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Behavior

Concurrent Elektroenzephalographie Recording Während Transkranielle Alternating Current Stimulation (TAC)

Published: January 22, 2016
doi:
10.3791/53527
,
1Division of Systems Neuroscience of Psychopathology, Translational Research Center, University Hospital of Psychiatry,University of Bern, 2Japan Science and Technology Agency, PRESTO

Summary

In this article we explain how to set up a concurrent transcranial alternating current stimulation and EEG experiment.

Abstract

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.

Introduction

Rhythmische Dynamik extrazellulären elektrischen Strömen in das Gehirn ein Jahrhundert 1,2 beobachtet. Während für die meisten der Zeit, die als nicht-spezifische Rauschen in den Daten berücksichtigt, heute sind sie weithin als eine Hauptrolle in der Informationsverarbeitung im Gehirn 3,4,5,6,7,8,9 zu spielen. Unser Verständnis der Kausalzusammenhang zwischen bestimmten Frequenzen des oszillierenden Hirnaktivität und kognitive Prozesse in den letzten zehn Jahren durch die Entwicklung der verschiedenen Interventions fortgeschritten Ansätze zum direkten Modulieren Oszillationen 8,10. Transkranielle Wechselstromstimulation (TAC) ist so ein vielversprechender Ansatz, um rhythmische Aktivität im Gehirn 10 zu modulieren. tACS ist eine nicht-invasive Hirnstimulation Verfahren, das schwache Wechsel (Sinus) Ströme von der Kopfhaut gilt und moduliert die Erregbarkeit der Hirnrinde in frequenzspezifischer Weise 11, 12, </ sup> 13, 14, 15. Während sie eine vielversprechende Technik für die Untersuchung der Rolle der rhythmischen Aktivität im Gehirn sind die neurophysiologischen Mechanismen der TAC noch völlig unklar. Mehrere Studien haben Auswirkungen der TAC auf Wahrnehmungs 11,13,16,17,18 und motorischen Funktionen 19,20,21,22 sowie Auswirkungen auf die höheren kognitiven Prozessen 23,24,25,26,27, 28 berichtet, . Neurophysiologische Belege für das Mitreißen von Gehirnschwingungen nach der Stimulation wurden unter Verwendung von EEG-13, 14, 15 dargestellt. Es liegen noch wenige Berichte über neurophysiologische Nachweis beim Menschen für einen Effekt der TAC während der Stimulation 12, 13, 22. Da das Gehirn ist sehr robust gegenüber äußeren Störung, ist eine solche Online-Beweise von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der unmittelbaren neurophysiologischen Auswirkungen der TAC.

Electroencephalography (EEG), die Erfassung elektrophysiologische Aktivität im Gehirn mit hoher zeitlicher Auflösung, ist eine ideale Wahl für die Untersuchung endogener und mitgerissen oszillierende neurale Aktivitäten. Neuere Studien von Helfrich und Kollegen berichteten Online neurophysiologischen Wirkungen tACS, aber zur gleichen Zeit messen EEG während tACS hat sich als schwierig aufgrund der prominenten tACS Artefakt 12, 13 bewährt. Für die erfolgreiche gleichzeitige tACS-EEG-Experimente, die Aufnahme guter Qualität EEG-Daten ist ein wichtiger Aspekt, die im Mittelpunkt des aktuellen Artikels ist, und zur gleichen Zeit die Vorverarbeitung Methode, die TAC-Artefakt zu entfernen, ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung. In unserem Labor entwickeln wir unsere eigenen Vor-Verarbeitungs-Pipeline unter Berücksichtigung der Entfernung des tACS Artefakt aus EEG-Daten 29. Hier werden wir beschreiben, wie die EEG-Signale erfolgreich aufzeichnen aus dem Bereich der Stimulation und technischen Überlegungen wichtig für eine erfolgreiche Aufnahme.

