczących oscylacji nerwowych leżących u podstaw pamięci roboczej16, 25, 26, wybraliśmy częstotliwość stymulacji 4 Hz, czas trwania stymulacji 10 minut oraz lewy obszar ciemieniowy jako miejsce docelowe dla tego protokołu.
2. Rejestracja EEG przed stymulacją
Dane bazowe EEG były rejestrowane podczas wykonywania zadania z pamięcią roboczą 2-back. Przed eksperymentem oczyszczono skórę głowy uczestnika. Wszystkie elektrody EEG były wypełnione żelem przewodzącym za pomocą plastikowej strzykawki. Konkretnie, końcówka strzykawki była używana do rozdzielania włosów przez otwory elektrody, a żel był wstrzykiwany, aby zapewnić bezpośredni kontakt elektrody ze skórą głowy. Skóra głowy była delikatnie pocierany końcówką strzykawki, aż impedancja każdej elektrody spadła poniżej 5 kΩ. Kapsułka mózgu EEG użyta w tym protokole zawierała 64 elektrody ułożone zgodnie z systemem 10-20. Impedancja elektrody była monitorowana przez kliknięcie opcji Impedancja w interfejsie oprogramowania (Rysunek 1). Aby zapewnić wysoką jakość zapisu EEG, zakres wyświetlacza impedancji ustawiono na 0-5 kΩ. Elektrody o impedancji wyświetlanej na pomarańcz lub zielono interpretowano jako poniżej 5 kΩ. Gdy impedancja wszystkich elektrod została potwierdzona jako poniżej 5 kΩ, rejestracja EEG była rozpoczęta przez naciśnięcie Start w oprogramowaniu, gdy uczestnik wykonywał zadanie 2-back (Rysunek 2). Sygnały EEG były również wizualizowane podczas zadania (Rysunek 2). Procedura zadania 2-back w naszym protokole została przedstawiona na Rysunku 3.
3. Przygotowanie do stymulacji
Uczestnicy zostali najpierw ocenieni, aby potwierdzić, że nie mieli historii zaburzeń neurologicznych ani psychiatrycznych związanych z tES. Skóra głowy uczestnika była ponownie czyszczona przed stymulacją. Wszystkie niezbędne materiały zostały przygotowane z wyprzedzeniem (rysunek 4). Sprzęt został zmontowany w następujący sposób:27: Zainstalowano baterie i potwierdzono pełne naładowanie. Kabel wejściowy został użyty do połączenia 2-kanałowego stymulatora tES z wielokanałowym interfejsem stymulacyjnym 4×1. Kabel wyjściowy był następnie podłączony do interfejsu 4×1, a do kabla wyjściowego podłączono pięć elektrod Ag/AgCl (rysunek 5).
Po zakończeniu wszystkich połączeń urządzeń włączono 2-kanałowy stymulator tES oraz system interfejsu 4×1. Pięć plastikowych obudów wysokiej rozdzielczości (HD) zostało osadzonych w określonych miejscach elektrod (P3, CP3, P1, PO3, P5) w kapsuli mózgowej EEG, a następnie nasadzono ją na głowę uczestnika (rysunek 6).
Na powierzchnię skóry głowy przez otwór obudowy HD nałożono elektryczny żel. Za pomocą końcówki strzykawki włos został rozdzielony, odsłaniając skórę głowy, a przewodzący żel nakładano bezpośrednio na odsłonięty obszar. Następnie do obudów HD wstawiano pięć elektrod, a elektroda nr 5 umieszczona była w centrum konfiguracji pierścieniowej (czyli P3). Pozostałe cztery elektrody zostały umieszczone wokół elektrody centralnej w sąsiednich miejscach (tj. P1, PO3, P5 i CP3; Rysunek 6). Podobnie, wszystkie elektrody EEG były wypełnione żelem przewodzącym, a ich impedancje zostały potwierdzone jako poniżej 5 kΩ (Rysunek 1).
4. Stymulacja
Przed rozpoczęciem stymulacji potwierdzono, że domyślny tryb stymulatora jest ustawiony na "SKAN". W tym trybie system wyświetlał impedancję każdej elektrody indywidualnie (rysunek 7). Wartość impedancji każdej elektrody była widziana przez naciśnięcie odpowiednich ponumerowanych przycisków na interfejsie 4×1. Wartości impedancji poniżej 1,5 wskazywały na akceptowalną jakość27,28. Jeśli jakakolwiek wartość impedancji przekraczała ten próg, odpowiadającą mu plastikową obudowę regulowano przez otwarcie nakrętki i szorowanie skóry głowy końcówką strzykawki, aby uzyskać pożądaną impedancję.
