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Behavior

Concurrent Gravação Eletroencefalografia Durante Transcranial estimulação alternada Corrente (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

Dinâmicas rítmicas de correntes elétricas extracelular no cérebro foram observados durante um século 1,2. Enquanto que para a maior parte desse tempo sendo considerado como o ruído não específico nos dados, hoje eles estão amplamente considerado como desempenhar um papel principal na transformação de informação no cérebro 3,4,5,6,7,8,9. Nossa compreensão do nexo de causalidade entre as freqüências específicas da atividade do cérebro oscilatório e processos cognitivos avançou na última década através do desenvolvimento de diversas estratégias de intervenção para modular diretamente a atividade oscilatório 8,10. Transcranial estimulação alternando atual (TAC) é uma tal abordagem promissora para modular a atividade rítmica no cérebro 10. TAC é um método de estimulação cerebral não invasiva, que se aplica fraca alternada (senoidais) correntes do couro cabeludo e modula a excitabilidade do córtex cerebral de uma forma específica de frequências de 11, 12, </ sup> 13, 14, 15. Apesar de ser uma técnica promissora para o estudo do papel da atividade rítmica no cérebro, os mecanismos neurofisiológicos dos TAC ainda são tímidas. Vários estudos têm relatado efeitos de TAC sobre perceptual 11,13,16,17,18 e funções motoras 19,20,21,22, bem como os efeitos sobre os processos cognitivos de ordem superior 23,24,25,26,27, 28 . Evidência neurofisiológica para arrastamento de oscilações cerebrais após a estimulação foram apresentados usando EEG 13, 14, 15. Atualmente poucos relatos de evidência neurofisiológica em seres humanos para efeitos de TAC durante a estimulação 12, 13, 22. Como o cérebro é altamente robusta para perturbação externa, tais provas on-line é crucial para compreender os efeitos neurofisiológicos imediatas dos TAC.

Electroencephalography (EEG), capturando atividade eletrofisiológica no cérebro com alta resolução temporal, é uma escolha ideal para o estudo endógeno e atividades neurais oscilatórios arrastadas. Estudos recentes realizados por Helfrich e colegas relataram efeitos neurofisiológicos on-line dos TAC, mas ao mesmo tempo medir EEG durante a TAC tem sido difícil devido à proeminente TAC artefato 12, 13. Para as experiências de TAC-EEG simultâneas bem sucedidos, a gravação de dados de EEG boa qualidade é um aspecto importante, que é o foco do artigo actual, e ao mesmo tempo, o método de pré-processamento para remover o artefacto TAC também é crucial. Em nosso laboratório, temos vindo a desenvolver o nosso próprio gasoduto de pré-processamento que permite a remoção do artefato TAC de dados de EEG 29. Aqui vamos descrever como gravar com sucesso sinais de EEG a partir da área de estimulação, e considerações técnicas importantes para a gravação bem sucedida.

