Introduction
Rytmiske dynamik ekstracellulære elektriske strømme i hjernen er blevet observeret for et århundrede 1,2. Mens det meste af denne tid bliver betragtet som ikke-specifik støj i data, de i dag er almindeligt anset for at spille en hovedrolle i informationsbehandling i hjernen 3,4,5,6,7,8,9. Vores forståelse af årsagssammenhængen mellem bestemte frekvenser af oscillerende hjernens aktivitet og kognitive processer har avancerede i det sidste årti gennem udvikling af forskellige indgreb tilgange til direkte modulerende oscillerende aktivitet 8,10. Transcranial vekselstrøm stimulation (TAC) er en sådan lovende tilgang til at modulere rytmisk aktivitet i hjernen 10. TAC er en non-invasiv hjernestimulation metode, som anvender svag vekslende (sinusformede) strømme fra hovedbunden og modulerer ophidselse af hjernebarken i en frekvens-specifik måde 11, 12, </ sup> 13, 14, 15. Mens være en lovende teknik til at studere den rolle, rytmiske aktivitet i hjernen, de neurofysiologiske mekanismer af TAC er stadig undvigende. Flere undersøgelser har rapporteret effekter af TAC på perceptuelle 11,13,16,17,18 og motoriske funktioner 19,20,21,22, samt effekter på højere orden kognitive processer 23,24,25,26,27, 28 . Neurofysiologisk bevis for medrivning af hjernen svingninger efter stimulation er blevet præsenteret ved hjælp af EEG 13, 14, 15. Der er i øjeblikket få rapporter om neurofysiologisk bevismateriale i mennesker for en effekt af TAC under stimulering 12, 13, 22. Da hjernen er meget robust over for ekstern perturbation, er afgørende for at forstå de umiddelbare neurofysiologiske effekter af TAC'er sådan online beviser.
Electroencephalography (EEG), opfange elektrofysiologisk aktivitet i hjernen med høj tidsmæssig opløsning, er et ideelt valg for at studere endogene og indblandede oscillerende neurale aktiviteter. Nylige undersøgelser af Helfrich og kolleger rapporterede online neurofysiologiske virkninger af TAC, men samtidig måling EEG under TAC har vist sig vanskelig på grund af den fremtrædende TAC artefakt 12, 13. For vellykkede samtidige TAC'er-EEG eksperimenter, optagelse god kvalitet EEG data er et vigtigt aspekt, som er i fokus i den nuværende artikel, og på samme tid, før behandlingen metode til at fjerne TAC'erne artefakt er også afgørende. I vores laboratorium har vi udviklet vores egen forbehandling rørledning giver mulighed for fjernelse af TAC'erne artefakt fra EEG data 29. Her vil vi beskrive, hvordan man med held at optage EEG-signaler fra det område stimulering, og tekniske overvejelser er vigtige for en vellykket optagelse.
Protocol
Etik erklæring: Procedurer, der involverer mennesker blev godkendt af den etiske komité i Canton Bern (KEK-BE 007/14).
Bemærk: Figur 1 illustrerer montager, samt udformningen af TAC'erne elektroder (se også Diskussion), og EEG cap. Vi bruger en EEG hætte lavet af et elastisk materiale (figur 1D) at holde TAC elektrode fastgjort på hovedbunden.
1. montager
Bemærk: De repræsentative resultater opnås fra de følgende TAC'er elektrode montager.
- Montage 1: Sted begge elektroder på hovedbunden, i venstre dorsolaterale præfrontale cortex (DLPFC) (F3 elektrode) og venstre bageste parietale cortex (PPC) (P3 elektrode) (Figur 1A).
- Montage 2: Sted én TAC elektrode på hovedbunden ved venstre DLPFC (F3 elektrode), og placere et andet TAC elektrode på venstre skulder (figur 1B).
- Montage3: Sted én TAC elektrode på hovedbunden ved venstre PPC (P3 elektrode), og placere et andet TAC elektrode på venstre skulder (figur 1C).
2. Udarbejdelse af TAC elektroder
- Hvis en henvisning TAC'er elektrode vil blive placeret på skulderen (Montage 2 og 3), gøre dette først.
- Før du placerer skulderen elektrode, forberede huden med en slibende hud forbereder gel til EEG og elektrokardiografi. Brug en gaze pad til at skrubbe huden let med huden forbereder gel.