Protocol

Ethics Statement: Verfahren am Menschen wurden von der Ethikkommission des Kantons Bern genehmigt (KEK-BE 007/14). Hinweis: Abbildung 1 zeigt Montagen sowie die Gestaltung der tACS Elektroden (siehe auch Diskussion) und EEG-Haube. Wir verwenden ein EEG-Haube aus einem elastischen Material (1D), die TAC-Elektrode auf der Kopfhaut angebracht halten gemacht. 1. Montages Anmerkung: Die repräsentativen Ergebnisse sind aus den folgenden tACS Elektrode Montagen erhalten. Montage 1: Ort beide Elektroden auf der Kopfhaut, die an der linken dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) (F3 Elektrode) und linken hinteren parietalen Cortex (PPC) (P3-Elektrode) (1A). Montage 2: Legen Sie eine tACS Elektroden auf der Kopfhaut an der linken DLPFC (F3-Elektrode), und legen Sie eine weitere tACS Elektrode auf der linken Schulter (1B). Montage3: Setzen Sie einen tACS Elektroden auf der Kopfhaut am linken PPC (P3 Elektrode), und legen Sie eine weitere tACS Elektrode auf der linken Schulter (Abbildung 1c). 2. Vorbereitung der TAC Elektroden Wenn ein Referenz tACS Elektrode wird auf die Schulter (Montage 2 und 3) platziert werden, tun dies zuerst. Bevor Sie die Schulterelektrode, bereiten Sie die Haut mit einem Schleif Haut Vorbereitung Gel für EEG und EKG. Verwenden Sie einen Tupfer, um die Haut leicht mit der Haut Vorbereitung Gel schrubben. Bewerben EEG-Gel auf die TAC-Elektrode und die Elektrode auf die Schulter. Sichern Sie die Elektrode auf der Schulter mit Klebeband. Setzen Sie auf die EEG-Haube. Stellen Sie die Position der Kappe nach dem internationalen 10-20-System für die Positionierung der Elektroden 30, und befestigen Sie den Kinnriemen des EEG-Haube. Mark entdeckt, um anzuzeigen, wo die TAC-Elektrode wird auf der Kopfhaut platziert werden. Verwenden Sie eine Wasser-basierte roten Stift, zum einen, weil isolierende Wirkung des Farbmaterials der Feder reduziert werden, zum anderen kann es leicht mit Wasser abgewaschen werden. Wenn es ein Problem mit dem Stift nicht zu erreichen, um die Kopfhaut für die Kennzeichnung, durch die Löcher in der EEG-Kappe für Gel-Insertion zu eng (1D), verwenden Sie einen Holzstab, zum Beispiel die Holzgriff von einem Wattestäbchen . Malen Sie die Spitze des Stick gründlich und verwenden Sie diesen Tipp, um die Kopfhaut zu markieren. Entfernen Sie die EEG-Haube und überprüfen, ob die Markierung war erfolgreich. Falls erforderlich, geben Sie die Markierung, so dass sie später leicht entdeckt werden. Die folgenden Schritte (2.5.1-2.5.4) abhängig von der Länge der Haare des Teilnehmers. Wenn der Teilnehmer hat kurze Haare (bis zu etwa 10 Zentimeter), überspringen Sie die folgenden Schritte aus (es sollte auch darauf hingewiesen, dass bestimmte Frisuren wie Dreadlocks, machen die Anwendung der TAC Elektroden unmöglich werden). Wenn der Teilnehmer hat mehr hair: Legen Sie die tACS Elektrode mit seinem Zentrum durch den roten Punkt auf der Kopfhaut gekennzeichnet. Beachten Sie, dass keine EEG-Gel sollte auf der tACS Elektrode in diesem Moment gestellt werden. Fädeln Sie sich die Haare in den Innenring des tACS Elektrode. Binden Sie das Gewinde aus Haaren mit Kabelbindern. Achten Sie darauf, dass Haare um den tACS Elektrode nicht mit der TAC-Elektrode durch die Kabelbinder gebunden zu werden. Nachdem das Haar gebunden wurde, entfernen Sie die tACS Elektrode. Bewerben EEG-Gel auf die Kopfhaut tACS Elektrode. Vor dem Auftragen des Gels, verbinden Sie die Kopfhaut und Schulter tACS Elektroden an den Stimulator, aber noch nicht auf dem Stimulator einzuschalten. Tragen Sie eine dünne Schicht von EEG-Gel auf die TAC-Elektrode. Eine spärliche Anwendung des Gels, ist wichtig. Legen Sie das tACS Elektrode wieder auf den Kopf. Wenn der Teilnehmer hat längere Haare, führen Sie das Haar zurück gebunden durch die Innenbohrung des tACS Elektrode, ohne dass es zuuching die EEG-Gel auf die TAC-Elektrode. Beim Aufsetzen der tACS Elektrode, achten Sie genau auf die rote Markierung auf, die die Kopfhaut in der Mitte der TAC-Elektrode gehalten. Sobald die TAC Elektrode auf der Kopfhaut platziert wurde, kann seine Position nicht mehr geändert werden. Entfernen Sie die Kabelbinder aus dem Haar, sobald die tACS Elektrode platziert wurde. Schalten Sie den Stimulator und Überwachung der Impedanz. Während sorgfältig Putting etwas Druck auf die TAC-Elektrode, zahlen sehr genau, dass die rote Markierung vor Ort wird immer in der Mitte des tACS Elektrode gehalten. Heben Sie die Kanten des tACS Elektrode und gelten einige weitere EEG-Gel unter die Haare, nicht zwischen dem tACS Elektrode und Haar (Abbildung 2). Dies ist besonders wichtig, wenn der Teilnehmer hat viele Haare (siehe Diskussion). Weiterhin Druck auf die TAC-Elektrode bis