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.
Beyindeki elektrik akımlarının dışı ritmik dinamikleri bir yüzyıl 1,2 gözlenmiştir. Bu çoğu zaman verilerin spesifik olmayan gürültü olarak düşünülen için olsa da, bugün beyne 3,4,5,6,7,8,9 bilgi işlem bir ana rol oynadığı düşünülmektedir. Osilatör beyin aktivitesi ve bilişsel süreçlerin belirli frekansları arasındaki nedensel bağın anlayışımız doğrudan salınım aktivitesinin 8,10 modüle yaklaşımları çeşitli müdahale geliştirilmesi yoluyla son on yılda ilerlemiştir. Geçerli stimülasyon (TAC) alternatif Transkranial beyindeki 10 ritmik aktivitesini modüle böyle bir umut vaat eden bir yaklaşımdır. TACS 11, 12, <derisi zayıf dönüşümlü olarak (sinüzoidal) akımları uygulanır ve bir frekans-spesifik bir şekilde serebral korteks uyarılabilirliğini modüle eden bir invazif olmayan beyin stimülasyonu yöntem olup,/ sup> 13, 14, 15. Beyindeki ritmik aktivitenin rolünü incelemek için gelecek vaat eden bir tekniktir olurken, TACS nörofizyolojik mekanizmalar hala zor bulunmaktadır. Çeşitli çalışmalarda yüksek düzey bilişsel süreçler 23,24,25,26,27, 28 tarihinde algısal 11,13,16,17,18 tarihinde TACS etkilerini ve motor fonksiyonlarını 19,20,21,22 yanı sıra etkileri olduğu bildirilmiştir . Uyarıldıktan sonra beyin salınımlarının sürüklenmesine için nörofizyolojik kanıtlar EEG 13, 14, 15 kullanılarak sunulmuştur. Stimülasyon 12, 13, 22 sırasında TACS bir etkisi insanlarda nörofizyolojik kanıtlar az sayıda rapor bulunmamaktadır. Beyin dış pertürbasyonuna son derece sağlam olduğu gibi, böyle çevrimiçi kanıt TACS hemen nörofizyolojik etkilerini anlamak için çok önemlidir.
Electroencephalography (EEG), yüksek temporal çözünürlük ile beyindeki elektrofizyolojik aktiviteyi yakalayan endojen ve sürüklenen osilatör nöral aktivitelerini incelemek için ideal bir seçimdir. Son Helfrich tarafından yapılan çalışmalar ve arkadaşları TACS online nörofizyolojik etkilerini rapor, ancak TACS sırasında EEG ölçümü aynı anda nedeniyle belirgin TACS eser 12, 13 zor olduğu kanıtlanmıştır. Başarılı eşzamanlı TACS-EEG deneyler için, kaliteli EEG verilerini kaydetmek güncel makalenin odak noktası olan bir önemli yönü, ve aynı zamanda TACS artefakt kaldırmak için ön-işleme yöntemi de önemlidir. Laboratuvarda, biz EEG verileri 29 den TACS eserin çıkarılması için izin kendi ön-işleme boru hattı geliştirmekteyiz. Burada başarılı stimülasyon alanı ve Başarılı kayıt için önemli teknik düşüncelerden EEG sinyallerini kayıt nasıl anlatacağız.
Prosedürler kurmak için eşzamanlı TACS-EEG deneyleri burada açıklanmıştır. Şimdi ilk iki hususlar başarılı eşzamanlı TACS-EEG kayıtları için hayati önem taşımaktadır hangi TACS-EEG kayıtları, kurulumu için düşüncelerini tartışmak açın.
