Este protocolo estabelece uma abordagem prática para combinar HD-tACS com EEG para examinar os efeitos da estimulação nas oscilações neurais durante tarefas cognitivas, usando a estimulação de frequência na memória de trabalho como exemplo.
Artigo de investigação
Este protocolo estabelece uma abordagem prática para combinar HD-tACS com EEG para examinar os efeitos da estimulação nas oscilações neurais durante tarefas cognitivas, usando a estimulação de frequência na memória de trabalho como exemplo.
As oscilações neurais são parte integrante de vários processos cognitivos, incluindo memória de trabalho, atenção e percepção. A estimulação transcraniana por corrente alternada (tACS) surgiu como uma ferramenta não invasiva para investigar relações causais entre oscilações cerebrais e funções cognitivas. Ao visar frequências específicas, o tACS pode modular a atividade oscilatória, fornecendo informações sobre o papel dos ritmos neurais no desempenho cognitivo. Para entender o impacto do tACS na dinâmica oscilatória e nos processos cognitivos, é essencial combinar medições fisiológicas, como EEG, com dados comportamentais. O tACS de alta definição (HD-tACS) melhora a precisão espacial da estimulação, permitindo um direcionamento mais localizado de áreas corticais específicas. Este protocolo descreve um método para combinar HD-tACS com EEG para avaliar mudanças nas oscilações de frequência (4 Hz) no córtex parietal esquerdo. As gravações de EEG são feitas antes e depois da estimulação durante uma tarefa de memória de trabalho de 2 costas para examinar a atividade. Essa abordagem oferece uma ferramenta poderosa para explorar os mecanismos neurais subjacentes à modulação cognitiva por meio da estimulação cerebral rítmica.
A estimulação transcraniana por corrente alternada (tACS) é um método de neuromodulação não invasivo que fornece correntes elétricas sinusoidais fracas ao cérebro em frequências específicas ou combinações de frequências 1,2. Como parte da categoria mais ampla de estimulação elétrica transcraniana (tES), que também inclui estimulação transcraniana por corrente contínua (tDCS), estimulação transcraniana por ruído aleatório (tRNS) e estimulação transcraniana por corrente pulsada (tPCS)3, a tACS é particularmente notável por sua capacidade de modular ritmos cerebrais endógenos. Ao contrário de outras modalidades de tES, o tACS pode sincronizar com as oscilações neurais em andamento, melhorando ou restaurando as funções cognitivas ao arrastar oscilações neurais em frequências específicas 1,4,5,6. Além disso, o tACS é reconhecido como uma potencial opção terapêutica para o tratamento de uma ampla gama de transtornos psiquiátricos, como melhorar o desempenho da memória em pacientes com doença de Alzheimer7 e aliviar os sintomas depressivos8.
Embora o tACS tradicional baseado em almofada tenha demonstrado seu potencial, sua distribuição de corrente relativamente ampla pode limitar o direcionamento preciso9. O tACS de alta definição (HD-tACS) aborda esse problema com uma montagem de anel 4×1, onde um eletrodo central é cercado por quatro eletrodos de retorno, aumentando assim a focalidade ao concentrar o fluxo de corrente abaixo do eletrodo central 10,11,12. Essa montagem pode atingir maior intensidade e maior duração em comparação com o tACS tradicional baseado em absorvente13,14.
As oscilações cerebrais refletem a atividade sincronizada dos conjuntos neuronais e são fundamentais para vários processos cognitivos15, incluindo a memória de trabalho10,16. No entanto, permanece uma questão em aberto se essas oscilações desempenham um papel funcional causal ou apenas se correlacionam com a cognição. Para revelar ainda mais uma relação causal, os pesquisadores podem aplicar protocolos de estimulação cerebral como o tACS para modular a atividade oscilatória eobservar as mudanças comportamentais correspondentes. Uma compreensão abrangente de como a estimulação externa influencia a cognição requer o exame não apenas do desempenho comportamental, mas também de medidas fisiológicas, como o EEG. O EEG permite que os pesquisadores monitorem se e como o arrastamento induzido por tACS altera a atividade neural 1,17.