- Påfør EEG gel på TAC'erne elektroden og placere elektroden på skulderen.
- Fastgør elektroden på skulderen med tape.
- Sæt på EEG hætte. Justere placeringen af hætten i henhold til den internationale 10-20 systemet til elektrode positionering 30, og fastgør hage rem af EEG hætte.
- Mark blev at angive, hvor TAC'erne elektroden vil blive placeret på hovedbunden. Brug en vand-baseret røde pen, for det første fordi isolerende virkninger af farvemateriale af pennen reduceres, og for det andet, det let kan vaskes bort med vand.
- Hvis der er et problem med pennen ikke når til hovedbunden for mærkning, på grund af hullerne i EEG hætte til gel indsættelse være for stram (figur 1D), skal du bruge en træpind, f.eks træskaft af en vatpind .
- Paint spidsen af stokken grundigt og bruge dette tip til at markere hovedbunden.
- Fjern EEG hætten og kontrollere, om mærkningen var vellykket. Hvis det er nødvendigt, udfylde mærkningen, således at det kan let blive opdaget senere.
- Udfør følgende trin (2.5.1-2.5.4) afhængig af længden af deltagerens hår. Hvis deltageren har kort hår (op til ca. 10 centimeter), springe de følgende trin (det skal også bemærkes, at visse frisurer, såsom dread låse, gøre anvendelsen af TAC elektroder umuligt). Hvis deltageren har længere hair:
- Placer TAC'erne elektroden med centrum markeret med den røde plet på hovedbunden. Bemærk, at der ikke EEG-gel bør sættes på TAC'erne elektroden i dette øjeblik.
- Tråd ud hele håret inde i indre ring af TAC'erne elektrode.
- Binde gevind ud hår med kabelbindere. Vær opmærksom på at hår rundt TAC'erne elektroden ikke bliver bundet op med TAC'erne elektroden af kabelbindere.
- Efter at håret er blevet bundet, fjernes TAC'erne elektroden.
- Påfør EEG-gel til hovedbunden TAC elektrode.
- Før påføring af gelen, forbinde hovedbund og skulder TAC'er elektroder til stimulatoren, men ikke tænde for stimulator endnu. Påfør et tyndt lag af EEG gel på TAC'erne elektroden. En sparsom anvendelse af gel er vigtig.
- Placer forsigtigt TAC'erne elektroden tilbage på hovedet.
- Hvis deltageren har længere hår, tråde bundet hår tilbage gennem den indre hul af TAC elektroden, uden at det påuching EEG gel på TAC'erne elektroden.
- Mens placere TAC'erne elektroden, være meget opmærksomme på det røde mærke på hovedbunden holdes i midten af TAC'erne elektrode. Når TAC'erne elektroden er blevet placeret på hovedbunden, kan ikke længere ændres sin position.
- Fjern kabelbindere fra håret, når TAC'erne elektroden er blevet placeret.
- Tænd stimulatoren og overvåge impedans. Mens omhyggeligt lagt pres på TAC'erne elektroden, være meget opmærksomme, at den røde markering stedet altid holdes i midten af TAC'erne elektrode.
- Løft forsigtigt kanterne af TAC elektroden og anvende nogle mere EEG-gel under håret, ikke mellem TAC'erne elektrode og hår (figur 2). Dette er især vigtigt, hvis deltageren har en masse hår (se diskussionen).
- Fortsæt lægge pres på TAC'erne elektroden indtil impedans er stabilt under 10 kohm. Overvåg impedansTAC elektrode af TAC'erne stimulator.Carefully tilføje ekstra EEG-gel, hvis nødvendigt, men altid tyndt.
Bemærk: impedans TAC'erne elektrode overvåges af TAC'erne stimulator måles mellem TAC'er elektroder, som har den ulempe, ikke at give særskilte oplysninger for hver elektrode impedans værdi. Afhængig af EEG-forstærker system, kan det også være muligt at måle impedans på TAC'erne elektroder gennem dette, og så være i stand til at måle impedans for hver elektrode separat. - Vær opmærksom på enhver gel flygter fra TAC'erne elektrode, og fjerne overskydende EEG-gel med en vatpind.