Parametry stymulacji zostały ustawione na 2-kanałowym stymulatorze tES, w tym przebieg prądu, czas trwania i intensywność (Rysunek 7). Do ustawiania odpowiednich parametrów używano czterech pokręteł. Joystick służył do włączania lub wyłączania fałszywego stanu. W tym protokole stymulacja była dostarczana w przebiegu prądu przemiennego, 2 mA i 4 Hz przez 10 minut. Następnie poziom "RELAX" został przełączony na pełny prąd. Tryb stymulatora został następnie zmieniony ze SCAN na PASS za pomocą przycisku MODE SELECT . Polaryzacja stymulacji (centralna anoda lub środkowa katoda) była wybierana przez naciśnięcie przycisku POLARYZACJA .
Stymulacja była inicjowana przez naciśnięcie przycisku START na 2-kanałowym stymulatorze tES. Intensywność prądu stopniowo rosła, aż osiągnięto docelową intensywność. Timer pokazywał pozostały czas stymulacji. Jeśli uczestnik odczuwał dyskomfort podczas bieżącego zwiększania, intensywność mogła zostać nieznacznie zmniejszona za pomocą dźwigni "RELAX". Gdy uczestnik czuł się ponownie komfortowo, dźwignia "RELAX" była stopniowo przesuwana do przodu, aby przywrócić pełną intensywność prądu. W razie potrzeby stymulacja mogła zostać przerwana w dowolnym momencie za pomocą przycisku "ABORT".
5. Rejestracja EEG po stymulacji
Po stymulacji plastikowe obudowy HD oraz elektrody stymulacyjne zostały usunięte z kapsuły mózgu EEG. Elektrody EEG wcześniej usunięte z pozycji P3, CP3, P1, PO3 i P5 zostały ponownie umieszczone na swoich pierwotnych miejscach. Każda elektroda była delikatnie wprowadzana przez wyznaczony otwór w nakrętce, zgodnie z układem systemu 10-20, i zabezpieczana, ustawiając ją przez wyrównanie z podskórną powierzchnią głowy. Końcówka plastikowej strzykawki była używana do rozdzielania włosów przez otwór, aby zapewnić bezpośredni kontakt ze skórą głowy, a przewodzący żel nakładano na każdą elektrodę tą samą strzykawką. Impedancja każdej elektrody EEG została następnie sprawdzona i potwierdzona jako poniżej 5 kΩ przed rozpoczęciem rejestracji EEG po stymulacji.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dane EEG mogą być analizowane w dziedzinie czasu (np. potencjały związane ze zdarzeniami), w dziedzinie częstotliwości (np. analiza spektralna) lub w dziedzinie czaso-częstotliwości (np. analiza czasowo-częstotliwościowa). W tym przypadku zastosowano analizę czasowo-częstotliwościową do zbadania zmian aktywności oscylacyjnej związanych ze stymulacją. Dane EEG uzyskane przed i po stymulacji od reprezentatywnego uczestnika były wstępnie przetwarzane przy użyciu zestawu narzędzi EEGLAB w MATLAB. Etapy wstępnego przetwarzani...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przezczaszkowa stymulacja prądem przemiennym (tACS) oferuje nieinwazyjne podejście do modulacji określonych rytmów mózgu. Dzięki doskonałej rozdzielczości EEG doskonale nadaje się do badania zarówno spontanicznych, jak i zewnętrznych synchronizacji oscylacji nerwowych. Połączenie tACS z EEG zapewnia podejście multimodalne do badania funkcji i struktury mózgu oraz dalszego badania mechanizmów nerwowych efektów tACS. W ten sposób protokół ten stanowi praktyczną metodę integracji HD-tACS z EEG.
J...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Prace te były wspierane przez granty badawcze od National Natural Science Foundation of China (31972906), Fundamental Research Funds for the Central Universities (SWU2209235), Innovation Research 2035 Pilot Plan Southwest University (SWUPilotPlan006), Open Research Fund Państwowego Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning (CNLZD2102) oraz Graduate Research Innovation Project Southwest University (SWUS24034).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| EEG Braincap | PRODUKTY MÓZGU | BC-64-X42-UAMW-56 | 64 kanały oparte na systemie 10-20 |
| 4´ 1 HD-tES | Soterix medical | 4´ 1-C3A | Soteriks 4& razy; 1 adapter HD-tDCS / HD-tES przekształca dowolny 2-kanałowy stymulator tDCS Soterix Medical w urządzenie HD-tDCS / tES. 4& razy; 1 adapter HD-tES nie jest samodzielnym stymulatorem i podczas stymulacji nie generuje żadnego prądu. A raczej, 4& razy; 1 adapter HD-tES inteligentnie dzieli i kieruje prądem generowanym przez urządzenie dwukanałowe, konwertując go na HD-tES (HD-tDCS, HD-tACS, HD-tRNS, HD-tPCS, HD-tODCS). |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie