Этот протокол устанавливает практический подход к сочетанию HD-tACS с ЭЭГ для изучения эффектов стимуляции нейронных колебаний во время когнитивных задач, используя в качестве примера тета-частотную стимуляцию в рабочей памяти.
Исследовательская статья
Этот протокол устанавливает практический подход к сочетанию HD-tACS с ЭЭГ для изучения эффектов стимуляции нейронных колебаний во время когнитивных задач, используя в качестве примера тета-частотную стимуляцию в рабочей памяти.
Нейронные колебания являются неотъемлемой частью различных когнитивных процессов, включая рабочую память, внимание и восприятие. Транскраниальная стимуляция переменным током (tACS) стала неинвазивным инструментом для исследования причинно-следственных связей между колебаниями мозга и когнитивными функциями. Нацеливаясь на определенные частоты, tACS может модулировать колебательную активность, что дает представление о роли нейронных ритмов в когнитивной деятельности. Чтобы понять влияние tACS на колебательную динамику и когнитивные процессы, важно сочетать физиологические измерения, такие как ЭЭГ, с поведенческими данными. Технология tACS высокой четкости (HD-tACS) повышает пространственную точность стимуляции, позволяя более локализовать воздействие на определенные области коры головного мозга. В этом протоколе описан метод сочетания HD-tACS с ЭЭГ для оценки изменений тета-частотных (4 Гц) колебаний в левой теменной коре. Записи ЭЭГ делаются до и после стимуляции во время задания на 2-спинную рабочую память для изучения тета-активности. Этот подход предлагает мощный инструмент для изучения нейронных механизмов, лежащих в основе когнитивной модуляции с помощью ритмической стимуляции мозга.
Транскраниальная стимуляция переменным током (tACS) — это неинвазивный метод нейромодуляции, который доставляет слабые синусоидальные электрические токи в мозг на определенных частотах или комбинациях частот 1,2. Являясь частью более широкой категории транскраниальной электростимуляции (tES), которая также включает транскраниальную стимуляцию постоянным током (tDCS), транскраниальную стимуляцию случайным шумом (tRNS) и транскраниальную стимуляцию импульсным током (tPCS)3, tACS особенно примечательна своей способностью модулировать эндогенные ритмы мозга. В отличие от других модальностей tES, tACS может синхронизироваться с текущими нейронными колебаниями, тем самым улучшая или восстанавливая когнитивные функции путем вовлечения нейронных колебаний на целевых частотах 1,4,5,6. Кроме того, tACS признан потенциальным терапевтическим вариантом для лечения широкого спектра психических расстройств, таких как улучшение памяти у пациентовс болезнью Альцгеймера 7 и облегчение симптомов депрессии8.
В то время как традиционная tACS на основе планшетных площадок продемонстрировала свой потенциал, ее относительно широкое распределение тока может ограничивать точное наведение9. Система tACS высокой четкости (HD-tACS) решает эту проблему с помощью кольцевого монтажа 4×1, где центральный электрод окружен четырьмя обратными электродами, тем самым увеличивая фокусность за счет концентрации тока под центральным электродом 10,11,12. Этот монтаж позволяет достичь большей интенсивности и длительности по сравнению с традиционными tACS13,14 на основе пэдов.
Колебания мозга отражают синхронизированную активность нейронных ансамблей и имеют основополагающее значение для различных когнитивныхпроцессов, включая рабочую память10,16. Однако остается открытым вопрос, играют ли эти колебания причинно-следственную функциональную роль или просто коррелируют с познанием. Чтобы еще больше выявить причинно-следственную связь, исследователи могут применять протоколы стимуляции мозга, такие как tACS, для модуляции колебательной активности и наблюдения засоответствующими поведенческими изменениями. Всестороннее понимание того, как внешняя стимуляция влияет на когнитивные способности, требует изучения не только поведенческих показателей, но и физиологических показателей, таких как ЭЭГ. ЭЭГ позволяет исследователям отслеживать, изменяет ли индуцированная tACS синхронизация нейронную активностьи если да, то каким образом.
Массивные артефакты, генерируемые tACS, затрудняли надежный анализ сигналов ЭЭГ, записанных во время стимуляции18,19. Несмотря на то, что многие исследователи пытаются отделить артефакты, индуцированные tACS, от активности мозга, такие как PCA20, временная фильтрация21 и формирование луча22, обоснованность этих попыток все ещевызывает сомнения. После прекращения стимуляции нейронная популяция постепенно возвращается к исходному состоянию, что приводит к эхо-синхронизации. Эти эхо-синхронизации дают ценную возможность оценить нейронную синхронизацию с помощью ЭЭГ, поскольку они происходят после стимуляции и, таким образом, свободны от артефактов, индуцированных tACS. Тем не менее, короткая продолжительность эхо-сигналов синхронизации снижает вероятность наблюдения надежной нейронной синхронизации на ЭЭГ. Поэтому крайне необходим практический подход к записи ЭЭГ сразу после стимуляции HD-tACS.