3. Montering af EEG Cap
- Efter impedansen af TAC elektroder når under tærsklen på 10 kohm, montere EEG hætten igen. Sæt på EEG cap meget forsigtigt og omhyggeligt, især hvis materialet af EEG hætten er elastisk, da det ellers let at flytte placeringen af SCALp TAC'er elektrode under dette trin.
Bemærk: Skiftet af TAC'erne elektroden breder ud EEG-gel under TAC'erne elektroden og forårsager EEG gel til at bygge bro med EEG elektroder. Det er vigtigt ikke at trække ned en elastisk cap med kraft, da det kan få det til at vokse kraftigt bagefter, hvilket også ville resultere i at flytte TAC'erne elektroden. - Fastgør remmen af EEG hætte.
4. Fremstilling af EEG elektroder
- Påfør EEG gel af passende viskositet (som beskrevet i detaljer i diskussionen) til EEG-elektroder for at skabe kontakt mellem hovedbunden og EEG-elektroder. Begynd med jorden og reference- EEG elektroder. Derefter gå videre til elektroderne placeret i midten og omegn af TAC'erne elektrode. Derefter fortsættes til de resterende elektroder (se diskussion).
- For EEG elektroder omgiver TAC'erne elektroden, injicere gel med nålespidsen peger i en retning væk fra TAC'erne elektroden. Skub forsigtigt ned EEG elektroder mens anvendelse gel, således at gelen ikke undslippe fra under elektroderne.
- Brug en træpind at øge kontakten mellem EEG elektroder og hovedbunden, som illustreret i figur 3. Brug ikke nålespidsen til dette formål, da det vil skrabe deltagerens hovedbunden, og er endvidere ikke så effektive til dette formål.
- Tryk ned på gelen med stokken mod hovedbunden, og meget forsigtigt gnide hovedbunden med toppen af staven med en roterende bevægelse. Prøv at holde vinklen på pinden vinkelret på hovedbunden til elektroder placeret i en tæt nærhed af TAC'erne elektroden, som sideway bevægelser af pinden vil sprede sig gelen under elektroden. Hvis det er nødvendigt, anvende nogle mere EEG-gel, og derefter bruge træpind for yderligere at forbedre impedans.
- For at undgå at bygge bro via utætte gel (figur 4), være sparsommelige med at anvende gel til at sænke impedansen af EEG elektroder iumiddelbar nærhed af TAC'erne elektrode. Prøv i stedet at sænke impedans så meget som muligt ved hjælp af kun træpind, før man overvejer at tilføje mere gel.
- Når god impedans er opnået med træpind, forsigtigt indsætte og bringe ned nålen indtil spidsen af nålen rører hovedbunden, derefter forsigtigt anvende gel, mens du trækker nålen ud, og derved bidrage til at stabilisere kontakten mellem EEG elektrode og hovedbunden.
- Målet for EEG elektrode impedanser under 5 kohm for optimale data, da dette reducerer støj interferens og signal forvrængning.
- Når impedanser er blevet sænket til et passende niveau, test, om nogen bro mellem TAC'erne elektrode og de omkringliggende EEG elektroder på grund af utætte gel er blevet oprettet.
- Anvend korte sinusformet stimulation, med en intensitet på eksperimentelle interesser (f.eks 1 mA peak-to-peak).
Bemærk: På grund af begrænsninger i nogle systemer (se tabellen over materialer), er det not muligt at kontrollere for at bygge online, men kun ved at anvende stimulation og derefter kontrollere, om en kanal i EEG-forstærkeren bliver mættet. - Se, om nogen kanal er mættet samtidig stimulere.
Bemærk: Som det fremgår af de repræsentative resultater, bygge bro via utætte gel mellem TAC'erne og EEG elektroderne vil resultere i at mætte denne kanal af EEG forstærker og udelukke registrering af data fra disse elektroder. Det er ikke muligt at fortryde en bro via utæt gel, når det er fastslået. Den eneste mulighed er at afbryde forsøget.
- Anvend korte sinusformet stimulation, med en intensitet på eksperimentelle interesser (f.eks 1 mA peak-to-peak).
- Check impedanser gang mere. Så starte optagelsen.
