Introduction
Rytmiske dynamikken i ekstracellulære elektriske strømmer i hjernen er blitt observert i et århundre 1,2. Mens mesteparten av denne tiden blir betraktet som ikke-spesifikk støy i dataene, i dag de er allment ansett for å spille en hovedrolle i informasjonsbehandling i hjernen 3,4,5,6,7,8,9. Vår forståelse av årsakssammenheng mellom bestemte frekvenser i oscillasjon hjernens aktivitet og kognitive prosesser har avansert i det siste tiåret gjennom utvikling av ulike inngrep tilnærminger for direkte moduler oscillasjon aktivitet 8,10. Transkraniell vekselstrøm stimulering (TACS) er en slik lovende tilnærming til å modulere rytmisk aktivitet i hjernen 10. TACS er en ikke-invasiv hjernestimulasjon metode, som gjelder svake veksel (sinusformet) strømmer fra hodebunnen og modulerer eksitabilitet i hjernebarken i et frekvens-spesifikk måte 11, 12, </ sup> 13, 14, 15. Samtidig som en lovende metode for å studere rollen til rytmisk aktivitet i hjernen, nevrofysiologiske mekanismer for TACS er fortsatt ukjent. Flere studier har rapportert effekter av kvoter på perseptuelle 11,13,16,17,18 og motoriske funksjoner 19,20,21,22, samt effekter på høyere orden kognitive prosesser 23,24,25,26,27, 28 . Nevrofysiologiske bevis for medføring av hjerne svingninger etter stimulering har vært presentert ved hjelp av EEG 13, 14, 15. Det er i dag få rapporter om nevrofysiologiske bevis hos mennesker for en effekt av kvoter under stimulering 12, 13, 22. Som hjernen er svært robust for ytre forstyrrelse, er en slik online bevis avgjørende for å forstå den umiddelbare nevrofysiologiske effekter av kvoter.
Electroencephalography (EEG), fange elektrofysiologisk aktivitet i hjernen med høy tidsoppløsning, er et ideelt valg for å studere endogen og medrevne oscillasjon nevrale aktiviteter. Nyere studier av Helfrich og kolleger rapporterte online nevrofysiologiske effekter av kvoter, men samtidig måle EEG under TACS har vist seg vanskelig på grunn av den fremtredende TACS artefakt 12, 13. For vellykket samtidige TACS-EEG-eksperimenter, opptak av god kvalitet EEG data er en viktig del, som er i fokus for det aktuelle artikkel, og samtidig som den pre-prosesseringsmetode for å fjerne TACS gjenstanden er også avgjørende. I vår lab, har vi utviklet vår egen pre-prosessering rørledning åpner for fjerning av TACS gjenstanden fra EEG data 29. Her vil vi beskrive hvordan du lykkes i å ta EEG-signaler fra området av stimulering, og tekniske hensyn viktige for vellykkede opptak.
Protocol
Etikk uttalelse: Prosedyrer som omfatter mennesker ble godkjent av etisk komité for Canton Bern (KEK-BE 007/14).
NB: Figur 1 illustrerer montasjer, så vel som utformingen av TACS elektrodene (se også diskusjon), og EEG cap. Vi bruker en EEG hette av et elastisk materiale (figur 1D) for å holde TACS elektroden er festet i hodebunnen.
1. Montages
Merk: De representative resultatene er hentet fra følgende TACS elektrode montasjer.
- Montage 1: Plasser begge elektroder i hodebunnen, på venstre dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) (F3 elektrode) og venstre bakre parietal cortex (PPC) (P3 elektrode) (figur 1A).
- Montage 2: Plasser ett TACS elektrode i hodebunnen til venstre DLPFC (F3 elektrode), og plassere en annen TACS elektrode på venstre skulder (figur 1B).
- Montage3: Plasser en TACS elektrode i hodebunnen på venstre PPC (P3 elektrode), og plassere en annen TACS elektrode på venstre skulder (figur 1C).
