In this article we explain how to set up a concurrent transcranial alternating current stimulation and EEG experiment.
Oscillatory brain activities are considered to reflect the basis of rhythmic changes in transmission efficacy across brain networks and are assumed to integrate cognitive neural processes. Transcranial alternating current stimulation (tACS) holds the promise to elucidate the causal link between specific frequencies of oscillatory brain activity and cognitive processes. Simultaneous electroencephalography (EEG) recording during tACS would offer an opportunity to directly explore immediate neurophysiological effects of tACS. However, it is not trivial to measure EEG signals during tACS, as tACS creates a huge artifact in EEG data. Here we explain how to set up concurrent tACS-EEG experiments. Two necessary considerations for successful EEG recording while applying tACS are highlighted. First, bridging of the tACS and EEG electrodes via leaking EEG gel immediately saturates the EEG amplifier. To avoid bridging via gel, the viscosity of the EEG gel is the most important parameter. The EEG gel must be viscous to avoid bridging, but at the same time sufficiently fluid to create contact between the tACS electrode and the scalp. Second, due to the large amplitude of the tACS artifact, it is important to consider using an EEG system with a high resolution analog-to-digital (A/D) converter. In particular, the magnitude of the tACS artifact can exceed 100 mV at the vicinity of a stimulation electrode when 1 mA tACS is applied. The resolution of the A/D converter is of importance to measure good quality EEG data from the vicinity of the stimulation site. By following these guidelines for the procedures and technical considerations, successful concurrent EEG recording during tACS will be realized.
La dynamique rythmique de courants électriques extracellulaires dans le cerveau ont été observés depuis un siècle 1,2. Alors que pour la plupart de ce temps étant considéré comme un bruit non-spécifique dans les données, ils sont aujourd'hui largement considéré à jouer un rôle principal dans le traitement de l'information dans le cerveau 3,4,5,6,7,8,9. Notre compréhension du lien de causalité entre des fréquences spécifiques de l'activité du cerveau oscillant et les processus cognitifs a progressé dans la dernière décennie par le développement de diverses approches d'intervention pour moduler directement activité oscillatoire 8,10. Transcrânienne alternant courant de stimulation (de TAC) est une telle approche prometteuse pour moduler l'activité rythmique dans le cerveau 10. TACS est un procédé de stimulation cérébrale non invasive, qui applique alternatif faible (sinusoïdales) courants sur le cuir chevelu et module l'excitabilité du cortex cérébral d'une manière spécifique de fréquence 11, 12, </ sup> 13, 14, 15. Tout en étant une technique prometteuse pour l'étude du rôle de l'activité rythmique dans le cerveau, les mécanismes neurophysiologiques des TAC sont toujours insaisissable. Plusieurs études ont des effets sur la perception des TAC 11,13,16,17,18 et les fonctions motrices 19,20,21,22, ainsi que les effets sur ordre supérieur processus cognitifs 23,24,25,26,27, 28 rapporté . Neurophysiologique preuves pour l'entraînement des oscillations cérébrales après stimulation ont été présentés en utilisant EEG 13, 14, 15. Il existe actuellement peu de rapports de preuve neurophysiologique chez l'homme pour un effet de TAC pendant la stimulation 12, 13, 22. Comme le cerveau est très robuste aux perturbations externes, telles preuves en ligne est cruciale pour comprendre les effets neurophysiologiques immédiats des TAC.
Electroencephalography (EEG), capturant l'activité électrophysiologique du cerveau avec une haute résolution temporelle, est un choix idéal pour l'étude endogène et activités neuronales oscillatoires entraînées. Des études récentes de Helfrich et ses collègues ont rapporté des effets neurophysiologiques de TAC en ligne, mais en même temps de mesure EEG au cours TAC est avéré difficile en raison de la TAC éminent artefact 12, 13. Pour simultanées expériences TAC-EEG succès, l'enregistrement des données de bonne EEG de qualité est un aspect important, qui est l'objet de l'article actuel, et dans le même temps la méthode de pré-traitement pour éliminer l'artefact TAC est également crucial. Dans notre laboratoire, nous avons développé notre propre pipeline de pré-traitement permettant l'élimination de l'artefact TAC à partir de données EEG 29. Ici, nous allons décrire comment enregistrer avec succès des signaux EEG de la zone de stimulation, et des considérations techniques importantes pour l'enregistrement réussi.