Representative Results
Eksempler er vist af mislykkede og vellykkede samtidige TAC'er-EEG-målinger opnået fra to forskellige optagelser (figur 5). To TAC elektroder blev anbragt på hovedbunden (F3 og P3 elektroder) og intensiteten af TAC 0,9 mA (peak-to-peak). I det første eksempel blev F3 EEG elektrode bro med frontale TAC elektrode via gel (bemærk, at når at nævne "bygge bro" i hele diskussionen nedenfor, vi betegner dannelsen af en direkte forbindelse ved EEG-gel skaber en kontakt mellem TAC'erne og EEG elektroder). Den bygge bro straks mætter F3 kanal og EEG-signaler i løbet af TAC'er kunne ikke optages (figur 5A). I det andet eksempel blev EEG-signaler med succes optaget mens anvendelse TAC (figur 5B).
For at vurdere den rumlige fordeling af størrelsen af TAC'erne artefakt, denstørrelsen af TAC'erne artefakt blev beregnet under vellykket optagelse fås fra tre emner. TAC blev anvendt til enten DLPFC (F3 elektrode) eller PPC (P3 elektrode). Intensiteten af TAC var 0,9 mA (peak-to-peak) .Det blev observeret, at peak-to-peak størrelsen af TAC'erne artefakt omvendt var korreleret med afstanden mellem EEG og TAC'er elektrode (figur 6A og 6B). Hertil kommer, at placeringen af EEG referenceelektrode i forhold til TAC'erne elektroden påvirkede også den rumlige fordeling af størrelsen af TAC'erne artefakt tværs af EEG kanaler (figur 6A og 6B). Størrelsen af TAC'erne artefakt varierer fra 10 mV ved EEG elektroder fjernere fra det sted, stimulation, mens størrelsen kan nå op til 100 mV ved EEG elektrode midt TAC'erne elektrode. Forholdet mellem den nuværende intensitet TAC'er og størrelsen af artefakter ved nærheden afTAC elektrode blev også undersøgt (figur 7). Det udstillede lineære relationer og mættet spænding vifte af optagelse, når TAC strømstyrke var mere end 1,6 mA.
Figur 1. Illustration af montage. (A) Montage med to TAC elektroder placeret på hovedbunden (F3 og P3). (B) Montage med én TAC elektrode placeret på hovedbunden (F3) og en reference- TAC'er elektrode placeret på ipsilaterale skulder. (C) Montage med én TAC elektrode placeret på hovedbunden (P3) og en reference- TAC'er elektrode placeret på ipsilaterale skulder. (D) En elastisk EEG cap holder hovedbund TAC elektroden på plads under hætten. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Korrekt anvendelse af ekstra EEG-gel under en TAC elektrode. Ekstra EEG-gel skal anvendes under TAC'erne elektroden for at forbedre homogeniteten af forbindelsen til hovedbunden. Den ekstra gel bør anvendes mellem håret og hovedbunden (blå pil), og ikke mellem TAC'erne elektrode og hår, for at forbedre kontakten. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Forbedring af forbindelsen af EEG-elektroder på hovedbunden. (A) Anvend EEG gel til EEG elektroder med en sprøjte. Brug tip af nålen til at børste væk hår under EEG elektrode, derefter forsigtigt indsætte og nedbringe nålen, indtil spidsen af nålen rører hovedbunden. Påfør gel mens du trækker nålen ud, for at skabe en forbindelse mellem hovedbunden og EEG elektrode. (B) Brug en træpind (f.eks træskaft af en vatpind eller lignende) for yderligere at forbedre kontakten mellem EEG elektroder og hovedbunden. Tryk ned på gelen med stokken mod hovedbunden, og meget forsigtigt gnide hovedbunden med toppen af staven med en roterende bevægelse. Prøv at holde vinklen på pinden vinkelret på hovedbunden til elektroder placeret i en tæt nærhed af TAC'erne elektroden, som sideway bevægelser af pinden vil sprede sig gelen under elektroden. Hvis det er nødvendigt, anvende nogle mere EEG-gel, og derefter bruge træpind for yderligere at forbedre impedans. For elektroder placeret i en umiddelbar nærhed af TAC elektrode er det også vigtigt at være forsigtig med at anvende mere gel for det formål at forbedre kontakten. Snarere forsøge at forbedre kontakten så meget som muligt ved hjælp træpind. Endelig har endnu god impedans blevet opnået med træpind, tilføje nogle ekstra gel for at stabilisere kontakten mellem EEG elektrode og hovedbunden. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. Eksempel på utæt EEG-gel skaber direkte kontakt mellem TAC og EEG elektroder. Utætte EEG-gel, der skaber direkte kontakt mellem TAC og EEG elektrode, overholdes. Kan oprettes Bridging som denne mellem TAC'er og EEG-elektroder fx ved at tilføje en overskydende mængder af EEG gel under TAC'erne elektrode eller EEG elektrode i nærheden af TAC'erne elektroden,eller af TAC'erne elektrode flyttes. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. TAC'er mætter EEG-forstærkeren via bygge bro via gel. Rå data fra to forskellige optagelser, refereres til CPZ, under montage med hovedbund TAC elektroder placeret på DLPFC (F3 elektrode) og PCC (P3 elektrode). (A) Signalet registreret ved elektrode F3 er mættet på grund af at bygge bro via utætte EEG-gel mellem F3 EEG elektrode og TAC'erne elektroden. (B) Signaler med succes optaget fra alle elektroder. Størrelsen af TAC'erne artefakt på F3 elektroden overstiger mere end 50 mV. Klik her for at seen større version af dette tal.
Figur 6. Størrelsen af TAC'er artefakter tværs EEG kanaler. Peak-to-peak størrelser af TAC artefakter gennemsnit på tværs af tre fag (MV). Dataene er rå data, der henvises til CPZ. (A) Størrelsen af TAC'erne artefakt under montage med én hovedbund TAC elektrode placeret i venstre DLPFC (F3 elektrode) og andre TAC'er elektrode placeret på venstre skulder (Montage 2, figur 1B). (B) Størrelsen af TAC'erne artefakt under montage med én TAC elektrode placeret på venstre PPC (P3 elektrode) og andre TAC'er elektrode placeret på venstre skulder (Montage 3, figur 1C). (C) EEG kanal steder. Rød: kanal under stimulering site, blå: kanaler i umiddelbar nærhed af stimulation websted, Ref (fed sort): Referenceelektrode (CPZ). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7. Størrelsen af TAC'erne artefakt lineært korrelerer med intensiteten af stimulation. Peak-to-peak størrelsen af TAC'erne artefakt (mV) fra et emne på kanal F3. Intensiteter af 0,5 til 2 mA blev påført i trin på 0,1 mA. Dataene er rå data, der henvises til CPZ. Montage med én hovedbund TAC elektrode placeret i venstre DLPFC (F3 elektrode) og andre TAC'er elektrode placeret på venstre skulder (Montage 2, figur 1B). Dataene viser en perfekt lineært forhold mellem intensiteten af stimulation anvendes, og størrelsen af TAC artefakt, i intensiteten området fra 0,5 til 1.6 mA. Spændingen resolutionen blev sat til 150 mV, men Actual maksimal erhvervelse sortiment var 161,6 mV over hvilken signalet var mættet. Den stiplede linje markerer den maksimale rækkevidde af spændingen. Med stimulering intensiteter af 1,7 mA og højere, når resulterende artefakt størrelser var mere end 161,6 mV blev F3 kanal mættet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Procedurerne til at oprette samtidige TAC-EEG eksperimenter er beskrevet her. Vi går nu over til at diskutere overvejelser for opsætning af TAC-EEG optagelser, hvoraf de to første overvejelser er afgørende for en vellykket samtidige TAC-EEG optagelser.
Undgå TAC'er-EEG elektrode bygge bro via gel
Det er afgørende at undgå at bygge bro mellem EEG og TAC'er elektroder gennem utætte EEG-gel, som bygge bro umiddelbart mætter den respektive kanal på en EEG-forstærker. Af denne grund viskositeten af EEG gel er en afgørende parameter for en vellykket TAC-EEG-optagelse. Brug aldrig en flydende EEG-gel, som en væske EEG gel risici flygter ud fra TAC'er elektrode og bro med tilstødende EEG elektroder. Samtidig, en meget viskos gel EEG har en ulempe i at trænge ind i håret og smøre huden for at reducere impedansen. For EEG elektroder i umiddelbar nærhed af TAC elektroden, kan en mere tyktflydende gel be anvendes, som man kan bruge en træpind at sænke impedans. For TAC'erne og resterende EEG elektroder, skal du bruge en lidt mindre tyktflydende (dog stadig ikke væske) EEG-gel. Denne type gel kræver mindre indsats til lavere impedanser. Da det er vanskeligt at skrabe under TAC'erne elektroden, er det bedre at bruge en lidt mindre tyktflydende gel her.