Impedanz stabil unter 10 kOhm. Überwachung der Impedanz dertACS Elektrode durch die tACS stimulator.Carefully fügen Sie zusätzliche EEG-Gel wenn nötig, aber immer dünn. Hinweis: Die Impedanz der tACS Elektrode durch die tACS Stimulator überwacht wird zwischen den tACS Elektroden, die den Nachteil, nicht die Bereitstellung getrennte Impedanzwert Informationen für jede Elektrode gemessen. Abhängig von der EEG-Verstärker-System, könnte es auch möglich sein, die Impedanz der tACS Elektroden durch diese Maßnahme, und dann in der Lage, die Impedanz für jede Elektrode einzeln zu messen. Achten Sie auf jedem Gel Flucht aus dem tACS Elektrode und entfernen Sie überschüssiges EEG-Gel mit einem Wattestäbchen. 3. Montage des EEG-Kappe Nachdem die Impedanz der tACS Elektroden unter der Schwelle von 10 k erreicht, Halterung wieder die EEG-Haube. Setzen Sie auf die EEG-Haube sehr sanft und vorsichtig, vor allem, wenn das Material des EEG-Kappe elastisch ist, da es sonst leicht, die Position des geschäfts bewegenp tACS Elektrode während dieses Schritts. Hinweis: Die Verschiebung der TAC-Elektrode erstreckt sich die EEG-Gel unter der tACS Elektrode und bewirkt, dass die EEG-Gel mit den EEG-Elektroden überbrücken. Es ist wichtig, nicht auf eine elastische Kappe mit Kraft nach unten ziehen, da dies dazu führen, dass später Rebound, was auch bei der Bewegung der tACS Elektrode zur Folge hätte. Befestigen Sie das Band des EEG-Haube. 4. Herstellung von EEG Elektroden Gelten EEG Gel mit geeigneter Viskosität (wie im Detail in der Diskussion erläutert) an die EEG-Elektroden, um einen Kontakt zwischen der Kopfhaut und EEG-Elektroden schaffen. Beginnen Sie mit den Grund- und Referenz EEG-Elektroden. Dann fahren Sie mit der in der Mitte und Nähe des tACS Elektrode angeordnet Elektroden. Fahren Sie dann auf die übrigen Elektroden (siehe Diskussion). Für die TAC Elektrode umgibt EEG-Elektroden, injizieren Gel mit der Nadelspitze zeigt in eine Richtung weg von der TAC-Elektrode. Drücken Sie vorsichtig den EEG-Elektroden während der Anwendung eines Gels, so dass das Gel nicht von unterhalb der Elektroden entweichen kann. Verwenden Sie einen Holzstab, um den Kontakt zwischen den EEG-Elektroden und Kopfhaut zu erhöhen, wie in Abbildung 3 dargestellt. Verwenden Sie nicht die Nadelspitze für diesen Zweck, da sie der Teilnehmer Kopfhaut kratzen, und ist darüber hinaus nicht so effektiv für diesen Zweck. Drücken Sie das Gel mit dem Stock auf die Kopfhaut, und sehr sanft einmassieren die Kopfhaut mit der Spitze des Stiftes mit einer Drehbewegung. Versuchen Sie, den Winkel der Stick orthogonal zu der Kopfhaut für Elektroden in einer näheren Umgebung des tACS Elektrode angeordnet zu halten, da Seitwärtsbewegungen der Stick wird unter der Elektrode verteilt das Gel. Falls benötigt, gelten einige weitere EEG-Gel, und verwenden Sie dann die Holzstäbchen, die Impedanz weiter zu verbessern. Zur Überbrückung über undichte Gel (Figur 4) zu vermeiden, sparsam mit der Anwendung des Gels zum Absenken der Impedanz der EEG-Elektroden indie unmittelbare Nähe der TAC-Elektrode. Stattdessen versuchen, um die Impedanz so weit wie möglich nur mit dem Holzstab zu senken, vor der Prüfung das Hinzufügen von mehr Gel. Nachdem gute Impedanz hat mit dem Holzstab erreicht ist, vorsichtig einführen und bringen Sie die Nadel, bis die Spitze der Nadel die Kopfhaut berührt, dann vorsichtig anzuwenden Gel, während das Herausziehen der Nadel und hilft so, den Kontakt zwischen der EEG-Elektrode und die Stabilisierung Kopfhaut. Ziel für Elektrodenimpedanzen EEG unter 5 kOhm für eine optimale Daten, da dies reduziert Störgeräusche und Signalverzerrung. Sobald die Impedanzen haben auf das geeignete Niveau gesenkt worden, Test, ob eine Brücke zwischen der Elektrode und der umgebenden tACS EEG-Elektroden durch undichte Gel wurde erstellt. Gelten kurze Sinus Stimulation mit einer Intensität von experimentellen Interesse (zB 1 mA Spitze-zu-Spitze). Hinweis: Aufgrund von Einschränkungen einiger Systeme (siehe Tabelle der Materialien), ist es not möglich, für die Online-Überbrückung zu überprüfen, sondern nur durch die Anwendung Stimulation und dann geprüft wird, ob jeder Kanal des EEG-Verstärker gesättigt wird. Sehen Sie, ob ein Kanal bei gleichzeitiger Anregung gesättigt. Hinweis: Wie aus den repräsentativen Ergebnissen, Bridging über undichte Gel zwischen den TAC und EEG-Elektroden werden in Sättigung dieses Kanals des EEG-Verstärker führen und aus, Aufzeichnung von Daten von diesen Elektroden. Es ist nicht möglich, eine Brücken über undichte Gel, sobald festgestellt wurde, rückgängig zu machen. Die einzige Möglichkeit ist, den Versuch zu unterbrechen. Check Impedanzen noch einmal. Danach beginnt die Aufnahme.