Цель данного протокола – продемонстрировать, как сочетать HD-tACS с высококачественной ЭЭГ для оценки эффектов стимуляции. Записывая ЭЭГ до и после 10-минутной стимуляции HD-tACS (4 Гц, тета-колебания), направленной на левую теменную область в рамках задачи на 2 назад в рабочей памяти, этот протокол позволяет исследователям оценить нейрофизиологические эффекты стимуляции без артефактов, индуцированных tACS. Задача 2-back является широко используемой парадигмой оценки рабочей памяти, которая включает в себя как манипуляции, так и хранение информации23,24. Процессы рабочей памяти, в том числе те, которые задействованы во время задачи 2-back, тесно связаны с тета-осцилляциями в лобно-теменных сетях. Это дает сильное теоретическое обоснование для таргетирования тета-частотной стимуляции в данной парадигме 16,25,26. Для обеспечения качества данных ЭЭГ мы рекомендуем поддерживать импеданс электродов ЭЭГ ниже 5 кОм и записывать данные в стандартной электрически экранированной среде. Описанные методы могут быть адаптированы для других мишеней стимуляции (например, дорсолатеральной префронтальной коры, DLPFC), других частотных диапазонов (например, альфа-осцилляций) и других когнитивных парадигм (например, внимания). Параметры стимуляции, такие как интенсивность и продолжительность, которые имеют решающее значение для эффективности стимуляции, могут быть определены на основе конкретных целей исследования. Мы надеемся, что этот протокол будет способствовать более широкому применению интеграции tACS-EEG и будет способствовать более тщательному исследованию динамики нейронной синхронизации.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол был одобрен Институциональным наблюдательным советом Юго-Западного университета и проведен в соответствии с институциональными руководящими принципами. В данной демонстрации протокола представлены данные одного здорового взрослого участника (возраст = 25 лет, женщина) для иллюстрации процедур протокола. Участник давал письменное информированное согласие до начала эксперимента. Используемое оборудование указано в Таблице материалов.
1. Определение параметров стимуляции
Основываясь на предыдущих исследованиях нейронных колебаний, лежащих в основе рабочей памяти 16,25,26, мы выбрали частоту стимуляции 4 Гц, продолжительность стимуляции 10 минут и левую теменную область в качестве целевого места для этого протокола.
2. Запись ЭЭГ перед стимуляцией
Исходные данные ЭЭГ записывались, в то время как участники выполняли задание на рабочую память 2 назад. Перед началом эксперимента кожа головы участника была очищена. Все электроды ЭЭГ заполнялись проводящим гелем с помощью пластикового шприца. В частности, наконечник шприца использовался для разделения волос через отверстия электродов, а гель вводился для обеспечения прямого контакта между электродом и кожей головы. Кожу головы осторожно растирали кончиком шприца до тех пор, пока импеданс каждого электрода не опускался ниже 5 кОм. Мозговая капсула ЭЭГ, используемая в этом протоколе, содержала 64 электрода, расположенных по системе 10-20. Импеданс электродов контролировался нажатием на опцию «Импеданс» в интерфейсе программного обеспечения (рис. 1). Для обеспечения высокого качества записи ЭЭГ диапазон отображения импеданса был установлен на 0-5 кОм. Электроды со значениями импеданса, отображаемыми оранжевым или зеленым цветом, интерпретировались как менее 5 кОм. После того, как было подтверждено, что импеданс на всех электродах ниже 5 кОм, запись ЭЭГ начиналась нажатием кнопки «Старт» в программном обеспечении, когда участник выполнял задачу «2 назад» (рис. 2). Во время выполнения задания также визуализировались сигналы ЭЭГ (рис. 2). Процедура выполнения задачи 2-back в нашем протоколе показана на рисунке 3.
3. Подготовка к стимуляции
Сначала участников оценили, чтобы подтвердить, что у них не было в анамнезе неврологических или психических расстройств по поводу ТЭС. Перед стимуляцией кожа головы участника была снова очищена. Все необходимые материалы были подготовлены заранее (рисунок 4). Оборудование было собрано следующим образом: Аккумуляторы были установлены и подтверждены на полную зарядку. Входной кабель использовался для подключения 2-канального tES стимулятора к интерфейсу многоканальной стимуляции 4×1. Затем выходной кабель был подключен к интерфейсу 4×1, а к выходному кабелю были подключены пять электродов Ag/AgCl (рис. 5).
После завершения подключения всех устройств был включен 2-канальный стимулятор tES и интерфейсная система 4×1. Пять пластиковых оболочек высокой четкости (HD) были встроены в определенные участки электродов (P3, CP3, P1, PO3, P5) в головном мозге ЭЭГ, а затем колпачок был помещен на голову участника (рис. 6).
Электропроводящий гель наносился на поверхность кожи головы через отверстие корпуса HD. С помощью кончика шприца волосы разделяли на пробор, чтобы обнажить кожу головы, и проводящий гель наносили непосредственно на обнаженную область. Затем пять электродов были вставлены в корпуса HD, причем электрод No 5 был расположен в центре кольцеобразной конфигурации (т.е. P3). Остальные четыре электрода располагались вокруг центрального электрода в соседних местах (т.е. P1, PO3, P5 и CP3; Рисунок 6). Аналогичным образом, все электроды ЭЭГ были заполнены проводящим гелем, и было подтверждено, что их импеданс ниже 5 кОм (рис. 1).