Beskæftiger sig med TAC artefakt størrelser
Det andet spørgsmål er til at håndtere den store størrelse af TAC'erne artefakt, der spænder fra 10 mV ved EEG elektroder fjernt fra det område stimulering, til mere end 100 mV på det sted, stimulering under den nuværende stimulering intensitet på 0,9 mA (figur 6) . Figur 7 illustrerer den lineære sammenhæng mellem stimulation intensiteter (0,5 til 2,0 mA peak-to-peak), og den resulterende størrelse af artefakt på stedet for stimulation (kanal F3). En første foranstaltning er at holde en lav impedans på både EEG og TAC'er elektroder. Utilstrækkeligkontakt mellem TAC'erne elektrode og hovedbunden skaber større amplituder af TAC artefakt i EEG data, og derudover anvendt elektronisk strøm ville tendens til at være inhomogen. For det andet, er man nødt til at overveje opløsningsniveauet af A / D-konverteren af EEG-systemet. En 24 bit A / D-konverter kan teoretisk dækker en række 1,68 V med en 0,1 μV / bit opløsning. Derimod vil en 16 bit A / D konverter med en 0,1 μV / bit opløsning dækker et spændingsområde på 6,5 mV - for lav til at dække det område af TAC artefakt (figur 6). Derfor skal sænkes spændingen optagelse opløsning. For at dække artefakt størrelser på op til 100 mV ved stedet for stimulering med en 16 bit-system, vil spændingen optagelse opløsning teoretisk skal sænkes til over 1,53 μV / bit. Faktisk seneste samtidige TAC'er-EEG studier med et 16 bit system kan ikke optage EEG-signaler i nærheden af stimulering stedet på grund af mætning af AMPL ifier selv når beslutningen blev sænket til 0,5 μV / bit 12,13.
Overvejelser til reduktion af elektrodeimpedans
Grunden til først begynde at arbejde på impedanser af EEG elektroder placeret i midten eller nærhed af TAC elektroden, er, at disse EEG elektroder kræver nogle tålmodige og omhyggelige arbejde for at undgå brodannelse. Ved at starte med disse elektroder, der er tid til at vente, indtil det påførte gel har haft lidt tid til at smøre hovedbunden, før man overvejer at anvende mere EEG-gel, hvis nødvendigt. Yderligere gel bør anvendes under TAC'erne elektroden, når den er placeret på hovedbunden, især hvis deltageren har en masse hår. Årsagen er ikke bare at reducere impedans - god impedans kan opnås uden dette skridt - men for at opnå en ensartet forbindelse med hovedbunden hele overfladen af TAC'erne elektrode.
Design og montage overvejelser
ntent "> Figur 1 illustrerer montage af TAC'erne elektroder. Den doughnut-formede design af hovedbund TAC elektrode / elektroder og den rektangulære skulder TAC elektrode er afbildet. Formen på hovedbund TAC elektrode giver mulighed for en EEG elektrode skal placeres i midten af den stimulerede område. En fordel ved den doughnut formede design er, at det bliver muligt at optage signalet fra den stimulerede område. For det andet, det gør det også nemt at holde positionen af TAC elektroden uændret. Afhængigt af stedet for stimulation, en anden form af TAC'erne elektroden ville være mere passende. en rektangulær TAC elektrode form er bedre egnet, når du optager fra en side i mellem EEG elektroder.Det bør advares om, at formen og positionen af TAC'erne elektroden ikke er det samme som det areal, der faktisk bliver stimuleret, men kan være lidt forskudt 31. Når det besluttes positionen af TAC elektroder, modellering af den aktuelle flav til at estimere den bedste placering af elektroder til at målrette området af interesse er altid kraftigt.