Protocol

Declaração de ética: Procedimentos envolvendo seres humanos foram aprovados pelo comitê de ética do Cantão de Berna (KEK-BE 007/14). Nota: A Figura 1 ilustra montagens, bem como o design dos eléctrodos TAC (ver também a discussão), e a tampa do EEG. Nós usamos uma tampa EEG feito de um material elástico (Figura 1D) para segurar o eléctrodo TAC anexado no couro cabeludo. 1. Montages Nota: Os resultados representativos são obtidos a partir dos seguintes TAC são montagens de eletrodos. Montagem 1: Coloque os dois eletrodos no couro cabeludo, no córtex pré-frontal esquerdo dorsolateral (CPFDL) (eletrodo F3) e no córtex parietal posterior esquerda (PPC) (eletrodo P3) (Figura 1A). Montagem 2: Coloque um TAC eletrodo no couro cabeludo no CPFDL esquerdo (eletrodo F3), e coloque um outro eletrodo TAC no ombro esquerdo (Figura 1B). Montagem3: Coloque um eletrodo TAC no couro cabeludo na PPC esquerda (eletrodo P3), e coloque um outro eletrodo TAC no ombro esquerdo (Figura 1C). 2. Preparação dos TAC Eletrodos Se um eléctrodo de referência TAC vai ser colocado sobre o ombro (Montagem de 2 e 3), fazer isso em primeiro lugar. Antes de colocar o eletrodo ombro, preparar a pele com um gel abrasivo pele preparando para EEG e eletrocardiografia. Use uma compressa de gaze para esfregar a pele levemente com o gel da pele preparação. Aplique gel EEG no eletrodo TAC e colocar o eletrodo no ombro. Fixe o eletrodo no ombro com fita adesiva. Coloque a tampa EEG. Ajuste a posição da tampa de acordo com o sistema internacional 10-20 para eletrodo de posicionamento 30, e aperte o queixo cinta da tampa EEG. Mark pontos para indicar onde o eletrodo TAC será posicionado no couro cabeludo. Use uma águacaneta vermelho baseado, em primeiro lugar, porque os efeitos de isolamento do material de cor da caneta são reduzidos, e, por outro, pode ser facilmente lavado com água. Se houver um problema com a caneta não chegando ao couro cabeludo para a marcação, devido aos orifícios na tampa de EEG para inserção de gel ser demasiado apertado (Figura 1D), utilizar uma vara de madeira, por exemplo, o punho de madeira de um cotonete . Pintar a ponta da vara completamente e usar esta dica para marcar o couro cabeludo. Retire a tampa de EEG e verificar se a marcação foi bem sucedida. Se necessário, preencher a marcação, de modo que ele pode ser facilmente visto mais tarde. Executar os seguintes passos (2.5.1-2.5.4), dependendo do comprimento do cabelo do participante. Se o participante tem o cabelo curto (até cerca de 10 centímetros), ignore os seguintes passos (que também deve ser notado que certos penteados, como dread locks, tornar a aplicação dos TAC eletrodos impossível). Se o participante tem mais haiR: Coloque o eletrodo TAC com o seu centro marcado pela mancha vermelha no couro cabeludo. Observe que nenhum gel EEG deve ser colocado sobre o eletrodo TAC neste momento. Passe para fora todo o cabelo dentro do anel interno do eletrodo TAC. Vincular o cabelo enfiado com ligantes cabo. Preste atenção para que o cabelo em torno do eletrodo TAC não fica ligada o eletrodo TAC pelas pastas cabo. Depois que o cabelo tenha sido ligado, remova o eletrodo TAC. Aplique gel EEG para o eletrodo TAC couro cabeludo. Antes de aplicar o gel, conecte o couro cabeludo e os TAC ombro eletrodos para o estimulador, mas não ligue o estimulador ainda. Aplique uma fina camada de gel de EEG para o eletrodo TAC. A aplicação de gel escasso é importante. Com cuidado, coloque o eletrodo TAC de volta na cabeça. Se o participante tiver um cabelo mais longo, passe o cabelo ligado de volta através do orifício interno do eletrodo TAC, sem que auching o gel EEG no eletrodo TAC. Além de colocar o eletrodo TAC, preste muita atenção para a marca vermelha no couro cabeludo sendo mantido no meio do eletrodo TAC. Uma vez que o eléctrodo TAC foi colocado sobre o couro cabeludo, a sua posição não pode ser alterado. Remova as pastas de cabo do cabelo uma vez que o eletrodo TAC foi colocado. Ligue o estimulador e monitorar a impedância. Enquanto cuidadosamente colocando alguma pressão sobre o eletrodo TAC, preste muita atenção que a marcação mancha vermelha é sempre mantido no meio do eletrodo TAC. Levante cuidadosamente as arestas do eléctrodo de TAC e aplicar mais um pouco de gel EEG sob o cabelo, não entre o eletrodo TAC e cabelo (Figura 2). Isto é especialmente importante se o participante tem um monte de cabelo (ver discussão). Continue colocando pressão sobre o eletrodo TAC até impedância é de forma estável abaixo de 10 kW. Monitorar a impedância doeletrodo TAC pelo TAC stimulator.Carefully adicionar gel EEG adicional se necessário, mas sempre escassa. Nota: A impedância do eléctrodo TAC monitorizada pelo estimulador TAC é medida entre os eléctrodos TAC, que tem o inconveniente de não fornecimento de informações sobre o valor de impedância separados para cada eléctrodo. Dependendo do sistema de amplificador de EEG, que também pode ser possível medir a impedância dos eléctrodos TAC através deste, e, em seguida, ser capaz de medir a impedância de cada eléctrodo separadamente. Preste atenção a qualquer gel escapar do eletrodo TAC, e remover o excesso de gel EEG com um cotonete. 