4. Стимуляция
Перед началом стимуляции было подтверждено, что режим по умолчанию на стимуляторе установлен на «СКАНИРОВАНИЕ». В этом режиме система отображала импеданс каждого электрода по отдельности (рис. 7). Значение импеданса каждого электрода просматривалось нажатием соответствующих пронумерованных кнопок на интерфейсе 4×1. Значения импеданса ниже 1,5 указывали на приемлемое качество27,28. Если какое-либо значение импеданса превышало этот порог, соответствующий пластиковый корпус регулировался путем открытия колпачка и протирания кожи головы кончиком шприца для получения желаемого значения импеданса.
На 2-канальном tES стимуляторе задавались параметры стимуляции, включая форму волны тока, продолжительность и интенсивность (рис. 7). Для установки соответствующих параметров использовались четыре ручки. Джойстик использовался для включения или выключения фиктивного состояния. В этом протоколе стимуляция проводилась в форме волны переменного тока, 2 мА и 4 Гц в течение 10 минут. Далее уровень "RELAX" был переключен на полный ток. Затем режим стимулятора был изменен с SCAN на PASS с помощью кнопки MODE SELECT . Полярность стимуляции (центр-анод или центр-катод) выбиралась нажатием кнопки POLARITY .
Стимуляция инициировалась нажатием кнопки START на 2-канальном стимуляторе tES. Текущая интенсивность постепенно увеличивалась до тех пор, пока не была достигнута целевая интенсивность. Таймер показывал оставшееся время стимуляции. Если участник испытывал дискомфорт во время текущего наращивания, интенсивность может быть немного снижена с помощью рычага «RELAX». Как только участник снова чувствовал себя комфортно, рычаг «RELAX» постепенно перемещался вперед, чтобы возобновить полную интенсивность тока. При необходимости стимуляция может быть прекращена в любой момент с помощью кнопки «ABORT».
5. Запись ЭЭГ после стимуляции
После стимуляции пластиковые оболочки HD и электроды для стимуляции были удалены из головного мозга ЭЭГ. Электроды ЭЭГ, ранее удаленные из положений P3, CP3, P1, PO3 и P5, были возвращены на свои исходные места. Каждый электрод был аккуратно вставлен через предназначенное для него отверстие в колпачке, следуя схеме 10-20 системы, и закреплен путем выравнивания его с основной кожей головы. Наконечник пластикового шприца использовался для разделения волос через отверстие, чтобы обеспечить прямой контакт с кожей головы, а проводящий гель наносился на каждый электрод с помощью одного и того же шприца. Затем проверяли импеданс каждого электрода ЭЭГ и подтверждали, что он ниже 5 кОм, прежде чем начать запись ЭЭГ после стимуляции.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Данные ЭЭГ могут быть проанализированы во временной области (например, потенциалы, связанные с событиями), частотной области (например, спектральный анализ) или во временной области (например, частотно-временной анализ). В этом случае для изучения изменений колебательной активности, связанных со стимуляцией, был использован частотно-временной анализ. Данные ЭЭГ, полученные до и после стимуляции от репрезентативного субъекта, были предварительно обработаны с помощью инструментария EEGLAB ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Транскраниальная стимуляция переменным током (tACS) предлагает неинвазивный подход к модуляции определенных ритмов мозга. Благодаря своему отличному разрешению ЭЭГ хорошо подходит для исследования как спонтанных, так и внешних нейронных колебаний. Сочетание tACS с ЭЭГ обеспечивает мультимодальный подход к исследованию функции и структуры мозга, а также к дальнейшему изучению основных нейронных механизмов эффектов tACS. Таким образом, данный протокол представляет собой практический метод ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторам нечего раскрывать.
Эта работа была поддержана исследовательскими грантами от Национального фонда естественных наук Китая (31972906), Фондов фундаментальных исследований для центральных университетов (SWU2209235), Пилотного плана инновационных исследований 2035 года Юго-Западного университета (SWUPilotPlan006), Фонда открытых исследований Государственной ключевой лаборатории когнитивной нейронауки и обучения (CNLZD2102) и Инновационного проекта аспирантуры Юго-Западного университета (SWUS24034).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| EEG Braincap | ПРОДУКТЫ ДЛЯ МОЗГА | BC-64-X42-UAMW-56 | 64 канала по системе 10-20 |
| 4 и острые; 1 HD-tES | Soterix medical | 4 и острые; 1-C3A | The Soterix 4 и раза; 1 адаптер HD-tDCS / HD-tES преобразует любой двухканальный стимулятор Soterix Medical tDCS в устройство HD-tDCS / tES. 4&Times; 1 адаптер HD-tES не является автономным стимулятором и во время стимуляции не генерирует никакого тока. Точнее, 4&Times; 1 HD-tES адаптер интеллектуально делит и направляет ток, генерируемый двухканальным устройством, преобразуя его в HD-tES (HD-tDCS, HD-tACS, HD-tRNS, HD-tPCS, HD-tODCS). |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение