Introduction
Rytmiska dynamiken i extracellulära elektriska strömmar i hjärnan har observerats för ett sekel 1,2. Även under större delen av denna tid betraktas som icke-specifik brus i data, idag är allmänt anses spela en huvudroll i informationsbehandling i hjärnan 3,4,5,6,7,8,9. Vår förståelse av orsakssambandet mellan vissa frekvenser av oscillerande hjärnans aktivitet och kognitiva processer har avancerat under det senaste decenniet genom utveckling av olika insatser metoder för direkt modulera oscillerande aktivitet 8,10. Transkraniell växelström stimulering (TAC) är en sådan lovande strategi för att modulera rytmisk aktivitet i hjärnan 10. TACS är en icke-invasiv hjärnstimulering metod, som gäller svaga alternerande (sinusformade) strömmar från hårbotten och modulerar retbarhet av hjärnbarken i ett frekvensspecifikt sätt 11, 12, </ sup> 13, 14, 15. Samtidigt som det är en lovande teknik för att studera rollen av rytmiska aktivitet i hjärnan, de neurofysiologiska mekanismer för TAC är fortfarande svårfångade. Flera studier har rapporterat effekter av TAC på perceptuell 11,13,16,17,18 och motorik 19,20,21,22, liksom effekter på högre ordningens kognitiva processer 23,24,25,26,27, 28 . Neurofysiologiska bevis för medbringande av hjärn svängningar efter stimulering har presenterats med hjälp av EEG 13, 14, 15. Det finns för närvarande få rapporter om neurofysiologisk bevis hos människor för en effekt av TAC under stimulering 12, 13, 22. Eftersom hjärnan är mycket robust extern störning är en sådan online-bevis avgörande för att förstå de omedelbara neurofysiologiska effekterna av TAC.
Electroencephalography (EEG), fånga elektrofysiologiska aktivitet i hjärnan med hög tidsupplösning, är ett idealiskt val för att studera endogena och medbringade oscillerande neurala aktiviteter. Nya studier vid Helfrich och kollegor rapporterade nätet neurofysiologiska effekterna av TACS, men samtidigt mätning av EEG under TACS har visat sig svårt på grund av den framträdande TACS artefakt 12, 13. För framgångsrika samtidiga TAC-EEG-experiment, inspelning god kvalitet EEG uppgifter är en viktig aspekt, som är i fokus för den aktuella artikeln, och på samma gång förbehandlings metoden för att avlägsna TAC artefakt är också avgörande. I vårt labb, har vi utvecklat vår egen förbearbetning pipeline möjliggör avlägsnande av TAC artefakt från EEG-data 29. Här kommer vi att beskriva hur man framgångsrikt spelar EEG-signaler från området av stimulans, och tekniska överväganden är viktiga för en framgångsrik inspelning.
Protocol
Etik uttalande: Rutiner som rör mänskliga ämnen godkändes av den etiska kommittén i Kanton Bern (KEK-BE 007/14).
Anmärkning: Figur 1 illustrerar montage, såväl som utformningen av de TAC elektroder (se även diskussion), och EEG lock. Vi använder ett EEG lock tillverkad av ett elastiskt material (Figur 1D) för att hålla TAC elektroden sitter på hårbotten.
1. montage
Anm: De representativa resultat erhålles från följande TACS elektrodmontage.
- Montage 1: Placera båda elektroderna på hårbotten, till vänster dorsolaterala prefrontala cortex (DLPFC) (F3 elektrod) och vänster bakre parietala cortex (PPC) (P3 elektrod) (Figur 1A).
- Montage 2: Placera en TAC elektrod i hårbotten till vänster DLPFC (F3 elektrod), och placera en annan TAC elektrod på vänster axel (Figur 1B).
- Montage3: Placera en TAC elektrod i hårbotten till vänster PPC (P3 elektrod), och placera en annan TAC elektrod på vänster axel (Figur 1C).
2. Framställning av TAC Elektroder
- Om en referens TAC elektrod kommer att placeras på axeln (Montage 2 och 3), gör det först.
- Innan du placerar axeln elektroden, förbereda huden med en slip hud förbereder gel för EEG och EKG. Använd en kompress att skrubba huden lätt med huden förbereder gel.
- Applicera EEG gel på TAC elektroden och placera elektroden på axeln.
- Säkra elektroden på axeln med tejp.
- Sätt på EEG locket. Justera positionen av locket enligt den internationella 10-20 systemet för elektrodpositionering 30, och fäst hakbandet av EEG locket.
- Mark fläckar att ange var TAC elektroden kommer att placeras på hårbotten. Använd vattenbaserade röd penna, dels eftersom isolerande effekterna av färgmaterial pennans minskas, och för det andra, det kan lätt tvättas bort med vatten.