2. Utarbeidelse av TACS Elektroder
- Hvis en referanse TACS elektroden vil bli plassert på skulderen (Montage 2 og 3), gjør dette først.
- Før du plasserer skuld elektrode, forberede huden med en slipende hud forbereder gel for EEG og EKG. Bruk en kompress å skrubbe huden lett med huden forbereder gel.
- Påfør EEG gel på TACS elektroden og plassere elektroden på skulderen.
- Fest elektroden på skulderen med tape.
- Sett på EEG cap. Justere plasseringen av lokket i henhold til den internasjonale 10-20 system for posisjonering elektrode 30, og feste hakestropp av EEG hetten.
- Mark oppfattet å indikere hvor TACS elektroden vil bli plassert i hodebunnen. Bruk en vann-basert rød penn, for det første fordi isolerende effekten av fargemateriale på pennen er redusert, og for det andre, den kan lett vaskes bort med vann.
- Hvis det er et problem med pennen ikke rekker til hodebunnen for merking, på grunn av hull i EEG cap for gel innsettingen blir for stram (figur 1D), bruk en trepinne, for eksempel tre håndtaket på en bomullspinne .
- Maling tuppen av pinnen grundig og bruke dette tipset for å markere hodebunnen.
- Ta av EEG cap og sjekk om merkingen var vellykket. Hvis nødvendig, fyll i merkingen, slik at det kan lett bli oppdaget senere.
- Utfør følgende trinn (2.5.1-2.5.4) avhengig av lengden på deltakerens hår. Dersom deltakeren har kort hår (opp til ca 10 centimeter), hoppe over følgende trinn (det bør også nevnes at visse frisyrer, som dread låser, gjøre bruk av TACS elektroder umulige). Dersom deltakeren har lengre hair:
- Plasser TACS elektroden med sitt sentrum preget av den rød flekk i hodebunnen. Legg merke til at ingen EEG gel bør settes på TACS elektrode i dette øyeblikk.
- Træ ut alt håret innenfor den indre ringen av TACS elektroden.
- Bind den gjengede ut håret med kabelstrips. Vær oppmerksom på at håret rundt TACS elektroden ikke blir bundet opp med TACS elektrode av kabelstrips.
- Etter at håret er blitt bundet, fjerne TACS elektroden.
- Påfør EEG gel til hodebunnen TACS elektroden.
- Før du påfører gel, kobler hodebunnen og skulder TACS elektroder til stimulator, men ikke slå på stimulatoren ennå. Påfør et tynt lag med EEG gel på TACS elektroden. En sparsom anvendelse av gel er viktig.
- Plasser forsiktig TACS elektroden tilbake på hodet.
- Dersom deltakeren har lengre hår, træ bundet håret tilbake gjennom hullet for TACS elektrode, uten at det åuching EEG gel på TACS elektroden.
- Mens plassere TACS elektrode, følger nøye med på det røde merket på hodebunnen blir holdt i midten av kvoter elektroden. Når TACS elektroden er plassert i hodebunnen, kan dens stilling ikke lenger endres.
- Fjern de kabelstrips fra håret når TACS elektroden er plassert.
- Slå på stimulator og overvåke impedans. Mens nøye sette litt press på TACS elektrode, tar hensyn at den røde markeringen sted er alltid holdes i midten av kvoter elektroden.
- Løft forsiktig kantene på TACS elektroden og anvende noen mer EEG gel under håret, ikke mellom TACS elektroden og hår (figur 2). Dette er spesielt viktig hvis deltakeren har mye hår (se omtale).
- Fortsett å legge press på den TACS elektroden til impedansen er stabilt under 10 kohm. Overvåke impedansen tilTACS elektrode av TACS stimulator.Carefully legge ekstra EEG gel om nødvendig, men alltid tynt.