Representative Results

Beispiele von erfolglosen und erfolgreiche gleichzeitige tACS-EEG-Messungen von zwei unterschiedlichen Aufnahmen (5) erhalten wird gezeigt. Zwei tACS Elektroden wurden auf die Kopfhaut (F3 und P3 Elektroden) und der Intensität der TAC platziert war 0,9 mA (Spitze-Spitze). Im ersten Beispiel wurde die F3 EEG-Elektrode mit dem Frontal tACS Elektrode über Gel überbrückt (beachten Sie, dass bei der Erwähnung von "Brückenbildung" in der gesamten Diskussion unten bezeichnen wir die Bildung einer direkten Verbindung von EEG-Gel die Schaffung eines Kontakt zwischen der TAC und EEG Elektroden). Das Überbrückungs sofort sättigt die F3-Kanal und EEG-Signalen während tACS konnte nicht aufgezeichnet (5A) werden. In dem zweiten Beispiel wurden die EEG-Signale erfolgreich beim Anwenden tACS (5B) aufgezeichnet. Um die räumliche Verteilung der Größe der tACS Artefakt zu bewerten, dieGröße des tACS Artefakt wurde während erfolgreichen Aufnahme von drei Themen erhalten berechnet. tACS wurde entweder mit dem DLPFC (F3-Elektrode) oder PPC (P3 Elektrode) aufgetragen. Die Intensität tACS betrug 0,9 mA (Spitze-Spitze) .Es wurde beobachtet, daß die Spitze-zu-Spitze-Betrag der tACS Artefakt war umgekehrt proportional mit dem Abstand zwischen der EEG und tACS Elektrode korreliert (6A und 6B). Darüber hinaus ist die Position des EEG-Bezugselektrode in Bezug auf die tACS Elektrode beeinflusste auch die räumliche Verteilung der Größe der tACS Artefakt über die EEG-Kanäle (6A und 6B). Die Größe des tACS Artefakt im Bereich von 10 mV bei EEG-Elektroden weiter entfernt vom Ort der Stimulation, während die Größe können an der EEG-Elektrode in der Mitte der TAC-Elektrode zu erreichen bis zu 100 mV. Die Beziehung zwischen der Stromstärke von TAC und der Höhe der Artefakte in der Umgebung der dertACS Elektrode wurde ebenfalls untersucht (Abbildung 7). Es zeigte lineare Beziehungen und gesättigter den Spannungsbereich der Aufnahme, wenn tACS Stromstärke war mehr als 1,6 mA. Abbildung 1. Illustration der Montage. (A) Montage mit zwei tACS Elektroden auf der Kopfhaut (F3 und P3) platziert. (B) Montage mit einem tACS Elektrode auf der Kopfhaut (F3) und eine Referenzelektrode auf tACS ipsilateralen Schulter gelegt. (C) Montage mit einem tACS Elektrode auf der Kopfhaut (P3) angeordnet ist und ein Referenz tACS Elektrode auf der ipsilateralen Schulter gelegt. (D) Eine elastische EEG-Haube hält die Kopfhaut tACS Elektrode anstelle unter der Kappe. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 2. Die korrekte Anwendung der zusätzlichen EEG-Gel unter einem tACS Elektrode. Zusätzliche EEG-Gel ist, um unter der tACS Elektrode angelegt, um die Homogenität der Anschluss an die Kopfhaut zu verbessern. Die zusätzliche Gel sollte zwischen dem Haar und der Kopfhaut (blauer Pfeil) angewendet werden, und nicht zwischen dem tACS Elektrode und Haare, um den Kontakt zu verbessern. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 3. Die Verbesserung der Anbindung der EEG-Elektroden auf der Kopfhaut. (A) Wenden EEG-Gel auf die EEG-Elektroden mit einer Spritze. Verwenden Sie die tip der Nadel, um wegzuwischen Haar unter der EEG-Elektrode, dann vorsichtig einfügen und bringen Sie die Nadel, bis die Spitze der Nadel die Kopfhaut berührt. Bewerben Gel beim Herausziehen der Nadel, um eine Verbindung zwischen der Kopfhaut und der EEG-Elektrode zu schaffen. (B) mit einem Holzstab (zB die Holzgriff von einem Wattestäbchen oder ähnliches), um weiter den Kontakt zwischen den EEG-Elektroden und der Kopfhaut zu verbessern. Drücken Sie das Gel mit dem Stock auf die Kopfhaut, und sehr sanft einmassieren die Kopfhaut mit der Spitze des Stiftes mit einer Drehbewegung. Versuchen Sie, den Winkel der