Les expériences des procédures à mettre en place simultanées TAC-EEG sont décrits ici. Nous passons maintenant à discuter de considérations relatives à la configuration des enregistrements EEG-TAC, dont les deux premières considérations sont vitales pour réussies enregistrements simultanés TAC-EEG.
Éviter TAC-EEG électrode de pontage via gel
Il est crucial d'éviter le pontage entre EEG et TAC électrodes à travers des fuites de gel EEG, que combler immédiatement sature le canal respective d'un amplificateur d'EEG. Pour cette raison, la viscosité du gel EEG est un paramètre crucial pour la réussite de l'enregistrement EEG-TAC. Ne jamais utiliser un gel de EEG fluide, comme un fluide risques de gel de EEG échapper à partir de l'électrode de TAC et le pont avec des électrodes EEG adjacentes. Dans le même temps, un gel très visqueuse EEG présente un inconvénient pénétrant dans les cheveux et la peau de lubrification pour réduire l'impédance. Pour les électrodes EEG à proximité de l'électrode TAC, un gel plus visqueux peut be utilisé, que l'on peut utiliser un bâton de bois pour réduire l'impédance. Pour les TAC et les électrodes EEG restants, utiliser un peu moins visqueux (mais pas encore fluide) gel de l'EEG. Ce type de gel nécessite moins d'effort pour des impédances plus faibles. Comme il est difficile de gratter sous l'électrode TAC, il est préférable d'utiliser un gel légèrement moins visqueux ici.
Traiter avec TAC grandeurs d'artefacts
La deuxième question est de gérer la grande ampleur de l'artefact TAC, allant de 10 mV à EEG électrodes éloigné de la zone de stimulation, à plus de 100 mV sur le site de la stimulation au cours de la présente intensité de la stimulation de 0,9 mA (figure 6) . La figure 7 illustre la relation linéaire entre l'intensité de stimulation (0,5 à 2,0 mA crête à crête) et l'amplitude résultant de l'artéfact au niveau du site de stimulation (canal F3). Une première mesure est de garder une faible impédance des deux électrodes EEG et TAC. Insuffisantcontact entre l'électrode de TAC et le cuir chevelu crée de plus grandes amplitudes de l'artefact TAC dans les données de l'EEG, et en plus appliqué courant électronique aurait tendance à être inhomogène. En second lieu, il faut tenir compte du niveau du convertisseur analogique / numérique du système de résolution EEG. Un convertisseur 24 bits de A / D peut couvrir théoriquement une gamme de 1,68 V avec un / une résolution de 0,1 mV bits. En revanche, un convertisseur 16 bits de A / D avec une résolution de 0,1 mV / bit couvrirait une gamme de tension de 6,5 mV – trop faible pour couvrir la gamme de l'artefact TAC (figure 6). Où la résolution d'enregistrement de la tension doit être abaissé. Afin de couvrir grandeurs d'artefact jusqu'à 100 mV au niveau du site de stimulation avec un système 16 bits, la résolution d'enregistrement de la tension serait théoriquement besoin d'être abaissé au-dessus de 1,53 mV / bit. En fait, des études récentes simultanées TAC-EEG avec un système 16 bits ne pouvait pas enregistrer les signaux EEG de la proximité du site de stimulation en raison de la saturation de l'AMPL ficateur même lorsque la résolution a été abaissé à 0,5 mV / bit 12,13.
Considérations pour réduire l'impédance de l'électrode
La raison d'abord de commencer à travailler sur les impédances des électrodes EEG situés au milieu ou à proximité de l'électrode TAC, est que ces électrodes EEG exigent un certain travail patient et attentif à éviter les ponts. En commençant par ces électrodes, il est temps d'attendre jusqu'à ce que le gel appliqué a eu un peu de temps pour lubrifier le cuir chevelu, avant d'envisager d'appliquer plus de gel EEG si nécessaire. Gel supplémentaire devrait être appliqué sous l'électrode TAC une fois qu'il a été placé sur le cuir chevelu, en particulier si le participant a beaucoup de cheveux. La raison en est non seulement pour réduire l'impédance – bonne impédance peut être atteint sans cette étape – mais pour réaliser une connexion uniforme avec le cuir chevelu sur toute la surface de l'électrode TAC.