Merk: Impedansen til TACS elektroden overvåkes av TACS stimulatoren blir målt mellom elektrodene TACS, som har den ulempe at de ikke tilveiebringe separate informasjon impedans verdi for hver elektrode. Avhengig av EEG forsterkersystemet, kan det også være mulig å måle impedans på TACS elektrodene gjennom denne, og deretter være i stand til å måle impedansen for hver elektrode for seg. - Vær oppmerksom på eventuelle gel rømmer fra TACS elektrode, og fjerne overflødig EEG gel med en bomullspinne.
3. Montering av EEG Cap
- Etter impedansen TACS elektrodene når under grensen på 10 kohm, montere EEG hetten igjen. Sett på EEG hetten meget forsiktig og nøye, spesielt hvis materialet i EEG lokket er elastisk, da det ellers er lett å flytte posisjonen til scalp TACS elektrode i dette trinnet.
Merk: Skiftet av TACS elektroden sprer ut EEG gel under TACS elektroden og fører til at EEG gel å bygge bro med EEG elektroder. Det er viktig ikke å trekke ned en elastisk lue med makt, da dette kan føre til at den returen etterpå, som også vil resultere i å flytte kvoter elektroden. - Fest stroppen av EEG cap.
4. Utarbeidelse av EEG elektroder
- Anvende EEG gel av passende viskositet (som beskrevet i detalj i diskusjonen) til EEG-elektroder for å opprette kontakt mellom hodebunnen og EEG-elektroder. Begynn med bakken og referanse EEG elektroder. Deretter går du videre til elektrodene plassert i midten, og nærhet av kvoter elektroden. Deretter fortsetter til de resterende elektroder (se diskusjon).
- For EEG-elektroder som omgir elektroden TACS, injiserer gel med nålespissen pekende i en retning bort fra TACS elektroden. Trykk forsiktig ned EEG elektroder mens søknad gel, slik at gelen ikke slipper ut fra under elektrodene.
- Bruk en trepinne for å øke kontakten mellom EEG-elektroder og hodebunnen, som vist på figur 3. Ikke bruk nålespissen for dette formål, som det vil skrape deltakerens hodebunnen, og er dessuten ikke så effektiv for dette formål.
- Trykk ned gelen med stokken mot hodebunnen, og veldig forsiktig gni hodebunnen med toppen av pinnen med en roterende bevegelse. Prøv å holde vinkelen av pinnen ortogonalt til hodebunnen for elektrodene befinner seg i en tett nærhet av TACS elektrode, som sideveisbevegelser av pinnen vil spre ut gelen under elektroden. Hvis det er nødvendig, bruke litt mer EEG gel, og deretter bruke trepinne å ytterligere forbedre impedans.
- For å unngå å bygge bro via lekkasje gel (figur 4), være sparsommelig med påføring av gelen for å senke impedansen av EEG-elektroder iumiddelbar nærhet av TACS elektroden. Prøv heller å senke impedansen så mye som mulig ved hjelp av kun trepinne, før man vurderer å legge mer gel.
- Når god impedans er oppnådd med trepinne, nøye sette inn og ta ned nålen til spissen av nålen berører hodebunnen, da gjelde forsiktig gel mens du trekker kanylen ut, og dermed bidra til å stabilisere kontakten mellom EEG elektroden og hodebunn.
- Målet for EEG elektrode impedanser under 5 kohm for optimale data, da dette reduserer støy interferens og signalforstyrrelser.
- Når impedansene har blitt senket til riktig nivå, test om noen bro mellom TACS elektroden og omkringliggende EEG elektroder på grunn av lekker gel har blitt opprettet.
- Anvende korte stimulering sinusformet, med en intensitet av eksperimentelle interesse (for eksempel 1 mA peak-to-peak).