Stick orthogonal zu der Kopfhaut für Elektroden in einer näheren Umgebung des tACS Elektrode angeordnet zu halten, da Seitwärtsbewegungen der Stick wird unter der Elektrode verteilt das Gel. Falls benötigt, gelten einige weitere EEG-Gel, und verwenden Sie dann die Holzstäbchen, die Impedanz weiter zu verbessern. Für Elektroden in unmittelbarer Nähe des tACS Elektrode angeordnet ist es auch wichtig, vorsichtig mit der Anwendung mehr Gel fo seinr das Ziel, den Kontakt. Vielmehr versuchen, den Kontakt so viel wie möglich mit dem Holzstab zu verbessern. Schließlich hat wieder gute Impedanz mit dem Holzstab erreicht ist, fügen Sie einige zusätzliche Gel, um den Kontakt zwischen der EEG-Elektrode und der Kopfhaut zu stabilisieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 4. Beispiel undichte EEG-Gel Schaffung direkter Kontakt zwischen TAC und EEG-Elektroden. Undichte EEG-Gel, das direkten Kontakt zwischen den TAC und der EEG-Elektrode erzeugt, wird beobachtet. Bridging, wie dies zwischen den TAC und EEG-Elektroden können beispielsweise erzeugt werden, durch Zugabe einer überschüssigen Mengen an EEG-Gel unter der tACS Elektrode oder der EEG-Elektrode in der Nähe des tACS Elektrode,oder durch die TAC-Elektrode bewegt wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Figur 5. tACS sättigt den EEG-Verstärker über verbrückende über Gel. Die Rohdaten aus zwei unterschiedlichen Aufnahmen zu CPZ referenziert, während Montage mit Kopf tACS Elektroden am DLPFC (F3 Elektrode) und PCC (P3 Elektrode) angeordnet sind. (A) Die an der Elektrode F3 aufgezeichnete Signal wird wegen Brückenbildung über undichte EEG-Gel zwischen der F3 EEG-Elektrode und der Elektroden tACS gesättigt. (B) Signale werden erfolgreich von allen Elektroden aufgezeichnet. Die Größe des tACS Artefakt an der F3 Elektrode übersteigt mehr als 50 mV. Bitte klicken Sie hier, um zu seheneine größere Version dieser Figur. Abbildung 6. Die Höhe der TAC Artefakte über EEG-Kanälen. Spitze-Spitze-Größen tACS Artefakte gemittelt über drei Themen (mV). Die Daten sind Rohdaten, um CPZ verwiesen. (A) Die Größe des tACS Artefakt während der Montage mit einem Kopfhaut tACS Elektrode auf der linken DLPFC (F3 Elektrode) angeordnet und die andere tACS Elektrode auf der linken Schulter (Montage 2, 1B) platziert. (B) Die Größe des tACS Artefakt während der Montage mit einem tACS Elektrode auf der linken PPC (P3 Elektrode) angeordnet und die andere tACS Elektrode auf die linke Schulter gelegt (Montage 3, 1C). (C) EEG-Kanal Standorten. Rot: Kanal unter Stimulationsstelle, blau: Sender in unmittelbarer Nähe der Stimulationsstelle, Ref (fett schwarz): Referenzelektrode (CPZ). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 7. Die Größe der tACS Artefakt linear korreliert mit Intensität der Stimulation. Spitze-Spitze-Größe der tACS Artefakt (mV) von einem Thema an Kanal F3. Intensitäten von 0,5 bis 2 mA in Schritten von 0,1 mA angewandt. Die Daten sind Rohdaten, um CPZ verwiesen. Montage mit einem Kopf tACS Elektrode am linken DLPFC (F3-Elektrode) gelegt und anderer tACS Elektrode auf der linken Schulter (Montage 2, 1B) angeordnet ist. Die Daten zeigen eine perfekte lineare Beziehung zwischen der Intensität der Stimulation angelegt und das Ausmaß der tACS Artefakt im Intensitätsbereich von 0,5 bis 1,6 mA. Die Spannungsauflösung wurde auf 150 mV eingestellt, aber die actual maximale Erfassungsbereich war 161,6 mV über den das Signal gesättigt war. Die gestrichelte Linie markiert die höchste Reichweite des Spannung. Mit Stimulationsintensität von 1,7 mA und höher, wenn resultierenden Artefakt Größen waren mehr als 161,6 mV, die F3-Kanal gesättigt war. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Discussion