Os artefatos maciços gerados pelo tACS dificultaram a análise confiável dos sinais de EEG registrados durante a estimulação18,19. Embora existam muitos pesquisadores que tentam separar artefatos induzidos por tACS da atividade cerebral, como PCA20, filtragem temporal21 e formação de feixe22, a validade dessas tentativas ainda está em dúvida18. Depois que a estimulação cessa, a população neural retorna gradualmente ao seu estado inicial, dando origem a um eco de arrastamento. Esses ecos de arrastamento fornecem uma oportunidade valiosa para avaliar o arrastamento neural usando EEG, pois ocorrem após a estimulação e, portanto, estão livres de artefatos induzidos por tACS. No entanto, a curta duração dos ecos de arrastamento reduz a probabilidade de observar um arrastamento neural confiável no EEG. Portanto, uma abordagem prática para registrar o EEG imediatamente após a estimulação HD-tACS é urgentemente necessária.
O objetivo do protocolo atual é demonstrar como combinar HD-tACS com EEG de alta qualidade para avaliar os efeitos da estimulação. Ao registrar o EEG antes e depois de uma estimulação HD-tACS de 10 minutos (4Hz, oscilações) direcionada à região parietal esquerda dentro de uma tarefa de memória de trabalho 2-back, este protocolo permite que os pesquisadores avaliem os efeitos neurofisiológicos da estimulação sem artefatos induzidos por tACS. A tarefa de 2 costas é um paradigma amplamente utilizado para avaliar a memória de trabalho, que envolve tanto a manipulação quanto o armazenamento de informações23,24. Os processos de memória de trabalho, incluindo aqueles envolvidos durante a tarefa de 2 costas, estão intimamente ligados às oscilações nas redes frontal-parietais. Isso fornece uma forte justificativa teórica para direcionar a estimulação de frequência neste paradigma 16,25,26. Para garantir a qualidade dos dados do EEG, recomendamos manter a impedância do eletrodo do EEG abaixo de 5 kΩ e registrar os dados em um ambiente blindado eletricamente padrão. Os métodos descritos podem ser adaptados para outros alvos de estimulação (por exemplo, córtex pré-frontal dorsolateral, DLPFC), outras bandas de frequência (por exemplo, oscilações alfa) e outros paradigmas cognitivos (por exemplo, atenção). Parâmetros de estimulação como intensidade e duração, que são críticos para a eficácia da estimulação, podem ser determinados com base nos objetivos específicos da pesquisa. Esperamos que este protocolo facilite aplicações mais amplas da integração tACS-EEG e promova uma exploração mais rigorosa da dinâmica de arrastamento neural.
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O protocolo foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional da Southwest University e conduzido de acordo com as diretrizes institucionais. Esta demonstração do protocolo apresenta dados de um participante adulto saudável (idade = 25 anos, sexo feminino) para ilustrar os procedimentos do protocolo. O participante forneceu consentimento informado por escrito antes do experimento. Os equipamentos utilizados estão listados na Tabela de Materiais.
1. Determinação dos parâmetros de estimulação
Com base em pesquisas anteriores que investigaram as oscilações neurais subjacentes à memória de trabalho 16,25,26, selecionamos uma frequência de estimulação de 4 Hz, duração de estimulação de 10 minutos e a região parietal esquerda como local alvo para este protocolo.