- Om det finns ett problem med pennan inte nå till hårbotten för märkning, på grund av att hålen i EEG taket för gel insättning är för hårt (Figur 1D), använd en träpinne, till exempel trähandtag av en bomullspinne .
- Paint spetsen av pinnen noggrant och använda denna kontakt för att markera hårbotten.
- Ta EEG locket och kontrollera om märkningen var framgångsrik. Om det behövs, fyll i märkningen, så att den kan lätt upptäckas senare.
- Utför följande steg (2.5.1-2.5.4) beroende på längden av deltagarens håret. Om deltagaren har kort hår (upp till ca 10 cm), hoppa över följande steg (det bör också noteras att vissa frisyrer, såsom dread lås, göra tillämpningen av TAC elektroder omöjliga). Om deltagaren har längre hair:
- Placera TAC elektroden med sitt centrum markeras med röd fläck på hårbotten. Observera att ingen EEG gel bör läggas på TAC elektroden just nu.
- Trä ut allt hår inuti den inre ringen av TAC elektroden.
- Bind den gängade ut håret med buntband. Var uppmärksam på att håret runt TAC elektroden inte blir bunden med TAC elektroden av kabelband.
- Efter att håret har bundits, ta TAC elektroden.
- Applicera EEG-gel på hårbotten TACS elektroden.
- Innan applicering av gelen, anslut hårbotten och axel TACS elektroderna till stimulatorn, men inte slå på stimulatorn ännu. Applicera ett tunt lager av EEG gel på TAC elektroden. En gles applicering av gelén är viktigt.
- Placera försiktigt TAC elektroden tillbaka på huvudet.
- Om deltagaren har längre hår, trä bundna håret tillbaka genom det inre hålet av TAC elektroden, utan detuching EEG gel på TAC elektroden.
- Medan placera TAC elektroden, ägna stor uppmärksamhet åt den röda markeringen på hårbotten hålls i mitten av TAC elektroden. När TAC elektroden har placerats i hårbotten, kan dess ställning inte längre ändras.
- Ta bort buntband från håret när TAC elektroden har placerats.
- Sätt på stimulatorn och övervaka impedansen. Medan försiktigt sätta lite press på TAC elektroden, mycket uppmärksamma att den röda markeringen plats alltid hålls i mitten av TAC elektroden.
- Lyft försiktigt kanterna av TAC elektroden och tillämpa vissa mer EEG gel under håret, inte mellan TAC elektroden och hår (Figur 2). Detta är särskilt viktigt om deltagaren har en hel del hår (se diskussion).
- Fortsätt att sätta press på TAC elektroden tills impedansen är stabilt under 10 kW. Övervaka impedansen hosTacs elektroden genom TAC stimulator.Carefully lägga till ytterligare EEG gel vid behov, men alltid glest.
Obs! Impedans TAC elektroden övervakas av TAC stimulatorn mäts mellan TAC elektroderna, som har nackdelen av att inte ge separata informations impedansvärdet för varje elektrod. Beroende på EEG förstärkarsystemet, kan det också vara möjligt att mäta impedansen hos TAC elektroderna genom detta, och sedan kunna mäta impedansen för varje elektrod separat. - Var uppmärksam på eventuella gel flyr från TAC elektroden, och avlägsna överskott EEG gel med en bomullspinne.
3. Montera EEG Cap
- Efter impedansen hos TAC elektroderna når under tröskelvärdet på 10 kQ, montera EEG locket igen. Sätt på EEG lock mycket försiktigt och noggrant, särskilt om materialet hos EEG cap är elastisk, eftersom det annars är lätt att flytta positionen för scalp TACS elektrod under det här steget.
Obs: Förskjutningen av TAC elektroden breder ut EEG gelen under TAC elektroden och orsakar EEG gel att överbrygga med EEG-elektroderna. Det är viktigt att inte dra ner en elastisk mössa med kraft, eftersom det kan orsaka att återhämta sig efteråt, vilket också skulle resultera i att flytta TAC elektroden. - Fäst bandet i EEG locket.
4. Framställning av EEG elektroder
- Applicera EEG-gel av lämplig viskositet (såsom diskuteras i detalj i diskussionen) till EEG-elektroder för att skapa kontakt mellan skalpen och EEG-elektroder. Börja med marken och referens EEG elektroder. Fortsätt sedan till elektroder placerade i mitten och närhet TAC elektroden. Fortsätt sedan till de återstående elektroderna (se diskussion).
- För EEG-elektroder som omger TAC elektroden, injicera gel med nålspetsen pekar i en riktning bort från TAC elektroden. Tryck försiktigt ner EEG elektroder samtidigt som gel, så att gelén inte fly från under elektroderna.
- Använd en trästicka för att öka kontakten mellan EEG-elektroder och hårbotten såsom illustreras i figur 3. Använd inte nålspetsen för detta ändamål, eftersom det kommer att skrapa deltagarens hårbotten, och är dessutom inte lika effektiva för detta ändamål.
- Tryck ner gelén med pinnen mot hårbotten, och mycket försiktigt gnugga hårbotten med toppen av pinnen med en roterande rörelse. Försök att hålla vinkeln på staven vinkelrätt mot hårbotten för elektroder placerade i en närhet av TAC elektroden, som sidled rörelser pinnen kommer att spridas ut gelen under elektroden. Om det behövs, tillämpa vissa mer EEG gel, och sedan använda träpinne för att ytterligare förbättra impedansen.
- För att undvika att överbrygga via läckande gel (Figur 4), vara sparsam med tillämpning av gel för att sänka impedansen hos EEG elektrodernaomedelbar närhet av TAC elektroden. Försök istället att sänka impedansen så mycket som möjligt med endast träpinne, innan man överväger att lägga till mer gel.
- När god impedans har uppnåtts med träpinne, försiktigt in och få ner nålen tills spetsen av nålen rör hårbotten, sedan försiktigt applicera gel medan nålen dras ut, vilket bidrar till att stabilisera kontakten mellan EEG elektroden och skalp.
- Sikta på EEG elektrod impedans under 5 kQ för optimala uppgifter, eftersom detta minskar störningar och signaldistorsion.
- När impedanserna har sänkts till lämplig nivå, testa om någon bro mellan TAC elektroden och omgivande EEG elektroder på grund av läckande gel har skapats.
- Applicera kort sinusformad stimulans, med en intensitet av experimentella intressen (t.ex. 1 mA topp-till-topp).
Obs: På grund av begränsningar i vissa system (se tabell över material), är det not möjligt att kontrollera för att överbrygga på nätet, men bara genom att tillämpa stimulans och sedan kontrollera om någon kanal av EEG förstärkaren blir mättad. - Se om någon kanal är mättad samtidigt stimulera.
Obs: Som framgår av representativa resultat, överbrygga via läckande gel mellan TAC och EEG-elektroder kommer att resultera i att mätta denna kanal av EEG förstärkaren och utesluta inspelning av data från dessa elektroder. Det är inte möjligt att ångra ett överbryggande via läckande gel när det har fastställts. Det enda alternativet är att avbryta försöket.
- Applicera kort sinusformad stimulans, med en intensitet av experimentella intressen (t.ex. 1 mA topp-till-topp).
- Kontrollera impedanser än en gång. Sedan börja inspelningen.
Representative Results
Exempel visas misslyckade och framgångsrika samtidiga TAC-EEG-mätningar som erhållits från två olika inspelningar (Figur 5). Två TAC elektroder placerades i hårbotten (F3 och P3 elektroder) och intensiteten av TAC var 0,9 mA (topp till topp). I det första exemplet var F3 EEG elektroden överbryggas med TAC främre elektroden via gel (notera att när nämna "överbryggande" hela diskussionen nedan, betecknar vi bildandet av en direkt förbindelse med EEG-gel skapar en kontakt mellan TAC och EEG elektroder). Den överbryggande omedelbart mättar F3 kanalen och EEG-signaler under TAC kunde inte spelas in (figur 5A). I det andra exemplet har EEG-signaler framgångsrikt registreras samtidigt som TAC (figur 5B).
För att utvärdera den geografiska fördelningen av storleken på TAC artefakt, denomfattningen av TAC artefakten beräknades under inspelningen som erhållits från tre individer. TACS applicerades på antingen DLPFC (F3 elektrod) eller PPC (P3 elektrod). Intensiteten av TAC var 0,9 mA (topp till topp) .Det observerades att topp-till-topp-magnitud av TAC artefakten var omvänt korrelerad med avståndet mellan EEG och TACS elektroden (figur 6A och 6B). Dessutom placeringen av EEG referenselektrod i förhållande till TAC elektroden påverkade också den rumsliga fördelningen av storleken på TAC artefakt över EEG kanalerna (figur 6A och 6B). Storleken av TAC artefakt varierar från 10 mV vid EEG-elektroder mer avlägsna från platsen för stimulering, medan magnituden kan nå upp till 100 mV vid EEG elektroden i mitten av TAC elektroden. Förhållandet mellan den aktuella intensiteten av TAC och magnituden av artefakter vid närheten av denTACS elektrod undersöktes också (figur 7). Det uppvisade linjära samband och mättad spänningsområdet för inspelning när TAC strömstyrka var mer än 1,6 mA.