Die Verfahren zum Einrichten gleichzeitige tACS-EEG-Experimente werden hier beschrieben. Wir wenden uns nun Überlegungen zum Aufbau der TAC-EEG-Aufzeichnungen, von denen die beiden ersten Überlegungen sind von entscheidender Bedeutung für die erfolgreiche gleichzeitige tACS-EEG-Aufzeichnungen zu diskutieren.

Vermeiden tACS-EEG-Elektrode Überbrückung über Gel-

Es ist entscheidend, um zu vermeiden, eine Brücke zwischen EEG und tACS Elektroden durch undichte EEG-Gel, wie unmittelbar Überbrückungs sättigt den entsprechenden Kanal eines EEG-Verstärker. Aus diesem Grund ist die Viskosität des EEG-Gel ist ein entscheidender Parameter für eine erfolgreiche tACS-EEG-Aufzeichnung. Verwenden Sie niemals eine Flüssigkeit EEG-Gel, als Fluid EEG-Gel Risiken Flucht aus dem tACS Elektrode und Brücke mit benachbarten EEG-Elektroden. Gleichzeitig hat eine sehr viskose EEG Gel den Nachteil auf, dringt das Haar und Schmieren der Haut, um die Impedanz zu verringern. Für die EEG-Elektroden in der Nähe der TAC-Elektrode kann ein viskoser Gele BE verwendet werden, wie kann man einen Holzstab benutzen, um die Impedanz zu senken. Für die TAC und Rest EEG-Elektroden, mit einem etwas weniger viskos (wenn auch noch nicht flüssig) EEG-Gel. Diese Art von Gel erfordert weniger Aufwand zu niedrigeren Impedanzen. Da es schwierig ist, unter der tACS Elektrode zu kratzen, ist es besser, eine etwas weniger viskoses Gel hier verwenden.

Der Umgang mit tACS Artefakt Größen

Das zweite Problem ist, um die große Stärke des tACS Artefakt zu behandeln, die von 10 mV bei EEG-Elektroden entfernt von dem Bereich der Stimulation, um mehr als 100 mV am Ort der Stimulation während der vorliegenden Stimulationsintensität von 0,9 mA (Abbildung 6) . 7 zeigt die lineare Beziehung zwischen der Stimulationsintensität (0,5 bis 2,0 mA Spitze-zu-Spitze) und der resultierende Betrag des Artefakts an der Stelle der Anregung (Kanal F3). Eine erste Maßnahme besteht darin, eine niedrige Impedanz beider EEG und tACS Elektroden zu halten. UnzureichendKontakt zwischen der Elektrode und tACS der Kopfhaut schafft größere Amplituden der TAC Artefakt in den EEG-Daten, und darüber hinaus angewendet elektronische Strom würde dazu neigen inhomogen sein. Zweitens muss man die Auflösungsstufe des A / D-Wandler des EEG-System zu betrachten. Ein 24-Bit A / D-Wandler kann theoretisch decken einen Bereich von 1,68 V mit einer 0,1 & mgr; V / Bit Auflösung. Zu niedrig, um die Reichweite des tACS Artefakt (Bild 6) abdecken – Im Gegensatz dazu würde ein 16-Bit-A / D-Wandler mit einer 0,1 & mgr; V / Bit-Auflösung einen Spannungsbereich von 6,5 mV decken. Daraus ergibt sich die Spannungsaufnahmeauflösung verringert werden muss. Um Artefakt Grßen von bis zu 100 mV an der Stelle der Stimulation mit einem 16-Bit-System erfassen, wäre die Spannung Aufzeichnungsauflösung theoretisch müssen oberhalb 1,53 uV / Bit gesenkt werden. Tatsächlich vergangenen gleichzeitige tACS-EEG Studien mit einer 16 Bit-System könnte die EEG-Signale von der Umgebung der Stimulationsort Aufnahme aufgrund Sättigung des ampl ifier selbst wenn die Auflösung auf 0,5 & mgr; V abgesenkt / biß 12,13.