3. Montando o Cap EEG Após a impedância dos eletrodos TAC atinge abaixo do limiar de 10 kW, montar a tampa EEG novamente. Colocar a tampa de EEG muito suavemente e cuidadosamente, especialmente se o material do tampão do EEG é elástica, uma vez que de outra forma é fácil de mover a posição do fiscaleletrodo p TAC durante esta etapa. Nota: A mudança do eletrodo TAC espalha o gel EEG sob o eletrodo TAC e faz com que o gel de EEG para colmatar com os eletrodos de EEG. É importante não para puxar para baixo uma tampa elástica com força, pois isso pode causar-lhe a se recuperar depois, o que também resultaria em movendo o eletrodo TAC. Aperte a alça da tampa EEG. 4. Preparação de EEG Eléctrodos Aplicar EEG gel de viscosidade apropriada (tal como discutido em detalhe na discussão) para os eléctrodos de EEG para criar o contacto entre o couro cabeludo e os eléctrodos de EEG. Comece com o solo e referência eletrodos de EEG. Em seguida, avance para os eletrodos localizados no meio e arredores do eletrodo TAC. Em seguida, continue com os eletrodos restantes (ver Discussão). Para eléctrodos de EEG em torno do eléctrodo TAC, injectar o gel com a ponta da agulha apontando numa direcção para fora a partir do eléctrodo de TAC. Pressione cuidadosamente o EEG eléctrodos durante a aplicação do gel, de modo a que o gel não escapa por baixo dos eléctrodos. Utilize uma vara de madeira para aumentar o contacto entre os eléctrodos de EEG e do couro cabeludo, como ilustrado na Figura 3. Não utilizar a ponta da agulha para o efeito, uma vez que irá raspar o couro cabeludo do participante, e não é, além disso, tão eficaz para este propósito. Empurre para baixo o gel com a vara em direção ao couro cabeludo, e esfregue delicadamente o couro cabeludo com a parte superior da vara com um movimento de rotação. Tente manter o ângulo da vara perpendicularmente ao couro cabeludo para os eletrodos localizados em uma estreita proximidade do eléctrodo TAC, como movimentos sideway do pau vai espalhar-se o gel sob o eletrodo. Se necessário, aplicar mais um pouco de gel de EEG e, em seguida, usar a vara de madeira para melhorar ainda mais a impedância. Para evitar ponte através de gel de escape (Figura 4), ​​ser parcimonioso com a aplicação do gel para diminuir a impedância dos eléctrodos de EEG emNas imediações do eletrodo TAC. Em vez disso, tentar diminuir a impedância, tanto quanto possível usando apenas o bastão de madeira, antes de considerar a adição de mais gel. Uma vez que boa impedância foi alcançado com a vara de madeira, insira cuidadosamente e derrubar a agulha até que a ponta da agulha toca o couro cabeludo, em seguida, aplique suavemente gel enquanto puxa a agulha, contribuindo assim para estabilizar o contato entre o eletrodo de EEG e do couro cabeludo. Apontar para EEG impedância de eléctrodos inferiores a 5 kW para os dados ideais, pois isso reduz a interferência de ruído e distorção do sinal. Uma vez que as impedâncias foram reduzidos para o nível adequado, teste se qualquer ponte entre o eletrodo TAC e eletrodos de EEG circundantes devido ao vazamento de gel foi criado. Aplicar breve estímulo sinusoidal, com uma intensidade de interesses experimentais (por exemplo, 1 mA pico-a-pico). Nota: Devido às limitações de alguns sistemas (ver tabela de materiais), é not possível verificar para colmatar on-line, mas apenas através da aplicação de estimulação e, em seguida, verificar se qualquer canal do amplificador de EEG torna-se saturado. Veja se qualquer canal está saturado enquanto estimulante. Nota: Como é evidente a partir dos resultados representativos, bridging via vazamento de gel entre os eletrodos de EEG TAC e irá resultar em saturando este canal do amplificador de EEG e exclui dados de gravação de estes eléctrodos. Não é possível desfazer uma ponte através de vazamento de gel, uma vez que tenha sido estabelecido. A única opção é para interromper a experiência. Conferir impedâncias mais uma vez. Em seguida, iniciar a gravação.