Den nuværende opsætning er egnet til modulering af rytmisk aktivitet i store netværk. Mere focal stimulering kan opnås på flere måder 13, 32, 33, 34. Først reducere størrelsen af TAC'erne elektrode. Nitsche og kolleger har vist, at et 3,5 cm2 elektrode kan modulere ophidselse af den motoriske hjernebark med TDCs 32. En anden metode er at udnytte et high-definition-konfiguration 13,33,34, hvor den ene stimulationselektrode er omgivet af fire referenceelektroder. En anden fordel ved den high definition konfiguration er, at tætheden af EEG-elektroder kan øges, da konventionelle gummi elektroder begrænser plads til at placere EEG elektroder og tres fire EEG elektroder ikke er muligt at gennemføre i den nuværende opsætning. Mens thESE ændringer for højere rumlig specificitet kræver forskellige opsætning, de tekniske overvejelser, der beskrives her gælder stadig.
I denne protokol vi placerer TAC'erne elektroder i henhold til den internationale 10-20 systemet til EEG elektrode positionering 30. Whileindividual optimering af en stimulering placering ville være alternativet, det kan udgøre et problem for sammenligning, når variere stimulation placering blandt individer i eksperimentet, som stimulering webstedet varierer i forhold til EEG optagelse websteder. Den nyligt demonstreret kombinerede brug af magnetoencephalography (MEG) og TAC'er ved Neuling og kolleger 35, kan løse dette problem og TAC'er artefakt-relaterede problemer, som rumlige filtrering metoder med MEG beamforming gør det muligt at estimere hjerneaktivitet uafhængig af en TAC websted.
Med hensyn til montage, er to monopolære montager beskrevet her, dvs med extracephalic placeringen af referenceelektroden (figur 1B og 1C), og en unipolær montage, dvs med begge elektroder placeret på hovedbunden (figur 1A) (se yderligere klassificeringer elektrode montager af Nasseri et al. 36). Fordelen ved at anvende en monopolar montage er undgåelse af yderligere cephalic stimulering af nogen interesse for undersøgelsen. Den primære bekymring, når du vælger en monopolær montage er strømmen dog subkortikale strukturer, herunder hjernestammen, med den potentielle risiko for modulerende vitale hjernestamme funktioner. Både extracephalic og ipsilaterale skulder placering af referenceelektroden er blevet bekræftet ikke at modulere hjernestamme funktioner til 1 mA intensitet TDCs 37,38 (f.eks pulsvariationen, respirationsfrekvens og blodtryk). Som monopolar montage kan have klare fordele afhængigt af den eksperimentelle design, der er behov for omfattende afprøvningvirkningen på vitale hjernestamme funktioner under højere stimulation intensiteter og forskellige monopolære montager, samt til sammenligning påvirkningen mellem TDCs og TAC.
Bemærk, at high-definition konfiguration er en anden løsning til at undgå problemet med den bipolære montage af yderligere cephalic stimulering af nogen interesse. HD-konfiguration med en stimulationselektrode omgivet af fire reference elektroder fører til høj strømtæthed under midterelektroden og lav strømtæthed under de fire omkringliggende elektroder. Som effekten af stimulation afhænger af densiteten af den nuværende, betyder det en ensrettet graduering i henhold til centerelektroden for high-definition konfiguration, i modsætning til den tovejs modulation af en to-elektrode-konfiguration 39.
Visuel flimmer opfattelse fremkaldt af TAC er en kritisk begrænsende faktor for stimulering intensitet, når du placerer TACS elektrode på frontallappen, på grund af retinal stimulation af TAC'er. Især TAC'er på beta-band frekvens inducerer visuel flimrende selv ved lav intensitet af TAC 11. Det er vores erfaring 0,9 mA (peak-to-peak) stimulation over DLPFC (F3 elektrode) ved 6 Hz er en egnet intensitetsniveau at minimere følelsen af visuelle flimmer.
Afhængigt af udformningen af forsøget, kan det være nødvendigt at styre stimulatoren med en ekstern enhed (hvis denne funktion er tilgængelig for stimulator anvendes). Vi bruger en bølgeform analog udgang bord til at styre stimulatoren og sende udløser til EEG-forstærker (se yderligere hardware og software specifikationerne i tabellen af materialer). I tilfælde af stimulatoren, bruges her (se tabel of Materials), støjniveau strømudgang med fjernbetjeningen er højere end med den integrerede stimulator interface. Derfor stimulator skal vælges mulighed for at fjernbetjeningkun hvis det kræves af den eksperimentelle design.