Merk: På grunn av begrensninger i enkelte systemer (se tabell av materialer), er det not mulig å sjekke for å bygge bro på nettet, men bare gjennom å søke stimulering og deretter sjekke om noen kanal av EEG forsterkeren blir mettet. - Se om noen kanal er mettet og stimulerer.
Note: Som det fremgår av de representative resultater, brodannende via lekkende gel mellom TACS og EEG-elektroder vil resultere i mette denne kanalen av EEG-forsterker, og utelukke registrering av data fra disse elektrodene. Det er ikke mulig å angre en bro via lekker gel når det har blitt etablert. Det eneste alternativet er å avbryte forsøket.
- Anvende korte stimulering sinusformet, med en intensitet av eksperimentelle interesse (for eksempel 1 mA peak-to-peak).
- Sjekk impedanser gang. Deretter begynner innspillingen.
Representative Results
Eksempler er vist mislykkede og vellykkede samtidige TACS-EEG-målinger innhentet fra to ulike innspillinger (figur 5). To TACS elektroder ble plassert på hodebunnen (F3 og P3 elektroder) og intensiteten av TACS var 0,9 mA (topp-til-topp). I det første eksemplet ble F3 EEG elektrode bro med frontal TACS elektrode via gel (merk at når nevne "bygge bro" gjennom diskusjonen nedenfor, betegne vi dannelsen av en direkte forbindelse med EEG gel skape en kontakt mellom kvoter og EEG elektroder). Den bridging umiddelbart metter F3 kanal og EEG-signaler under TACS kunne ikke tas opp (Figur 5A). I det andre eksemplet, ble EEG-signaler korrekt registrert mens søknad TACS (Figur 5B).
For å evaluere den romlige fordelingen av størrelsen på TACS gjenstand, iStørrelsen på TACS gjenstanden ble beregnet under erholdt fra tre fag vellykket opptak. TACS ble påført enten den DLPFC (F3 elektrode) eller PPC (P3 elektrode). Intensiteten av TACS var 0,9 mA (topp-til-topp) .Det ble observert at peak-to-peak Størrelsen på TACS gjenstanden var inverst korrelert med avstanden mellom EEG og TACS elektrode (figur 6A og 6B). I tillegg er posisjonen til EEG referanseelektroden i forhold til det TACS elektroden påvirkes også den romlige fordelingen av størrelsen av den TACS gjenstanden på tvers av EEG-kanaler (figur 6A og 6B). Størrelsen på TACS gjenstanden i området fra 10 mV til EEG-elektroder mer fjerntliggende fra området av stimulering, mens størrelsen kan nå opp til 100 mV ved EEG-elektroden i midten av TACS elektroden. Forholdet mellom strømstyrker på TACS og størrelsen av gjenstander i nærheten avTACS Elektroden ble også undersøkt (figur 7). Det viste lineære sammenhenger og mettet spenningen spekter av opptaket når TACS strømstyrken var mer enn 1,6 mA.