Representative Results

Exemplos são mostrados de TAC-EEG em simultâneo sem sucesso e bem-sucedidas medidas obtidas a partir de duas gravações diferentes (Figura 5). Dois eletrodos TAC foram colocados no couro cabeludo (F3 e P3 eletrodos) ea intensidade dos TAC foi de 0,9 mA (pico-a-pico). No primeiro exemplo, o eletrodo F3 EEG foi superado com o eletrodo TAC frontais via gel (note que ao mencionar "ponte" em toda a discussão abaixo, denotamos a formação de uma ligação directa por gel EEG criar um contato entre os TAC e EEG eléctrodos). A ponte imediatamente satura o canal de F3 e sinais de EEG durante TAC não pode ser gravada (Figura 5A). No segundo exemplo, os sinais de EEG foram registados com sucesso enquanto TAC aplicáveis ​​(Figura 5B). Para avaliar a distribuição espacial da amplitude do artefacto TAC, omagnitude do artefato TAC foi calculada durante a gravação de sucesso obtida a partir de três temas. TAC foi aplicado tanto ao DLPFC (eletrodo F3) ou PPC (eletrodo P3). A intensidade de 0,9 mA foi TAC (pico-a-pico) .É observou-se que a magnitude do pico-a-pico do artefacto TAC foi inversamente correlacionado com a distância entre o eléctrodo e o EEG TAC (Figura 6A e 6B). Além disso, a posição do eléctrodo de referência de EEG em relação ao eléctrodo TAC também influenciou a distribuição espacial da amplitude do artefacto TAC entre os canais de EEG (Figura 6A e 6B). A magnitude do artefacto TAC varia de 10 mV a eléctrodos de EEG mais distantes do local da estimulação, ao passo que a magnitude pode atingir até 100 mV no eléctrodo EEG no meio do eléctrodo TAC. A relação entre a intensidade da corrente de TAC e a magnitude de artefactos na vizinhança doeletrodo TAC também foi analisada (Figura 7). Ele exibiu relações lineares e saturada a faixa de tensão de gravação quando TAC intensidade da corrente foi mais do que 1,6 mA. Figura 1. Ilustração de montagem. (A) Montagem com dois TAC eletrodos colocados no couro cabeludo (F3 e P3). (B) Montagem com um eletrodo TAC colocados no couro cabeludo (F3) e um eletrodo TAC de referência colocado sobre o ombro ipsilateral. (C) Montagem com um eletrodo TAC colocados no couro cabeludo (P3) e um eletrodo TAC de referência colocado sobre o ombro ipsilateral. (D) Uma tampa EEG elástica mantém o eletrodo TAC couro cabeludo no lugar sob o tampão. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2. A aplicação correcta do gel EEG adicional debaixo de um eletrodo TAC. Gel EEG adicional deve ser aplicado sob o eletrodo TAC para melhorar a homogeneidade da conexão para o couro cabeludo. O gel adicional deve ser aplicado entre o cabelo e do couro cabeludo (seta azul), e não entre o eletrodo TAC e cabelo, para melhorar o contacto. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3. A melhoria da ligação dos eléctrodos de EEG para o couro cabeludo. (A) Aplicar gel de EEG para os eléctrodos de EEG, utilizando uma seringa. Use a tip da agulha para afastar o cabelo abaixo do eletrodo EEG, em seguida, insira cuidadosamente e derrubar a agulha até que a ponta da agulha toca o couro cabeludo. Aplique o gel enquanto puxa a agulha, para criar uma conexão entre o couro cabeludo eo eletrodo de EEG. (B) Use uma vara de madeira (por exemplo, o cabo de madeira de um cotonete ou similar) para melhorar ainda mais o contato entre os eletrodos de EEG e do couro cabeludo. Empurre para baixo o gel com a vara em direção ao couro cabeludo, e esfregue delicadamente o couro cabeludo com a parte superior da vara com um movimento de rotação. Tente manter o ângulo da vara perpendicularmente ao couro cabeludo para os eletrodos localizados em uma estreita proximidade do eléctrodo TAC, como movimentos sideway do pau vai espalhar-se o gel sob o eletrodo. Se necessário, aplicar mais um pouco de gel de EEG e, em seguida, usar a vara de madeira para melhorar ainda mais a impedância. Para eletrodos localizados em uma estreita proximidade do eléctrodo TAC também é importante ser cauteloso com a aplicação mais gel for a finalidade de melhorar o contato. Em vez tentar melhorar o contato, tanto quanto possível usando o bastão de madeira. Finalmente, uma vez que boa impedância foi alcançado com a vara de madeira, adicione um pouco de gel adicional para estabilizar o contato entre o eletrodo de EEG e do couro cabeludo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 4. Exemplo de vazamento de gel EEG criar um contacto directo entre os TAC e eletrodos de EEG. Vazar gel EEG, o que cria o contato direto entre os TAC e do eletrodo EEG, é observado. Bridging como este entre os TAC e eletrodos de EEG pode ser criada, por exemplo, adicionando um excesso quantidades de gel EEG sob o eletrodo de TAC ou o eletrodo EEG nas imediações do eletrodo TAC,ou pelos TAC eletrodo sendo movidos. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 5. TAC satura o amplificador de EEG através de ponte através de gel. Os dados brutos de dois registros diferentes, referenciados em CPZ, durante a montagem com TAC couro cabeludo eletrodos colocados no DLPFC (eletrodo F3) e PCC (eletrodo P3). (A) O sinal gravado no eletrodo F3 está saturado devido a colmatar através de vazamento de gel EEG entre o eletrodo F3 eo eletrodo EEG TAC. (B) Os sinais são registrados com êxito de todos os pólos. A magnitude do artefato TAC no eletrodo F3 exceder mais de 50 mV. Por favor clique aqui para veruma versão maior desta figura. Figura 6. A magnitude dos TAC artefatos em todos os canais de EEG. Magnitudes de pico-a-pico dos TAC artefatos média entre três disciplinas (mV). Os dados são dados brutos, referenciados em CPZ. (A) A magnitude do artefacto TAC durante a montagem com um eléctrodo colocado no couro cabeludo TAC no DLPFC esquerda (eléctrodo F3) e o eléctrodo de outros TAC colocados no ombro esquerdo (Montagem de 2, Figura 1B). (B) A magnitude do artefacto TAC durante a montagem com um eléctrodo colocado no TAC PPC esquerda (eléctrodo P3) e o eléctrodo de outros TAC colocados no ombro esquerdo (Montagem de 3, Figura 1C). Locais de canal (C) EEG. Vermelho: canal sob local de estimulação, azuis: canais nas imediações do local de estimulação, Ref (preto corajoso): Eletrodo de referência (CPZ). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 7. A magnitude do artefacto TAC linearmente correlacionada com a intensidade da estimulação. Grandeza pico-a-pico do artefacto TAC (mV) de um objecto no canal F3. Intensidades de 0,5 a 2 mA foram aplicadas em passos de 0,1 mA. Os dados são dados brutos, referenciados em CPZ. Montagem com um eléctrodo colocado no couro cabeludo TAC no DLPFC esquerda (eléctrodo F3) e o eléctrodo de outros TAC colocados no ombro esquerdo (Montagem de 2, Figura 1B). Os dados demonstram uma relação linear entre perfeito intensidade da estimulação aplicada e da magnitude dos TAC artefacto, na gama de 0,5 a intensidade de 1.6 mA. A resolução de tensão foi ajustada a 150 mV, mas o Actual gama aquisição máxima foi de 161,6 mV, para além do qual o sinal foi saturado. A linha a tracejado assinala a amplitude máxima da voltagem. Com intensidades de estimulação de 1,7 mA e superior, quando resultantes magnitudes de artefato foram mais de 161,6 mV, o canal F3 estava saturado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Experimentos Os procedimentos para configurar simultâneos TAC-EEG são descritos aqui. Passamos agora a discutir considerações para a configuração das gravações TAC-EEG, das quais as duas primeiras considerações são vitais para gravações simultâneas TAC-EEG sucesso.