2. Gravação de EEG pré-estimulação
Os dados de EEG de linha de base foram registrados enquanto os participantes completavam uma tarefa de memória de trabalho 2-back. Antes do experimento, o couro cabeludo do participante foi limpo. Todos os eletrodos de EEG foram preenchidos com gel condutor usando uma seringa de plástico. Especificamente, a ponta da seringa foi usada para separar o cabelo através das aberturas do eletrodo e o gel foi injetado para garantir o contato direto entre o eletrodo e o couro cabeludo. O couro cabeludo foi esfregado suavemente com a ponta da seringa até que a impedância de cada eletrodo fosse reduzida abaixo de 5 kΩ. A calota cerebral de EEG usada neste protocolo continha 64 eletrodos dispostos de acordo com o sistema 10-20. A impedância do eletrodo foi monitorada clicando na opção Impedância na interface do software (Figura 1). Para garantir a alta qualidade da gravação do EEG, a faixa de exibição da impedância foi ajustada para 0-5 kΩ. Os eletrodos com valores de impedância exibidos em laranja ou verde foram interpretados como abaixo de 5 kΩ. Uma vez que a impedância em todos os eletrodos foi confirmada como inferior a 5 kΩ, a gravação do EEG foi iniciada pressionando Iniciar no software enquanto o participante realizava a tarefa de 2 costas (Figura 2). Os sinais de EEG também foram visualizados durante a tarefa (Figura 2). O procedimento da tarefa 2-back em nosso protocolo é mostrado na Figura 3.
3. Preparação para estimulação
Os participantes foram avaliados pela primeira vez para confirmar que não tinham histórico de distúrbios neurológicos ou psiquiátricos para tES. O couro cabeludo do participante foi limpo novamente antes da estimulação. Todos os materiais necessários foram preparados com antecedência (Figura 4). O equipamento foi montado da seguinte forma27: As baterias foram instaladas e confirmadas como totalmente carregadas. O cabo de entrada foi usado para conectar o estimulador tES de 2 canais à interface de estimulação multicanal 4×1. O cabo de saída foi então conectado à interface 4×1 e cinco eletrodos Ag/AgCl foram conectados ao cabo de saída (Figura 5).
Depois que todas as conexões do dispositivo foram concluídas, o estimulador tES de 2 canais e o sistema de interface 4×1 foram ligados. Cinco invólucros plásticos de alta definição (HD) foram incorporados em locais específicos de eletrodos (P3, CP3, P1, PO3, P5) na calota cerebral do EEG, e a tampa foi então colocada na cabeça do participante (Figura 6).
Um gel eletricamente condutor foi aplicado na superfície do couro cabeludo através da abertura do invólucro HD. Usando a ponta de uma seringa, o cabelo foi repartido para expor o couro cabeludo, e o gel condutor foi aplicado diretamente na área exposta. Cinco eletrodos foram então inseridos em invólucros HD, com o eletrodo nº 5 posicionado no centro da configuração em forma de anel (ou seja, P3). Os quatro eletrodos restantes foram posicionados ao redor do eletrodo central nos locais adjacentes (ou seja, P1, PO3, P5 e CP3; Figura 6). Da mesma forma, todos os eletrodos de EEG foram preenchidos com gel condutor e suas impedâncias foram confirmadas abaixo de 5 kΩ (Figura 1).
4. Estimulação
Antes de iniciar a estimulação, o modo padrão no estimulador foi confirmado como "SCAN". Nesse modo, o sistema exibiu a impedância de cada eletrodo individualmente (Figura 7). O valor da impedância de cada eletrodo foi visualizado pressionando os botões numerados correspondentes na interface 4×1. Valores de impedância abaixo de 1,5 indicaram qualidade aceitável27,28. Se algum valor de impedância excedesse esse limite, o invólucro plástico correspondente era ajustado abrindo a tampa e esfregando o couro cabeludo com a ponta de uma seringa para obter o valor de impedância desejado.
Os parâmetros de estimulação foram definidos no estimulador tES de 2 canais, incluindo forma de onda de corrente, duração e intensidade (Figura 7). Quatro botões foram usados para definir os respectivos parâmetros. Um joystick foi usado para ativar ou desativar a condição simulada. Neste protocolo, a estimulação foi entregue em uma forma de onda de corrente alternada, 2 mA e 4 Hz por 10 min. Em seguida, o nível "RELAX" foi alterado para corrente total. O modo estimulador foi então alterado de SCAN para PASS usando o botão MODE SELECT . A polaridade de estimulação (centro-ânodo ou centro-cátodo) foi selecionada pressionando o botão POLARIDADE .