Figur 1. Illustrasjon av montasje. (A) Montage med to TACS elektroder plassert på hodebunnen (F3 og P3). (B) Montage med en TACS elektrode plassert på hodebunnen (F3) og en referanseelektrode som er plassert på TACS ipsilaterale skulderen. (C) Montage med en TACS elektrode plassert på hodebunnen (P3) og en referanseelektrode som er plassert på TACS ipsilaterale skulderen. (D) En elastisk EEG cap holder hodebunnen TACS elektroden på plass under hetten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Riktig bruk av ytterligere EEG gel under en TACS elektrode. Ytterligere EEG gelen skal anvendes under TACS elektroden for å forbedre homogeniteten av forbindelsen til hodebunnen. Den ekstra gel bør påføres mellom håret og hodebunnen (blå pil), og ikke mellom TACS elektroden og hår, for å bedre kontakten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Forbedring tilkobling av EEG-elektroder til hodebunnen. (A) Påfør EEG gel til EEG-elektroder ved hjelp av en sprøyte. Bruk tip av nålen å børste vekk hår under EEG elektroder, deretter forsiktig sette inn og ta ned nålen til spissen av nålen berører hodebunnen. Påfør gel mens du trekker nålen ut, for å skape en forbindelse mellom hodebunnen og EEG elektroden. (B) Bruk en trepinne (f.eks trehåndtak av en bomullspinne eller lignende) for ytterligere å bedre kontakten mellom EEG elektroder og hodebunnen. Trykk ned gelen med stokken mot hodebunnen, og veldig forsiktig gni hodebunnen med toppen av pinnen med en roterende bevegelse. Prøv å holde vinkelen av pinnen ortogonalt til hodebunnen for elektrodene befinner seg i en tett nærhet av TACS elektrode, som sideveisbevegelser av pinnen vil spre ut gelen under elektroden. Hvis det er nødvendig, bruke litt mer EEG gel, og deretter bruke trepinne å ytterligere forbedre impedans. For elektroder plassert i en tett nærhet av TACS elektroden er det også viktig å være forsiktig med å bruke mer gel for den hensikt å forbedre kontakten. Heller prøve å forbedre kontakten så mye som mulig ved hjelp trepinne. Til slutt, har nok en god impedans er oppnådd med trepinne, legge til litt ekstra gel for å stabilisere kontakten mellom EEG elektroden og hodebunnen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. Eksempel på lekker EEG gel opprette direkte kontakt mellom TACS og EEG-elektroder. Lekkasje EEG gel, noe som skaper direkte kontakt mellom TACS og EEG-elektroden, er observert. Bro som dette mellom TACS og EEG-elektroder kan skapes for eksempel, ved tilsetning av et overskudd av EEG gel under TACS elektrode eller EEG-elektrode i nærheten av elektroden TACS,eller ved TACS elektroden blir flyttet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. TACS metter EEG forsterkeren gjennom å bygge bro via gel. Rådata fra to ulike innspillinger, refererte til CPZ, under montage med hodebunnen TACS elektroder plassert på DLPFC (F3 elektrode) og PCC (P3 elektrode). (A) Det signal som registreres på elektroden F3 er mettet på grunn av brodannende via lekk EEG gel mellom F3 EEG elektrode og TACS elektroden. (B) Signaler er vellykket registrert fra alle elektroder. Størrelsen på TACS artefakt på F3 elektrode stiger mer enn 50 mV. Klikk her for å seen større versjon av dette tallet.
Figur 6. Størrelsen på TACS gjenstander på tvers av EEG-kanaler. Peak-to-peak størrelsene av TACS gjenstander i gjennomsnitt over tre fag (mV). Dataene er rådata, refererte til CPZ. (A) Størrelsen på TACS gjenstand under montage med ett hodebunnen TACS elektrode plassert på venstre DLPFC (F3 elektrode) og den andre TACS elektroden plassert på venstre skulder (Montage 2, figur 1B). (B) Størrelsen på TACS gjenstand under montage med ett TACS elektrode plassert på venstre PPC (P3 elektrode) og den andre TACS elektroden plasseres på venstre skulder (Montage 3, figur 1C). (C) EEG kanal steder. Red: kanalen under stimulering nettstedet, blå: kanaler i nærhet av stimulering nettstedet, Ref (fet svart): Referanseelektrode (CPZ). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7. Størrelsen på TACS gjenstanden lineært korrelerer med intensiteten av stimuleringen. Peak-til-topp-størrelse på TACS gjenstanden (mV) fra en gjenstand på kanal F3. Intensiteter av 0,5 til 2 mA ble anvendt i trinn på 0,1 mA. Dataene er rådata, refererte til CPZ. Montage med ett hodebunnen TACS elektrode plassert på venstre DLPFC (F3 elektrode) og den andre TACS elektroden plassert på venstre skulder (Montage 2, figur 1B). Dataene viser en perfekt lineært forhold mellom intensiteten av stimulering anvendt og størrelsen av TACS gjenstand, i intensiteten området på 0,5 til 1,6 mA. Spenningen Vedtaket ble satt til 150 mV, men actual maksimal oppkjøpet utvalg var 161,6 mV utover som signalet ble mettet. Den stiplede linjen angir den maksimale rekkevidde av spenningen. Med stimulerings intensiteter på 1,7 mA og høyere, da resulterer artefakt størrelsene var mer enn 161,6 mV, ble F3 kanal mettet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Discussion
Prosedyrene for å sette opp samtidige TACS-EEG eksperimenter er beskrevet her. Vi slår nå for å diskutere betraktninger for oppsett av TACS-EEG opptak, hvorav de to første hensyn er avgjørende for vellykkede samtidige TACS-EEG opptak.