Evitando eletrodo TAC-EEG colmatar através de gel

É crucial para evitar a ponte entre EEG e TAC eletrodos através de vazamento de gel EEG, como ponte imediatamente satura o respectivo canal de um amplificador de EEG. Por esta razão, a viscosidade do gel EEG é um parâmetro crucial para o sucesso da gravação TAC-EEG. Nunca use um gel fluido EEG, como um fluido riscos de gel de EEG escapar para fora do eléctrodo TAC e ponte com eletrodos de EEG adjacentes. Ao mesmo tempo, um gel de EEG muito viscosa tem uma desvantagem em penetrar no cabelo e lubrificar a pele para reduzir a impedância. Para os eletrodos de EEG nas proximidades do eletrodo TAC, um gel mais viscoso pode bE utilizada, como se pode usar uma vara de madeira para reduzir a impedância. Para os TAC e eletrodos de EEG restantes, use um pouco menos viscoso (embora ainda não líquidos) gel de EEG. Este tipo de gel requer menos esforço para impedâncias mais baixas. Como é difícil para raspar sob o eletrodo TAC, é melhor usar um gel ligeiramente menos viscoso aqui.

Lidar com TAC magnitudes artefato

A segunda questão é para lidar com a grande magnitude do artefacto TAC, variando de 10 mV na EEG eléctrodos distante da área de estimulação, para mais do que 100 mV no local da estimulação durante a presente intensidade de estimulação de 0,9 mA (Figura 6) . Figura 7 ilustra a relação linear entre as intensidades de estimulação (0,5 a 2,0 mA pico-a-pico) e a magnitude do artefacto resultante no sítio de estimulação (canal F3). A primeira medida é manter uma baixa impedância de ambos os EEG e TAC eletrodos. Insuficientecontato entre o eletrodo TAC e do couro cabeludo cria maiores amplitudes do artefato TAC nos dados de EEG e, além disso aplicada corrente eletrônica tenderia a ser não homogênea. Em segundo lugar, é preciso considerar o nível de resolução do conversor A / D do sistema de EEG. Um conversor de 24 bits A / D pode, teoricamente, cobrir um intervalo de 1,68 V, com uma resolução de 0,1 mV / bit. Em contraste, um conversor A / D de 16 bits com uma resolução de 0,1 mV / bit vai cobrir uma gama de tensão de 6,5 mV – demasiado baixo para cobrir a gama do artefacto TAC (Figura 6). Assim a resolução de gravação de tensão tem de ser reduzido. A fim de cobrir as magnitudes artefato de até 100 mV no local da estimulação com um sistema de 16 bits, a resolução de gravação de tensão seria teoricamente precisa de ser reduzido para cima 1,53 mV / bit. Em estudos recentes facto simultâneas TAC-EEG com um sistema de 16 bits não pode gravar os sinais do EEG da vizinhança do local de estimulação devido à saturação da ampl ifier mesmo quando a resolução foi reduzida para 0,5 mV / mordeu 12,13.

Considerações para reduzir a impedância do eletrodo

A razão para a primeira começar a trabalhar sobre as impedâncias dos eletrodos de EEG localizados no meio ou imediações do eletrodo TAC, é que esses eletrodos de EEG exigir algum trabalho paciente e cuidadosa, para evitar ligações. Ao começar com esses eletrodos, não há tempo para esperar até que o gel aplicada teve algum tempo para lubrificar o couro cabeludo, antes de considerar aplicar mais gel EEG, se necessário. Gel adicional deve ser aplicado sob o eletrodo TAC, uma vez que tenha sido colocado no couro cabeludo, nomeadamente se o participante tem um monte de cabelo. A razão não é apenas para reduzir a impedância – boa impedância pode ser alcançado sem este passo – mas para obter uma ligação uniforme em todo o couro cabeludo com a superfície do eléctrodo de TAC.