Überlegungen zur Verringerung der Elektrodenimpedanz

Der Grund für die ersten beginnen die Arbeit an den Impedanzen der EEG-Elektroden in der Mitte oder nahe der TAC-Elektrode befindet, ist, dass diese EEG-Elektroden erfordern einige Patienten und sorgfältige Arbeit, um Brückenbildung zu vermeiden. Ausgehend von diesen Elektroden, gibt es Zeit zu warten, bis die aufgebrachte Gel einige Zeit, um die Kopfhaut zu schmieren, bevor erwägen, die sich mehr EEG-Gel wenn nötig hatte. Zusätzliche Gel sollte unter der tACS Elektrode aufgebracht werden, sobald sie auf der Kopfhaut platziert worden, insbesondere, wenn der Teilnehmer hat eine Menge Haare. Der Grund dafür ist nicht nur, um die Impedanz zu reduzieren – können gute Impedanz ohne diesen Schritt erreicht werden kann -, sondern um eine einheitliche Verbindung mit der Kopfhaut in der gesamten Oberfläche des tACS Elektrode zu erreichen.

Design und Montage Überlegungen

ntent "> Abbildung 1 zeigt die Montage der TAC-Elektroden. Die ringförmige Konstruktion der Kopfhaut tACS Elektrode / Elektroden und der rechteckige Schulter tACS Elektrode dargestellt. Die Form der Kopfhaut tACS Elektrode ermöglicht eine EEG-Elektrode in platziert werden die mitten in der stimulierten Bereich. Ein Vorteil der Donut-förmige Design ist, dass es für die Aufzeichnung-Signal von dem stimulierten Bereich. Zum anderen macht es auch einfach, die Position des tACS Elektrode unverändert zu halten. Je nach Ort der Stimulation, würde eine andere Form der TAC-Elektrode besser geeignet. Eine rechteckige tACS Elektrodenform besser geeignet, wenn Sie von einem Ort zwischen EEG-Elektroden.

Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die Form und Position der TAC-Elektrode ist nicht dasselbe wie die Fläche tatsächlich stimuliert, aber möglicherweise etwas verschoben werden 31. Bei der Entscheidung, die Position der tACS Elektroden, Modellierung des aktuellen fniedrig, um die beste Position der Elektroden für die Ausrichtung der interessierenden Region zu schätzen immer dringend empfohlen.

Die aktuelle Einstellung ist geeignet für die Modulation der rhythmischen Aktivität in großen Netzwerken. Fokalere Stimulation kann auf verschiedenen Wegen 13, 32, 33, 34 erreicht werden. Erstens, reduzieren Sie die Größe der TAC-Elektrode. Nitsche und Kollegen haben gezeigt, dass ein 3,5 cm 2 Elektrode kann die Erregbarkeit des motorischen Kortex mit tDCS 32 zu modulieren. Ein zweiter Ansatz ist es, ein hochauflösendes Konfiguration 13,33,34, wobei eine Stimulationselektrode wird durch vier Referenzelektroden umgeben auszunutzen. Ein weiterer Vorteil der High-Definition-Konfiguration ist, dass die Dichte der EEG-Elektroden erhöht werden, da herkömmliche Gummielektroden begrenzen den Raum, um EEG-Elektroden und vierundsechzig EEG-Elektroden Ort ist nicht möglich, in der aktuelle Setup zu implementieren. Während these Modifikationen für höhere räumliche Spezifität erfordern unterschiedliche Setup-Verfahren, die hier beschriebenen technischen Überlegungen gelten weiterhin.

In diesem Protokoll legen wir die TAC-Elektroden nach dem internationalen 10-20-System für EEG Elektrodenpositionierung 30. Whileindividual Optimierung eines Stimulations Lage wäre die Alternative, könnte es ein Problem für den Vergleich beim Variieren der Stimulationsort unter Individuen in dem Experiment, da die Stimulationsstelle variiert in Bezug auf die Registrierung des EEG-Sites dar. Die vor kurzem gezeigt, kombinierte Verwendung von Magnetenzephalographie (MEG) und TAC von Neuling und Kollegen 35, könnte dieses Problem und tACS Artefakt bezogene Probleme zu überwinden, als räumliche Filtermethoden mit MEG Strahlformung ermöglicht es, die Gehirnaktivität unabhängig von einer tACS Website zu schätzen.