Unngå TACS-EEG elektroder bridging via gel
Det er avgjørende å unngå å bygge bro mellom EEG og TACS elektroder gjennom lekker EEG gel, som å bygge bro umiddelbart metter den respektive kanalen for en EEG forsterker. Av denne grunn viskositet av EEG gel er en avgjørende parameter for en vellykket TACS-EEG-opptak. Bruk aldri en væske EEG gel, som en væske EEG gel risiko rømmer ut fra TACS elektroden og bru med tilstøtende EEG elektroder. På samme tid har en meget viskøs gel EEG en ulempe i å trenge inn i håret og smører huden for å redusere impedansen. For EEG elektroder i nærheten av TACS elektrode, kan en mer tyktflytende gel be brukt, som man kan bruke en trepinne til å senke impedansen. For TACS og gjenværende EEG elektroder, bruke en litt mindre viskøs (men fortsatt ikke væske) EEG gel. Denne typen gel krever mindre innsats til lavere impedanser. Ettersom det er vanskelig å skrape under TACS elektrode, er det bedre å bruke en litt mindre viskøs gel her.
Håndteringen TACS artefakt størrelser
Det andre problemet er å håndtere den store størrelsen på TACS gjenstanden, i området fra 10 mV til EEG-elektroder fjernt fra området av stimuleringen, til mer enn 100 mV på stedet av stimulering i løpet av den foreliggende stimulering intensitet på 0,9 mA (figur 6) . Figur 7 illustrerer det lineære forholdet mellom stimuleringsintensitet (0,5 til 2,0 mA peak-to-peak) og den resulterende størrelsen av gjenstanden på stedet av stimuleringen (kanal F3). Et første mål er å holde en lav impedans på både EEG og TACS elektroder. Utilstrekkeligkontakt mellom TACS elektroden og hodebunnen skaper større amplituder TACS gjenstand i EEG-data, og i tillegg anvendt elektronisk strøm vil ha en tendens til å være homogen. For det andre, må man vurdere oppløsningen nivået til A / D-omformeren av EEG-system. En 24 bits A / D-konverter kan teoretisk dekke et område på 1,68 V med en / bits oppløsning 0,1 uV. I motsetning til dette ville en 16 bits A / D-omformeren med en 0,1 uV / bit oppløsning dekke et spenningsområde fra 6,5 mV - for lav til å dekke området av TACS gjenstanden (figur 6). Derav spenningen opptaksoppløsningen må senkes. For å dekke gjenstand størrelsene av opp til 100 mV på stedet av stimulering med et 16 bits system, ville spenningen opptaksoppløsningen teoretisk må bli senket til over 1,53 uV / bit. Faktisk siste samtidige TACS-EEG studier med et 16 bits system kunne ikke ta EEG signaler fra nærhet av stimulering nettstedet på grunn av metning av ampl ifier selv når oppløsningen ble senket til 0,5 uV / bet 12,13.