Considerações de design e montagem

ntent "> A figura 1 ilustra a montagem dos eletrodos TAC. O design em forma de rosquinha dos TAC couro cabeludo eletrodo / eletrodos eo eletrodo TAC ombro rectangular são retratados. A forma do eletrodo TAC couro cabeludo permite um eletrodo de EEG para ser colocado em no meio da área estimulada. Uma vantagem da concepção em forma de anel é que ele permite a gravação do sinal a partir da área estimulada. Em segundo lugar, também faz com que seja fácil manter a posição do eléctrodo TAC inalterado. Dependendo do local da estimulação, alguma outra forma do eletrodo TAC seria mais adequado. A forma eletrodo TAC retangulares é mais adequado durante a gravação de um site entre eletrodos de EEG.

Deve ser advertidos de que a forma ea posição do eletrodo TAC não é o mesmo que a área efectivamente a ser estimulada, mas poderia ser um pouco deslocado 31. Ao decidir a posição dos eléctrodos de TAC, modelação da corrente Fbaixo para estimar a melhor posição dos eletrodos para a segmentação da região de interesse é sempre altamente recomendável.

A configuração atual é adequado para a modulação da atividade rítmica em redes de larga escala. Mais estimulação focal pode ser conseguido de várias maneiras 13, 32, 33, 34. Em primeiro lugar, reduzir o tamanho do eléctrodo TAC. Nitsche e colegas demonstraram que um eléctrodo de 3,5 cm 2 pode modular a excitabilidade do córtex motor com ETCC 32. Uma segunda abordagem é a de explorar uma configuração de alta definição 13,33,34, onde um eléctrodo de estimulação é rodeado por quatro eléctrodos de referência. Outra vantagem da configuração de alta definição é que a densidade de eléctrodos de EEG pode ser aumentada, uma vez que os eléctrodos de borracha convencionais limitar o espaço para os eléctrodos de EEG e sessenta e quatro eléctrodos de EEG não é viável para implementar na configuração corrente. Enquanto these modificações para maior especificidade espacial requerem diferentes procedimentos de configuração, as considerações técnicas descritas aqui ainda se aplicam.

Neste protocolo, colocar os eletrodos TAC de acordo com o sistema internacional 10-20 para EEG eletrodo de posicionamento 30. Whileindividual optimização de uma localização estimulação seria a alternativa, pode constituir um problema para comparação, quando variar a localização estimulação entre indivíduos na experiência, como o local de estimulação varia em relação aos locais de registo do EEG. O uso combinado recentemente demonstrado de magnetoencefalografia (MEG) e TAC, por Neuling e colegas 35, pode superar este problema e problemas relacionados com o artefato TAC, como métodos de filtragem espaciais com MEG beamforming permite estimar a atividade cerebral independente de um site TAC.

Em relação à montagem, duas montagens monopolares são descritas aqui, ou seja, com extracephalic localização do eléctrodo de referência (Figura 1B e 1C), e uma montagem unipolar, ou seja, com dois eléctrodos localizados sobre o couro cabeludo (Figura 1A) (veja-se outras classificações de montagens de eléctrodos por Nasseri et ai. 36). A vantagem de utilizar uma montagem monopolar é a prevenção de estimulação adicional cefálica de qualquer interesse para o estudo. A principal preocupação na escolha de uma montagem monopolar é o fluxo de corrente embora estruturas subcorticais, incluindo o tronco cerebral, com o risco potencial de modular funções do tronco cerebral vitais. Ambos colocação ombro extracephalic e ipsilateral do eletrodo de referência foi confirmado não para modular funções do tronco cerebral para 1 mA intensidade do ETCC 37,38 (por exemplo, variabilidade da frequência cardíaca, frequência respiratória e pressão arterial). Como uma montagem monopolar pode ter vantagens claras dependendo do desenho experimental, existe uma necessidade para testar exaustivamenteo efeito nas funções do tronco cerebral vitais durante mais elevadas intensidades de estimulação e diferentes montagens monopolares, bem como para comparar a influência entre ETCC e TAC.

Note-se que a configuração de alta definição é uma outra solução para o problema de evitar a montagem bipolar de estimulação adicional cefálica de qualquer interesse. A configuração de alta definição com um eletrodo de estimulação cercado por quatro eletrodos de referência leva à alta densidade de corrente sob o eletrodo central e baixa densidade de corrente por baixo dos quatro eletrodos circundantes. À medida que o efeito de estimulação depende da densidade da corrente, isso significa uma modulação unidireccional sob o eléctrodo central para a configuração de alta definição, em contraste com a modulação de bi-direccional de uma configuração de dois eléctrodos 39.