Jel üzerinden köprüleme TACS-EEG elektrot kaçınmak
Hemen köprü EEG amplifikatör ilgili kanalını doyurur gibi, sızıntı EEG jel ile EEG ve TACS elektrotlar arasında köprü önlemek için çok önemlidir. Bu nedenle, EEG jelin viskozitesi başarılı TACS-EEG kayıt için çok önemli bir parametredir. Asla bir sıvı EEG jel riskleri bitişik EEG elektrotları ile TACS elektrot ve köprüden dışarı kaçan gibi bir sıvı EEG jel kullanın. Aynı zamanda, çok viskoz EEG jel saç nüfuz edecek ve empedansını azaltmak için, deriyi nemlendirme bir dezavantajı vardır. TACS elektrotun yakın EEG elektrotlar için, daha viskoz bir jel olabilir btek empedansı düşürmek için bir tahta sopa kullanarak e kullanılır. TACS ve kalan EEG elektrotları için, EEG jeli (hala akışkan olsa) biraz daha az viskoz kullanın. Jel Bu tür alt empedansları için daha az çaba gerektirir. O TACS elektrodun altında kazımak için zor olduğu gibi, burada biraz daha az viskoz jel kullanmak daha iyidir.
TACS eser büyüklüklerinin ile başa çıkmak
İkinci konu 0.9 mA mevcut stimülasyon yoğunluğu sırasında stimülasyon yerinde EEG de mV stimülasyon alanından uzak elektrotlar 10 den, 100'den fazla mV arasında değişen, TACS dışlayıcı büyük büyüklüğünü ele almaktır (Şekil 6) . Şekil 7 stimülasyon şiddetleri arasındaki doğrusal ilişkiyi göstermektedir ve stimülasyon (kanal F3) yerinde eserin çıkan büyüklüğü (0,5 mA tepe-tepe 2.0). İlk tedbir hem EEG ve TACS elektrotların düşük empedansı tutmaktır. YetersizTACS elektrot ve kafa derisi arasındaki temas EEG verilerinin TACS dışlayıcı büyük amplitüdlerini oluşturur ve ek olarak elektronik akım homojen olmayan olma eğiliminde olur başvurdu. İkincisi, tek bir EEG sisteminin A / D dönüştürücüsü çözünürlük düzeyini dikkate almak gerekiyor. 24 bit A / D dönüştürücü teorik 0.1 mV / bit çözünürlük ile 1.68 V bir dizi kapak olabilir. TACS eserin (Şekil 6) aralığını kapsayacak şekilde çok düşük – Buna karşılık, 0.1 mV / bit çözünürlükte 16 bit A / D dönüştürücü 6.5 mV gerilim aralığını kapsayacak. Bu nedenle gerilim kayıt çözünürlüğü indirilmesi gerekmektedir. 16 bit sistem ile stimülasyon yerinde 100'e mV eser büyüklüklerinin karşılamak için, gerilim kayıt çözünürlüğü teorik 1.53 mV / bit yukarıda indirilmesi gerekir. Nedeniyle büyütülen doygunluk uyarılması sitesinden civarından EEG sinyallerini kayıt olamazdı 16 bit sistem ile aslında son eşzamanlı TACS-EEG çalışmaları ifier bile çözünürlük 0.5 mV düşürüldü zaman / 12,13 ısırdı.
Elektrot empedansı azaltılması için Hususlar
Nedeni ilk TACS elektrodun ortasında ya da çevresinde bulunan EEG elektrotları empedanlarından üzerinde çalışmaya başlamak için, bu EEG elektrotları köprülemeyi önlemek için bazı hasta ve dikkatli çalışma gerektirir olmasıdır. Bu elektrotlar ile başlayarak, uygulamalı jel gerekirse daha fazla EEG jel uygulamadan düşünmeden önce, kafa derisi yağlamak için biraz zaman olmuştur kadar beklemek zaman vardır. Katılımcı saç bir yeri vardır eğer özellikle kafa derisi üzerinde konulmuş bir kez ek jel TACS elektrodun altında uygulanmalıdır. İyi empedans bu adımı olmadan elde edilebilir – – ama TACS elektrot yüzeyine boyunca kafa derisi ile düzgün bir bağlantı elde etmek için bir neden sadece empedansını azaltmak için değil.