Betraktninger for å redusere elektrodeimpedans
Årsaken til første begynne å jobbe på impedansene av EEG elektroder plassert i midten eller nærhet av TACS elektrode, er at disse EEG elektroder krever litt tålmodig og forsiktig arbeid for å unngå å bygge bro. Ved å starte med disse elektrodene, er det tid til å vente til den anvendte gel har hatt litt tid til å smøre hodebunnen, før du vurderer å bruke mer EEG gel om nødvendig. Ytterligere gel påføres under TACS elektroden når den er plassert på hodebunnen, spesielt dersom deltageren har mye hår. Grunnen til dette er ikke bare å redusere impedansen - god impedans kan oppnås uten dette trinnet - men for å oppnå en ensartet forbindelse med hodebunnen i hele overflaten av TACS elektroden.
Design og montasje betraktninger
ntent "> Figur 1 illustrerer montasjen av TACS elektrodene. Den smultringformede utformingen av hodebunnen TACS elektroden / elektrodene og den rektangulære skulder TACS elektrode er vist. Formen på hodebunnen TACS elektroden gjør det mulig for en EEG elektrode som skal plasseres i midten av den stimulerte området. En fordel ved den smultringformede utformingen er at det gir mulighet for å ta opp signalet fra den stimulerte området. For det andre, gjør det også lett å holde posisjonen til TACS elektroden uendret. avhengig av området av stimulering, ha en annen form av TACS elektroden vil være mer egnet. En rektangulær elektrode TACS form er bedre egnet ved innspilling fra et område på mellom EEG-elektroder.Det bør advares at formen og posisjonen på TACS elektroden er ikke det samme som det område faktisk blir stimulert, men kan være litt forskjøvet 31. Når bestemmer posisjonen TACS elektrodene, modellering av den aktuelle flav å anslå den beste plasseringen av elektrodene for målretting regionen av interesse er alltid sterkt anbefales.
Den nåværende oppsett er egnet for modulering av rytmisk aktivitet i store nettverk. Mer fokal stimulering kan oppnås på flere måter, 13, 32, 33, 34. Først, redusere størrelsen på TACS elektroden. Nitsche og kolleger har vist at en 3,5 cm 2 elektrode kan modulere oppstemthet av motor cortex med tDCS 32. En annen tilnærming er å utnytte en HD-konfigurasjon 13,33,34, hvor en stimuleringselektrode er omgitt av fire referanseelektroder. En annen fordel med høy definisjon konfigurasjonen er at tettheten av EEG-elektroder kan økes, ettersom konvensjonelle gummielektroder begrenser plass til å plassere EEG-elektroder og sekstifire EEG-elektroder er ikke mulig å gjennomføre i det aktuelle oppsettet. Mens thESE modifikasjoner for høyere romlig spesifisitet krever ulike oppsettsprosedyrer, de tekniske betraktninger som er beskrevet her gjelder fortsatt.
I denne protokollen legger vi TACS elektroder i henhold til det internasjonale 10-20 system for EEG elektroder posisjonering 30. Whileindividual optimalisering av en stimulering plassering vil være et alternativ kan det utgjøre et problem for sammenligning når varierende stimulering beliggenhet blant individer i forsøket, som stimulering området varierer i forhold til de EEG opptakssteder. Den nylig demonstrerte kombinert bruk av magnetoencefalografi (MEG) og TACS, ved Neuling og kolleger 35, kan overvinne dette problemet og TACS artefakt-relaterte problemer, som romlig filtrering metoder med MEG stråleforming gjør det mulig å anslå hjernens aktivitet uavhengig av kvoter nettsted.