Fejlfinding mætning af EEG kanaler
Vi har vist, at bygge bro mellem de TAC'er og EEG-elektroder via utætte EEG gel resulterer i at mætte den respektive kanal af EEG forstærker og udelukker registrering af data fra disse elektroder (figur 5A). Der er andre grunde til mætning af en EEG-kanal. En årsag kan være, at gevinsten af forstærkeren er for snæver, og spændingen optagelse opløsning er ikke blevet justeret i overensstemmelse hermed. I dette tilfælde skal sænkes for at dække det område af størrelsen af TAC'erne artefakt spændingen optagelse opløsning. En anden grund er, at optagestedet er for tæt på stimulering site. I dette tilfælde, måske endda en meget grov spænding optagelse opløsning stadig ikke dækker området af artefakt. Optagelse skal placeres længere væk fra stimulering site.
Den nuværende proprotokol omfattende viser de indstillinger og tekniske overvejelser for samtidige TAC'er-EEG eksperimenter. Med metoder til at fjerne TAC'erne artefakt og protokoller for god kvalitet optagelse under TAC'er vil TAC'erne virkelig være en lovende metode tofurther vores forståelse af de mest fremtrædende træk ved hjernens aktivitet, rytmiske dynamik.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Berger, P. D. H.
- Finger, S. Origins of Neuroscience: A History of Explorations Into Brain Function. , Oxford University Press. New York. (2001).
- Engel, A. K., Fries, P., Singer, W. Dynamic predictions: oscillations and synchrony in top-down processing. Nat Rev Neurosci. 2 (10), 704-716 (2001).
- 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).
- Fries, P. A mechanism for cognitive dynamics: neuronal communication through neuronal coherence. Trends Cogn Sci. 9 (10), 474-480 (2005).
- Canolty, R. T., Knight, R. T. The functional role of cross-frequency coupling. Trends Cogn Sci. 14 (11), 506-515 (2010).
- Fell, J., Axmacher, N. The role of phase synchronization in memory processes. Nat Rev Neurosci. 12 (2), 105-118 (2011).
- Thut, G., Miniussi, C., Gross, J. The functional importance of rhythmic activity in the brain. Curr Biol. 22 (16), R658-R663 (2012).
- Buzsáki, G., Draguhn, A.
- Paulus, W. Transcranial electrical stimulation (tES - tDCS; tRNS, tACS) methods. Neuropsychol Rehabil. 21 (5), 602-617 (2011).
- 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).
- 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).
- Helfrich, R. F., et al. Selective modulation of interhemispheric functional connectivity by HD-tACS shapes perception. PLoS Biol. 12 (12), e1002031 (2014).
- Zaehle, T., Rach, S., Herrmann, C. S. Transcranial alternating current stimulation enhances individual alpha activity in human EEG. PloS One. 5 (11), e13766 (2010).
- 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).
- Feurra, M., Paulus, W., Walsh, V., Kanai, R. Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol. 2, 13 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Santarnecchi, E., et al. Frequency-dependent enhancement of fluid intelligence induced by transcranial oscillatory potentials. Curr Biol. 23 (15), 1449-1453 (2013).
- 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).
- Jaušovec, N., Jaušovec, K. Increasing working memory capacity with theta transcranial alternating current stimulation (tACS). Biol Psychol. 96, 42-47 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Morishima, Y., Fehér, K. D. A method for removing tACS artifacts from EEG data. Program No. 303.05. Neuroscience 2014 Abstracts. , Society for Neuroscience. Washington, D.C. Online (2014).
- Jasper, H. H. The ten twenty electrode system of the international federation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 10, 371-375 (1958).
- 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).
- 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).
- Villamar, M. F., Volz, M. S., Bikson, M., Datta, A., Dasilva, A. F., Fregni, F. Technique and considerations in the use of 4x1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). J Vis Exp. (77), e50309 (2013).
- 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).
- 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).
- Nasseri, P., Nitsche, M. A., Ekhtiari, H. A framework for categorizing electrode montages in transcranial direct current stimulation. Front Hum Neurosci. 9, 54 (2015).
- 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).
- Santarnecchi, E., et al. Time Course of Corticospinal Excitability and Autonomic Function Interplay during and Following Monopolar tDCS. Front Psychiatry. 5, 86 (2014).
- 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).