Conception et montage considérations
MÉNAGEMENT "> Figure 1 illustre le montage des TAC électrodes. Le design en forme de beignet des TAC du cuir chevelu électrodes / électrodes et rectangulaire TAC d'épaule électrode sont représentés. La forme de l'électrode de TAC du cuir chevelu permet une électrode EEG pour être placé dans au milieu de la zone stimulée. Un avantage de la conception en forme de beigne est qu'il permet l'enregistrement du signal de la zone stimulée. Deuxièmement, il rend également facile de garder la position de l'électrode de TAC inchangé. Selon le site de la stimulation, une autre forme de l'électrode TAC serait plus approprié. Une forme de l'électrode de TAC rectangulaires est mieux adapté lors de l'enregistrement d'un site entre les électrodes EEG.Il convient de signaler que la forme et la position de l'électrode TAC est pas la même que la zone effectivement stimulé, mais pourraient être légèrement décalée 31. Au moment de décider de la position des électrodes TAC, la modélisation de l'actuelle ffaible pour estimer la meilleure position des électrodes pour cibler la région d'intérêt est toujours fortement conseillé.
La configuration actuelle est appropriée pour la modulation de l'activité rythmique dans les réseaux de grande envergure. Plus stimulation focal peut être réalisé de plusieurs manières 13, 32, 33, 34. Tout d'abord, réduire la taille de l'électrode de TAC. Nitsche et ses collègues ont montré que une électrode de 3,5 cm 2 peut moduler l'excitabilité du cortex moteur avec tDCS 32. Une deuxième approche consiste à exploiter une configuration haute définition 13,33,34, où une électrode de stimulation est entouré de quatre électrodes de référence. Un autre avantage de la configuration haute définition est que la densité d'électrodes EEG peut être augmentée, puisque les électrodes en caoutchouc classiques limitent l'espace pour placer les électrodes EEG et soixante-quatre électrodes EEG est pas possible de mettre en œuvre dans la configuration actuelle. Alors que emodifications ESE pour la spécificité spatiale supérieure nécessitent des procédures de configuration différents, les considérations techniques décrites ici sont encore valables.
Dans ce protocole, nous plaçons les TAC électrodes selon le système international 10-20 pour EEG électrode positionnement 30. Whileindividual optimisation d'un emplacement de stimulation serait l'alternative, il peut constituer un problème pour la comparaison lors de faire varier l'emplacement de stimulation entre les individus dans l'expérience, comme le site de stimulation varie par rapport aux sites d'enregistrement EEG. L'utilisation combinée récemment démontré de magnétoencéphalographie (MEG) et TAC, par Neuling et ses collègues 35, pourrait surmonter ce problème et TAC problèmes liés artefacts, que les méthodes de filtrage spatial avec MEG beamforming permet d'estimer l'activité cérébrale indépendante d'un site TAC.
Concernant le montage, deux montages monopolaires sont décrits ici, à savoir, avec extracephaliLieu de c de l'électrode de référence (Figure 1B et 1C), et un montage monopolaire, soit avec les deux électrodes situées sur le cuir chevelu (Figure 1A) (voir ci-classifications des montages d'électrodes par Nasseri et al. 36). L'avantage d'utiliser un montage monopolaire est d'éviter une stimulation supplémentaire de céphalique aucun intérêt pour l'étude. La principale préoccupation lors du choix d'un montage monopolaire est le flux de courant si structures sous-corticales, y compris du tronc cérébral, avec le risque potentiel de moduler les fonctions du tronc cérébral vitaux. Placement d'épaule extracephalic et ipsilatéral de l'électrode de référence a été confirmée à ne pas moduler les fonctions du tronc cérébral pour 1 mA l'intensité du STCC 37,38 (par exemple, la variabilité de la fréquence cardiaque, fréquence respiratoire et la pression artérielle). Comme un montage monopolaire peut avoir des avantages clairs en fonction de la conception expérimentale, il ya un besoin pour tester globalementl'effet sur les fonctions vitales du tronc cérébral au cours des intensités de stimulation et les différents montages monopolaire, ainsi que pour comparer l'influence entre STCC et TAC.
Notez que la configuration haute définition est une autre solution pour éviter le problème du montage de la stimulation bipolaire céphalique additionnelle d'intérêt. La configuration haute définition avec une électrode de stimulation entouré de quatre électrodes de référence conduit à haute densité de courant dans l'électrode centrale et une faible densité de courant dans les quatre électrodes environnantes. Comme l'effet de stimulation dépend de la densité du courant, cela signifie une modulation unidirectionnelle sous l'électrode centrale pour la configuration de haute définition, à la différence de la modulation bi-directionnelle d'une configuration à deux électrodes 39.