Tasarım ve montaj hususlar
EEG elektrodu yerleştirilebilir için ntent "> Şekil 1, TACS elektrotların montajını göstermektedir. derisi TACS elektrot / elektrot halka şeklindeki tasarımı ve dikdörtgen omuz TACS elektrot gösterilmiştir. derisi TACS elektrot şekli sağlar uyarılmış alanının orta. simit şeklinde bir tasarıma bir avantajı, uyarılmış alan sinyalini kayıt etmek için izin vermektedir. İkinci olarak, aynı zamanda, kolay değişmez TACS elektrodun pozisyonu tutmak için yapar. stimülasyon alanına bağlı olarak, TACS elektrotun diğer bazı şekli daha uygun olacaktır. EEG elektrotları arasına bir siteden kaydederken dikdörtgen TACS elektrot şekli daha uygundur.Bu TACS elektrot şekil ve konum aslında uyarılmış olan bölgede aynı değil, ama biraz olması 31 kaymıştır olabilir uyarılmalıdır. Geçerli f TACS elektrotların konumunu, modelleme karar verirkenilgi bölgeyi hedeflemek için elektrotların en iyi pozisyonunu tahmin etmek her zaman düşük şiddetle tavsiye edilir.
Mevcut kurulum büyük ölçekli ağlara ritmik aktivitesinin modülasyonu için uygundur. Daha fokal uyarımı çeşitli şekillerde 13, 32, 33, 34 elde edilebilir. İlk olarak, TAC elektrodun boyutunu azaltmak. Nitsche ve arkadaşları 3,5 cm 2 elektrot TEKMER 32 motor korteksin heyecanlanma modüle göstermiştir. İkinci bir yaklaşım, bir uyarım elektrot dört referans elektrotlar ile çevrilidir yüksek çözünürlüklü yapılandırması 13,33,34, istismar etmektir. Yüksek çözünürlüklü düzenlemenin başka bir avantajı, geleneksel lastik elektrotlar EEG elektrotları ve 64 EEG elektrotları yerleştirmek için uzay sınırı beri EEG elektrotları yoğunluğu, cari kurulumunda uygulamak mümkün değildir artmış olmasıdır. Inci ikenyüksek uzaysal özgüllük için ese değişiklikler farklı kurulum prosedürleri gerektiren, burada açıklanan teknik konular hala geçerli.
Bu protokolde EEG elektrot konumlandırma 30 uluslararası 10-20 sistemine göre TACS elektrotlar yerleştirin. Bir uyarım yerin Whileindividual optimizasyonu uyarılması sitesi EEG kayıt sitelerine göre değişir olduğu gibi, deneyde bireyler arasında stimülasyon konumunu değişen zaman karşılaştırma için bir sorun teşkil olabilir, alternatif olacaktır. MEG hüzme şekillendirme ile mekansal filtreleme yöntemleri TACS sitenin bağımsız beyin aktivitesini tahmin sağlar gibi manyetoensefalografinin (MEG) ve TAC son zamanlarda gösterdiği kombine kullanımı, Neuling ve arkadaşları 35 tarafından, bu sorunu ve TACS eser ile ilgili sorunların üstesinden olabilir.
Montaj ile ilgili olarak, iki kutuplu montages extracephali ile örneğin, burada açıklanmaktadırKafa derisi (Şekil 1A) üzerinde yer alan iki elektrot referans elektrot (Şekil 1B ve 1C) ve bir tek kutuplu montaj, yani, c konum (Nasseri ve ark., 36, elektrot montajlanmasında daha sınıflandırmaları bakınız). Bir kutuplu montaj kullanmanın avantajı çalışması için hiçbir ilgi ek sefalik stimülasyon kaçınma olduğunu. Bir monopolar montaj seçerken birincil kaygısı hayati beyin sapı fonksiyonlarının modüle potansiyel riski ile beyin sapı da dahil olmak üzere subkortikal yapılarda olsa akım vardır. Referans elektrot Hem extracephalic ve ipsilateral omuz yerleştirme TEKMER 37,38 1 mA yoğunluğu için beyin sapı fonksiyonlarının modüle değil onaylandıktan (örneğin, kalp hızı değişkenliği, solunum hızı ve kan basıncı). Tek kutuplu bir montaj deney tasarımına bağlı olarak büyük avantajlar gibi, kapsamlı test etmek için bir ihtiyaç vardıryüksek uyarım şiddetleri ve farklı monopolar montages sırasında hayati beyin sapı fonksiyonları üzerine etkisi yanı sıra, TEKMER ve TAC arasındaki etkisini karşılaştırmak için.