In Bezug auf die Montage sind zwei monopolaren Montagen hier beschriebenen, dh mit extracephalic Lage der Referenzelektrode (1B und 1C) und eine unipolare Montage, das heißt, mit beiden Elektroden auf der Kopfhaut (1A) befindet (siehe weiter Klassifikationen von Elektroden Montagen durch Nasseris et al. 36). Der Vorteil der Verwendung eines monopolaren Montage ist die Vermeidung von zusätzlichen cephalica Stimulation nicht von Interesse für die Studie. Das Hauptanliegen bei der Auswahl einer monopolaren montage ist Stromfluss obwohl subkortikalen Strukturen einschließlich der Hirnstamm, mit dem potenzielle Risiko von modulierenden vitalen Hirnfunktionen. Sowohl extracephalic und ipsilateralen Schulter Platzierung der Referenzelektrode ist bestätigt worden, nicht auf Hirnstammfunktionen für 1 mA Intensität der tDCS 37,38 modulieren (zB, Herzfrequenzvariabilität, Atemfrequenz und Blutdruck). Als eine monopolare montage können deutliche Vorteile in Abhängigkeit von dem experimentellen Design haben, besteht ein Bedarf zur umfassenden Prüfungdie Wirkung auf lebenswichtige Hirnfunktionen während höhere Stimulationsintensität und verschiedenen monopolaren Montagen sowie zum Vergleich des Einflusses zwischen tDCS und tACS.

Man beachte, dass High-Definition-Konfiguration ist eine andere Lösung für das Problem des bipolaren Montage zusätzlicher cephalica Stimulation nicht von Interesse zu vermeiden. Der HD-Konfiguration mit einer Stimulationselektrode durch vier Referenzelektroden umgeben führt zu einer hohen Stromdichte unter der Mittelelektrode und niedriger Stromdichte unter den vier umgebenden Elektroden. Da die Wirkung der Stimulation hängt von der Dichte des Stroms, bedeutet dies eine unidirektionale Modulation unter der Mittelelektrode für die High-Definition-Konfiguration, im Gegensatz zu den bidirektionalen Modulation eines zwei Elektrodenkonfiguration 39.

Visuelle Flackern Wahrnehmung durch tACS induziert ist ein kritischer limitierender Faktor für die Stimulationsintensität beim Aufsetzen des tACS-Elektrode auf der Frontallappen, durch Netzhautstimulation durch tACS. Insbesondere tACS an beta-Band-Frequenz induziert visuelle Flimmern selbst bei niedriger Intensität tACS 11. Nach unserer Erfahrung 0,9 mA (Spitze-Spitze) Stimulation über DLPFC (F3 Elektrode) bei 6 Hz für eine geeignete Intensitätspegel, um das Gefühl der visuelle Flackern zu minimieren.

Je nach Gestaltung des Experiments, könnte es notwendig sein, den Schrittmacher mit einer externen Vorrichtung zu steuern (falls dies für den verwendeten Stimulator erhältlich). Wir verwenden eine Wellenform Analogausgang Bord, um den Stimulator zu kontrollieren und zu senden Trigger auf die EEG-Verstärker (siehe weitere Hard- und Software-Spezifikationen in der Tabelle der Materialien). Im Fall der Stimulator, der hier verwendete (siehe Tabelle der Materialien), wird der Rauschpegel der Stromausgabe mit der Fernbedienung höher als die mit dem eingebetteten Stimulator Schnittstelle. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, Remote-Control der Stimulator sollte gewählt werden,nur dann, wenn durch die Konzeption des Experiments erforderlich.

Fehlerbehebung Sättigung des EEG-Kanäle

Wir haben gezeigt, dass zwischen den TAC und EEG-Elektroden überbrück über EEG-Gel Ergebnisse undicht in Sättigung des jeweiligen Kanals des EEG-Verstärker und schließt Aufzeichnen von Daten von diesen Elektroden (5A). Es gibt andere Gründe für die Sättigung von einem EEG-Kanal. Ein Grund dafür kann sein, dass die Verstärkung des Verstärkers zu schmal ist, und die Spannung Auflösung bei der Aufnahme noch nicht entsprechend angepasst. In diesem Fall muss die Spannung Auflösung bei der Aufnahme, um abgesenkt, um den Bereich von der Größe des tACS Artefakt abzudecken. Ein weiterer Grund ist, dass der Aufzeichnungsstelle zu nahe an der Stimulationsstelle. In diesem Fall könnte sogar eine sehr grobe Spannungs Auflösung bei der Aufnahme immer noch nicht decken den Bereich des Artefakts. Recording sollten weiter von der Stimulationsstelle entfernt werden.

Die aktuelle Pro-Protokoll umfassend zeigt die Einstellungen und technischen Überlegungen für die gleichzeitige tACS-EEG-Experimente. Mit Methoden, die TAC Artefakt und Protokolle für die gute Qualität Aufnahme während tACS entfernen, wird tACS wirklich eine vielversprechende Methode tofurther unser Verständnis der auffälligste Merkmal der Hirnaktivität, rhythmische Dynamik sein.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This project has been supported by the Japan Science and Technology Agency (JST) PRESTO program.

Materials

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
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References

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Fehér, K. D., Morishima, Y. Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS). J. Vis. Exp. (107), e53527, doi:10.3791/53527 (2016).
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