A estimulação foi iniciada pressionando o botão START no estimulador tES de 2 canais. A intensidade atual aumentou gradualmente até que a intensidade desejada fosse atingida. O cronômetro mostrou o tempo restante de estimulação. Se o participante sentir desconforto durante o aumento atual, a intensidade pode ser ligeiramente reduzida usando a alavanca "RELAX". Uma vez que o participante se sentiu confortável novamente, a alavanca "RELAX" foi gradualmente empurrada para frente para retomar a intensidade total da corrente. Se necessário, a estimulação pode ser encerrada a qualquer momento usando o botão "ABORT".
5. Gravação de EEG pós-estimulação
Após a estimulação, os invólucros plásticos de HD e os eletrodos de estimulação foram removidos da calota cerebral do EEG. Os eletrodos de EEG previamente removidos das posições P3, CP3, P1, PO3 e P5 foram reinseridos em seus locais originais. Cada eletrodo foi inserido suavemente através de seu orifício designado na tampa, seguindo o layout do sistema 10-20, e preso alinhando-o com o couro cabeludo subjacente. A ponta de uma seringa de plástico foi usada para separar o cabelo através da abertura para garantir o contato direto com o couro cabeludo, e gel condutor foi aplicado a cada eletrodo usando a mesma seringa. A impedância de cada eletrodo de EEG foi então verificada e confirmada como inferior a 5 kΩ antes de iniciar o registro do EEG pós-estimulação.
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Os dados de EEG podem ser analisados no domínio do tempo (por exemplo, potenciais relacionados a eventos), no domínio da frequência (por exemplo, análise espectral) ou no domínio da frequência no tempo (por exemplo, análise de frequência no tempo). Nesse caso, a análise de tempo-frequência foi usada para examinar as mudanças na atividade oscilatória associadas à estimulação. Os dados de EEG adquiridos antes e depois da estimulação de um sujeito representativo foram pré-processados usando...
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A estimulação transcraniana por corrente alternada (tACS) oferece uma abordagem não invasiva para modular ritmos cerebrais específicos. Devido à sua excelente resolução, o EEG é adequado para examinar oscilações neurais espontâneas e arrastadas externamente. A combinação de tACS com EEG fornece uma abordagem multimodal para investigar a função e a estrutura do cérebro e explorar ainda mais os mecanismos neurais subjacentes dos efeitos do tACS. Assim, este protocolo apresenta um método pr...
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Os autores não têm nada a divulgar.
Este trabalho foi apoiado por bolsas de pesquisa da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (31972906), Fundos de Pesquisa Fundamental para as Universidades Centrais (SWU2209235), o Plano Piloto de Pesquisa de Inovação 2035 da Southwest University (SWUPilotPlan006), o Fundo de Pesquisa Aberta do Laboratório Estadual de Neurociência Cognitiva e Aprendizagem (CNLZD2102) e o Projeto de Inovação em Pesquisa de Pós-Graduação da Southwest University (SWUS24034).
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Tapa Cerebral de EEG | PRODUTOS CEREBRAIS | BC-64-X42-UAMW-56 | 64 canais baseados no sistema 10-20 |
| 4&agudo; 1 HD-tES | Soterix Medical | 4&agudo; 1-C3A | O Soterix 4 vezes; 1 adaptador HD-tDCS / HD-tES converte qualquer estimulador Soterix Medical tDCS de 2 canais em um dispositivo HD-tDCS / tES. Os 4× 1 adaptador HD-tES não é um estimulador independente e, durante a estimulação, não gera corrente. Na verdade, o 4× 1 adaptador HD-tES divide e guia inteligentemente a corrente gerada por um dispositivo de 2 canais, convertendo-o em HD-tES (HD-tDCS, HD-tACS, HD-tRNS, HD-tPCS, HD-tODCS). |
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