Bu yüksek çözünürlüklü yapılandırması ilgi ek sefalik stimülasyon bipolar montaj sorunu önlemek için başka bir çözüm olduğunu unutmayın. Dört referans elektrotlar ile çevrili tek stimülasyon elektrot ile yüksek çözünürlüklü yapılandırması dört çevreleyen elektrotların altında merkez elektrot ve düşük akım yoğunluğu altında yüksek akım yoğunluğu yol açar. Stimülasyon etkisi akımı yoğunluğuna bağlıdır, bu iki elektrot konfigürasyonu 39 arasında iki yönlü modülasyon aksine yüksek çözünürlüklü yapılandırma için merkez elektrot altında tek yönlü bir modülasyon anlamına gelmektedir.
TAC tarafından uyarılan Görsel flicker algı ta yerleştirerek stimülasyon yoğunluğu için önemli bir sınırlayıcı faktörTACS retina uyarılması nedeniyle frontal lob CS elektrot. Özellikle, beta-band frekans TACS bile TACS 11 düşük yoğunlukta görsel titremeyi neden olur. 6 Hz'de bizim deneyim 0.9 mA DLPFK (F3 elektrot) üzerine (peak-to-peak) stimülasyon görsel titremesi hissi en aza indirmek için uygun bir yoğunluk seviyesidir.
Deney tasarımına bağlı olarak, bu (bu fonksiyon kullanılan Stimülatördeki için varsa) harici bir cihaza sahip stimülatörü kontrol etmek gerekebilir. Biz stimülatörü kontrol ve EEG amplifikatör tetikler göndermek (malzemelerin tablosunda daha donanım ve yazılım özelliklerine bakın) bir dalga analog çıkış kartını kullanın. (Malzeme Tablo) Burada kullanılan uyarıcısı durumunda, uzaktan kumanda ile akım çıkışının gürültü seviyesi gömülü stimülatörü arayüzü ile daha yüksektir. Dolayısıyla uzaktan kumanda seçeneği stimülatörü seçilmelidirSadece deneysel tasarım tarafından isteniyorsa.
EEG kanalları Giderme doygunluğu
Biz EEG amplifikatör ilgili kanalını doyurur EEG jel sonuçlarını sızıntı yoluyla TACS ve EEG elektrotları arasında köprü olduğunu göstermiştir ve bu elektrotlar (Şekil 5A) dan kayıt verilerini dışladı var. EEG kanalı doygunluk diğer nedenleri vardır. Bunun nedenlerinden biri amplifikatör kazancı çok dar ve gerilim kayıt çözünürlüğü göre ayarlanır edilmediğini olabilir. Bu durumda, gerilim kayıt çözünürlüğü TACS dışlayıcı büyüklük aralığını kapsamak için indirilmesi gerekmektedir. Bir başka neden kayıt sitesi stimülasyon sitesine çok yakın olmasıdır. Bu durumda, hatta çok kaba gerilim kayıt çözünürlüğü hala dışlayıcı yelpazeyi kapsamaktadır olmayabilir. Kayıt uzağa stimülasyon sitesinden yer olmalıdır.
Geçerli protokol kapsamlı eşzamanlı TACS-EEG deneyler için ayarları ve teknik hususlar göstermektedir. Yöntemler TACS sırasında kaliteli kayıt için TACS artefakt ve protokolleri kaldırmak ile TACS gerçekten beyin aktivitesi, ritmik dinamiklerin en belirgin özelliği anlayışımıza olması hız umut verici bir yöntem olacaktır.
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 |