Visual percepção flicker induzido pelo TAC é um fator limitante crítico para a intensidade de estimulação quando colocar o tACS eletrodo no lóbulo frontal, devido à estimulação da retina por TAC. Em particular, os TAC em freqüência beta-band induz oscilação visual mesmo em baixa intensidade de TAC 11. Na nossa experiência 0,9 mA estimulação (pico-a-pico) através da DLPFC (eléctrodo F3) em 6 Hz é um nível de intensidade apropriada para minimizar a sensação de oscilação visual.

Dependendo da concepção da experiência, pode ser necessário para controlar o estimulador com um dispositivo externo (se esta função está disponível para o estimulador utilizado). Nós usamos uma placa de saída analógica de forma de onda para controlar o estimulador e enviar gatilhos para o amplificador de EEG (veja mais especificações de hardware e software na tabela de materiais). Em caso de que o estimulador aqui utilizada (ver tabela de materiais), o nível de ruído de saída de corrente com o comando à distância é maior do que com a interface estimulador incorporado. Daí a opção para controlar remotamente o estimulador deve ser escolhidosomente se forem requisitadas pelo projeto experimental.

Solução de problemas de saturação dos canais de EEG

Temos demonstrado que a ponte entre os TAC e eletrodos de EEG via vazando resultados gel de EEG em saturar o respectivo canal do amplificador de EEG e exclui dados de gravação a partir desses eletrodos (Figura 5A). Há outras razões para a saturação de um canal de EEG. Uma razão pode ser que o ganho do amplificador é demasiado estreito, e a resolução de gravação tensão não foi ajustada em conformidade. Neste caso, a resolução de gravação de tensão tem de ser reduzido para cobrir a gama de a magnitude do artefacto TAC. Outra razão é que o local de gravação é muito perto do local da estimulação. Neste caso, mesmo uma resolução de gravação de tensão muito grossa ainda pode não cobrir a gama de o artefato. A gravação deve ser localizado mais longe do local de estimulação.

O pro atualtocol abrangente descreve as definições e considerações técnicas para experimentos TAC-EEG em simultâneo. Com métodos para remover o artefato TAC e protocolos para a gravação de boa qualidade durante TAC, TAC será realmente um método promissor tofurther nossa compreensão da característica mais proeminente da atividade cerebral, dinâmicas rítmicas.