Scintillement perception visuelle induite par TAC est un facteur limitant essentiel pour l'intensité de stimulation lors de la passation de la tAÉlectrode CS sur le lobe frontal, due à la stimulation rétinienne par TAC. En particulier, les TAC à la fréquence bêta-bande induit scintillement visuelle même à faible intensité de TAC 11. Dans notre expérience 0,9 mA stimulation (crête-à-crête) sur la DLPFC (électrode de F3) à 6 Hz est un niveau d'intensité appropriée pour minimiser la sensation de scintillement visuel.
En fonction de la conception de l'expérience, il peut être nécessaire de contrôler le stimulateur avec un dispositif externe (si cette fonction est disponible pour le stimulateur utilisé). Nous utilisons une carte de sortie analogique de forme d'onde pour contrôler le stimulateur et envoyer des déclencheurs à l'amplificateur EEG (voir autres spécifications matérielles et logicielles dans la table des matières). Dans le cas du stimulateur qui a utilisé ici (voir le tableau des matériaux), le niveau de sortie de courant avec la télécommande de bruit est supérieure à celle de l'interface de stimulateur intégré. D'où la possibilité de commande à distance le stimulateur doit être choisiseulement si requis par la conception expérimentale.
La saturation de Dépannage de canaux EEG
Nous avons montré que le pontage entre les TAC et les électrodes EEG via des fuites de gel résultats EEG à saturer le canal correspondant de l'amplificateur EEG et exclut l'enregistrement de données à partir de ces électrodes (figure 5A). Il ya d'autres raisons de la saturation d'un canal EEG. Une raison peut être que le gain de l'amplificateur est trop étroite, et la résolution d'enregistrement de la tension n'a pas été ajusté en conséquence. Dans ce cas, la résolution d'enregistrement de la tension doit être abaissé pour couvrir la gamme de l'ampleur de l'artefact TAC. Une autre raison est que le site d'enregistrement est trop proche du site de stimulation. Dans ce cas, même une résolution d'enregistrement de tension très grossière peut toujours pas couvrir la gamme de l'artefact. L'enregistrement doit être placé plus loin du site de stimulation.
Le pro actuelleProtocole représente globalement les paramètres et les considérations techniques pour simultanées expériences TAC-EEG. Avec des méthodes pour supprimer l'artefact TAC et des protocoles pour enregistrement de bonne qualité lors de TAC TAC sera vraiment une méthode prometteuse tofurther notre compréhension de la caractéristique la plus importante de l'activité cérébrale, la dynamique rythmique.
The authors have nothing to disclose.
This project has been supported by the Japan Science and Technology Agency (JST) PRESTO program.
Stimulator for tACS: Eldith DC-Stimulator plus | NeuroConn GmbH, Germany | For remote input, be sure to order a model with this feature enabled | |
Analog Output board for sending triggers: Static and Waveform Analog Output board, model NI PCI-6723 | National Instruments, USA | 13-bit, 32 channels. | |
Matlab and data acquisition toolbox | The MathWorks, Inc., USA | The 'Data acquisition toolbox' available for MATLAB provides functions to control data acquisition hardware such as an analog output board, produced by several manufacturers. | |
EEG system: eegosports, with a 32 channel waveguard EEG cap | ANT neuro, Netherlands | ||
tACS electrodes | NeuroConn GmbH, Germany | 305090-05 305050 | Materials: conductive-rubber electrodes. Dimensions of scalp electrodes: Outer Ø: 60 mm, Inner Ø:25 mm (Part# 305090-05) Cut from the original size Ø 75mm Dimensions of shoulder electrode: 50 x 50 mm (Part# 305050) |
EEG gel | Inselspital, Bern, Switzerland | Electrode paste, containing abrasives (i.e. pumice) which scrub the skin, improving the electrode-to-skin contact. | |
Abrasive skin preparing gel for EEG and electrocardiography: Nuprep | Weaver and Company, USA | ||
Cotton swabs, wooden handle | Salzmann MEDICO, Switzerland | Dimensions: 150 x 1.5 mm; wooden handle Ø 2.2 mm |
|
Adhesive tape: Leukofix | BNS medical GmbH, Germany | 04.107.12 |