Når det gjelder montasjen er to monopolare montasjer beskrevet her, dvs. med extracephalic plasseringen av referanseelektroden (figur 1B og 1C), og en unipolar montasjen, dvs. med begge elektroder plassert på hodebunnen (figur 1A) (se nærmere klassifiseringer av elektrode montasjer av Nasseri et al. 36). Fordelen med å bruke en monopolar montasje er å unngå ytterligere cephalica stimulering av ingen interesse for studiet. Den primære bekymring når du velger en mono montage er strøm skjønt subkortikale strukturer, inkludert hjernestammen, med den potensielle risikoen for moduler vitale hjernestammen funksjoner. Både extracephalic og ipsilaterale skulder plassering av referansen elektroden er bekreftet ikke å modulere hjernefunksjoner for en mA intensitet tDCS 37,38 (for eksempel hjertefrekvensvariabilitet, respirasjonsfrekvens og blodtrykk). Som en monopolar montasjen kan ha klare fordeler avhengig av eksperimentell design, er det behov for omfattende testingeffekten på vitale hjernefunksjoner ved høyere stimuleringsintensitet og forskjellige monopolare montasjer, samt for å sammenligne innvirkningen mellom tDCS og kvoter.
Legg merke til at HD-konfigurasjon er en annen løsning for å unngå problemet med den bipolare montasje av ytterligere cephalica stimulering av ingen interesse. HD-konfigurasjon med en stimuleringselektrode er omgitt av fire referanseelektroder fører til høy strømtetthet under midtelektroden og lav strømtetthet under de fire omgir elektrodene. Ettersom effekten av stimuleringen avhenger av tettheten av den aktuelle, betyr dette en ensrettet modulasjon i henhold til midtelektroden for en HD-konfigurasjon, i motsetning til den toveis modulasjon av en to-elektrodekonfigurasjon 39.
Visual flimmer oppfatning indusert av kvoter er en kritisk begrensende faktor for stimulering intensitet når du plasserer tACS elektrode på frontallappen, på grunn av retinal stimulering av kvoter. Spesielt TACS på beta-band frekvens induserer visuell flimring selv ved lav intensitet av kvoter 11. Etter vår erfaring er 0,9 mA (topp-til-topp) stimulering over DLPFC (F3 elektrode) ved 6 Hz er en egnet intensitetsnivå for å minimalisere følelsen av visuell flimring.
Avhengig av utformingen av forsøket, kan det være nødvendig å kontrollere stimulator med en ekstern enhet (hvis denne funksjonen er tilgjengelig for den stimulator benyttes). Vi bruker en bølgeform analog utgang bord for å styre stimulator og sende triggere til EEG-forsterker (se ytterligere maskinvare og programvare i tabellen av materialer). I tilfelle av stimulator som brukes her (se tabell of Materials), er støynivået på dagens produksjon med fjernkontrollen høyere enn med den innebygde stimulator grensesnittet. Derav muligheten til å fjernkontrollen stimulatoren bør velgesBare hvis det er nødvendig ved den eksperimentelle design.
Feilsøking metning av EEG-kanaler
Vi har vist at bygge bro mellom TACS og EEG-elektroder via lekk EEG gel resulterer i mette den respektive kanal av EEG-forsterker, og utelukker registrering av data fra disse elektroder (figur 5A). Det er andre årsaker til metning av en EEG-kanal. En grunn kan være at forsterkningen i forsterkeren er for smalt, og spenningen opptaksoppløsningen er ikke korrigert tilsvarende. I dette tilfelle er spenningen opptaksoppløsningen må senkes for å dekke området for størrelsen av TACS gjenstanden. En annen grunn er at registreringsstedet er for nær stimulering området. I dette tilfellet, kan selv en svært grov spenning innspilling oppløsning fortsatt ikke dekker hele spekteret av gjenstanden. Opptak bør plasseres lenger unna stimulering nettstedet.
Den nåværende proprotokollen omfattende skildrer innstillingene og tekniske hensyn til samtidige TACS-EEG eksperimenter. Med metoder for å fjerne TACS artefakt og protokoller for god kvalitet innspilling under TACS, vil TACS virkelig være en lovende metode tofurther vår forståelse av de mest fremtredende trekk ved hjernens aktivitet, rytmiske dynamikk.
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).