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

  1. Berger, P. D. H. On the electroencephalogram of humans. Arch Psychiatr Nervenkr. 87 (1), 527-570 (1929).
  2. Finger, S. . Origins of Neuroscience: A History of Explorations Into Brain Function. , (2001).
  3. Engel, A. K., Fries, P., Singer, W. Dynamic predictions: oscillations and synchrony in top-down processing. Nat Rev Neurosci. 2 (10), 704-716 (2001).
  4. Varela, F., Lachaux, J. P., Rodriguez, E., Martinerie, J. The brainweb: phase synchronization and large-scale integration. Nat Rev Neurosci. 2 (4), 229-239 (2001).
  5. Fries, P. A mechanism for cognitive dynamics: neuronal communication through neuronal coherence. Trends Cogn Sci. 9 (10), 474-480 (2005).
  6. Canolty, R. T., Knight, R. T. The functional role of cross-frequency coupling. Trends Cogn Sci. 14 (11), 506-515 (2010).
  7. Fell, J., Axmacher, N. The role of phase synchronization in memory processes. Nat Rev Neurosci. 12 (2), 105-118 (2011).
  8. Thut, G., Miniussi, C., Gross, J. The functional importance of rhythmic activity in the brain. Curr Biol. 22 (16), R658-R663 (2012).
  9. Buzsáki, G., Draguhn, A. Neuronal oscillations in cortical networks. Science. 304 (5679), 1926-1929 (2004).
  10. Paulus, W. Transcranial electrical stimulation (tES – tDCS; tRNS, tACS) methods. Neuropsychol Rehabil. 21 (5), 602-617 (2011).
  11. Kanai, R., Chaieb, L., Antal, A., Walsh, V., Paulus, W. Frequency-dependent electrical stimulation of the visual cortex. Curr Biol. 18 (23), 1839-1843 (2008).
  12. Helfrich, R. F., Schneider, T. R., Rach, S., Trautmann-Lengsfeld, S. A., Engel, A. K., Herrmann, C. S. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Curr Biol. 24 (3), 333-339 (2014).
  13. Helfrich, R. F., et al. Selective modulation of interhemispheric functional connectivity by HD-tACS shapes perception. PLoS Biol. 12 (12), e1002031 (2014).
  14. Zaehle, T., Rach, S., Herrmann, C. S. Transcranial alternating current stimulation enhances individual alpha activity in human EEG. PloS One. 5 (11), e13766 (2010).
  15. Neuling, T., Rach, S., Herrmann, C. S. Orchestrating neuronal networks: sustained after-effects of transcranial alternating current stimulation depend upon brain states. Front Hum Neurosci. 7, 161 (2013).
  16. Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, 13 (2011).
  17. Laczò, B., Antal, A., Niebergall, R., Treue, S., Paulus, W. Transcranial alternating stimulation in a high gamma frequency range applied over V1 improves contrast perception but does not modulate spatial attention. Brain Stimul. 5 (4), 484-491 (2012).
  18. Strüber, D., Rach, S., Trautmann-Lengsfeld, S. A., Engel, A. K., Herrmann, C. S. Antiphasic 40 Hz oscillatory current stimulation affects bistable motion perception. Brain Topogr. 27 (1), 158-171 (2014).
  19. Joundi, R. A., Jenkinson, N., Brittain, J. -. S., Aziz, T. Z., Brown, P. Driving oscillatory activity in the human cortex enhances motor performance. Curr Biol. 22 (5), 403-407 (2012).
  20. Wach, C., Krause, V., Moliadze, V., Paulus, W., Schnitzler, A., Pollok, B. Effects of 10 Hz and 20 Hz transcranial alternating current stimulation (tACS) on motor functions and motor cortical excitability. Behav Brain Res. 241, 1-6 (2013).
  21. Wach, C., Krause, V., Moliadze, V., Paulus, W., Schnitzler, A., Pollok, B. The effect of 10 Hz transcranial alternating current stimulation (tACS) on corticomuscular coherence. Front Hum Neurosci. 7, 511 (2013).
  22. Pogosyan, A., Gaynor, L. D., Eusebio, A., Brown, P. Boosting cortical activity at Beta-band frequencies slows movement in humans. Curr Biol. 19 (19), 1637-1641 (2009).
  23. Santarnecchi, E., et al. Frequency-dependent enhancement of fluid intelligence induced by transcranial oscillatory potentials. Curr Biol. 23 (15), 1449-1453 (2013).
  24. Polanìa, R., Nitsche, M. A., Korman, C., Batsikadze, G., Paulus, W. The importance of timing in segregated theta phase-coupling for cognitive performance. Curr Biol. 22 (14), 1314-1318 (2012).
  25. Jaušovec, N., Jaušovec, K. Increasing working memory capacity with theta transcranial alternating current stimulation (tACS). Biol Psychol. 96, 42-47 (2014).
  26. Jaušovec, N., Jaušovec, K., Pahor, A. The influence of theta transcranial alternating current stimulation (tACS) on working memory storage and processing functions. Acta Psychol (Amst). 146, 1-6 (2014).
  27. Sela, T., Kilim, A., Lavidor, M. Transcranial alternating current stimulation increases risk-taking behavior in the balloon analog risk task. Front Neurosci. 6, 22 (2012).
  28. Voss, U., et al. Induction of self awareness in dreams through frontal low current stimulation of gamma activity. Nat Neurosci. 17 (6), 810-812 (2014).
  29. Morishima, Y., Fehér, K. D. A method for removing tACS artifacts from EEG data. Program No. 303.05. Neuroscience 2014 Abstracts. , (2014).
  30. Jasper, H. H. The ten twenty electrode system of the international federation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 10, 371-375 (1958).
  31. Dmochowski, J. P., Datta, A., Bikson, M., Su, Y., Parra, L. C. Optimized multi-electrode stimulation increases focality and intensity at target. J Neural Eng. 8 (4), 046011 (2011).
  32. Nitsche, M. A., et al. Shaping the effects of transcranial direct current stimulation of the human motor cortex. J Neurophysiol. 97 (4), 3109-3117 (2007).
  33. Villamar, M. F., Volz, M. S., Bikson, M., Datta, A., Dasilva, A. F., Fregni, F. Technique and considerations in the use of 4×1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). J Vis Exp. (77), e50309 (2013).
  34. Datta, A., Bansal, V., Diaz, J., Patel, J., Reato, D., Bikson, M. Gyri -precise head model of transcranial DC stimulation: Improved spatial focality using a ring electrode versus conventional rectangular pad. Brain Stimul. 2 (4), 201-207 (2009).
  35. Neuling, T., Ruhnau, P., Fuscà, M., Demarchi, G., Herrmann, C. S., Weisz, N. Friends, not foes: Magnetoencephalography as a tool to uncover brain dynamics during transcranial alternating current stimulation. Neuroimage. 118, 406-413 (2015).
  36. Nasseri, P., Nitsche, M. A., Ekhtiari, H. A framework for categorizing electrode montages in transcranial direct current stimulation. Front Hum Neurosci. 9, 54 (2015).
  37. Vandermeeren, Y., Jamart, J., Ossemann, M. Effect of tDCS with an extracephalic reference electrode on cardio-respiratory and autonomic functions. BMC Neurosci. 11, 38 (2010).
  38. Santarnecchi, E., et al. Time Course of Corticospinal Excitability and Autonomic Function Interplay during and Following Monopolar tDCS. Front Psychiatry. 5, 86 (2014).
  39. Datta, A., Elwassif, M., Battaglia, F., Bikson, M. Transcranial current stimulation focality using disc and ring electrode configurations: FEM analysis. J Neural Eng. 5 (2), 163-174 (2008).

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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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