Figur 1. Illustration av montage. (A) Montage med två TAC elektroder placerade på hårbotten (F3 och P3). (B) Montage med en TAC elektrod placerad i hårbotten (F3) och en referens TACS elektrod placerad på den ipsilaterala axeln. (C) Montage med en TAC elektrod placerad i hårbotten (P3) och ett referens TACS elektrod placerad på den ipsilaterala axeln. (D) En elastisk EEG locket håller hårbotten TAC elektroden på plats under huven. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Korrekt tillämpning av ytterligare EEG gel under en TAC elektrod. Ytterligare EEG gelén skall tillämpas enligt TAC elektroden för att förbättra homogeniteten hos anslutningen till hårbotten. Den extra gel ska appliceras mellan hår och hårbotten (blå pil), och inte mellan TAC elektroden och hår, för att förbättra kontakten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Att förbättra anslutningen av EEG-elektroder till hårbotten. (A) Applicera EEG-gel till EEG-elektroder med hjälp av en spruta. Använd tip av nålen för att borsta bort hår under EEG elektroden, sedan försiktigt in och få ner nålen tills spetsen av nålen vidrör hårbotten. Applicera gel medan nålen dras ut, för att skapa en anslutning mellan hårbotten och EEG elektroden. (B) Använd en träpinne (t.ex. trä handtaget på en bomullstuss eller liknande) för att ytterligare förbättra kontakten mellan EEG-elektroderna och i hårbotten. Tryck ner gelén med pinnen mot hårbotten, och mycket försiktigt gnugga hårbotten med toppen av pinnen med en roterande rörelse. Försök att hålla vinkeln på staven vinkelrätt mot hårbotten för elektroder placerade i en närhet av TAC elektroden, som sidled rörelser pinnen kommer att spridas ut gelen under elektroden. Om det behövs, tillämpa vissa mer EEG gel, och sedan använda träpinne för att ytterligare förbättra impedansen. För elektroder placerade i en närhet av TAC elektroden är det också viktigt att vara försiktig med att tillämpa mer gel for i syfte att förbättra kontakten. Snarare försöka förbättra kontakt så mycket som möjligt med användning av träpinne. Slutligen har en gång bra impedans uppnåtts med träpinne, lägga till några extra gel för att stabilisera kontakten mellan EEG elektroden och hårbotten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Exempel på läckande EEG gel skapar direktkontakt mellan TAC och EEG-elektroder. Läckande EEG gel, vilket skapar direktkontakt mellan TAC och EEG elektroden, observeras. Bridging som denna mellan TAC och EEG-elektroder kan skapas t.ex. genom att tillsätta en överskottsmängder av EEG gel under TAC elektroden eller EEG elektroden i närheten av TAC elektroden,eller av TAC elektrod som flyttas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. TAC mättar EEG förstärkaren genom att överbrygga via gel. Rådata från två olika inspelningar, refererade till CPZ, under montage med hårbotten TAC elektroder placerade vid DLPFC (F3 elektrod) och PCC (P3 elektrod). (A) Signalen registreras vid elektrod F3 är mättad på grund av att överbrygga via läckande EEG gel mellan F3 EEG elektroden och TAC elektroden. (B) Signaler framgångsrikt spelats in från alla elektroder. Storleken av TAC artefakten på F3 elektroden överstiger mer än 50 mV. Klicka här för att seen större version av denna figur.
Figur 6. Storleken av TAC artefakter över EEG-kanaler. Peak-till-topp magnituder TAC artefakter i genomsnitt över tre ämnen (mV). Uppgifterna är rådata, som hänvisas till CPZ. (A) Storleken på de TAC artefakt under montage med en hårbotten TACS elektrod placerad på den vänstra DLPFC (F3 elektrod) och andra TACS elektrod placerad på vänster axel (Montage 2, Figur 1B). (B) Storleken på de TAC artefakt under montage med en TAC elektrod placerad på den vänstra PPC (P3 elektrod) och andra TACS elektrod placerad på vänster axel (Montage 3, Figur 1C). (C) EEG-kanalplatser. Red: kanalen under stimulering webbplats, blå: kanaler i omedelbar närhet av stimulering webbplats, Ref (djärv svart): Referenselektrod (CPZ). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7. Storleken av TAC artefakten korrelerar linjärt med intensitet av stimulering. Peak-till-topp storleken på TAC artefakt (mV) från ett ämne i kanal F3. Intensiteterna 0,5 till 2 mA tillämpades i steg om 0,1 mA. Uppgifterna är rådata, som hänvisas till CPZ. Montage med en hårbotten TACS elektrod placerad på den vänstra DLPFC (F3 elektrod) och andra TACS elektrod placerad på vänster axel (Montage 2, Figur 1B). Data visar en perfekt linjärt samband mellan intensiteten av stimulering anbringas och storleken av TACS artefakt, i intensiteten intervallet 0,5 till 1,6 mA. Spänningen upplösning sattes till 150 mV, men Actual maximala förvärvs intervallet var 161,6 mV bortom vilken signalen var mättad. Den streckade linjen markerar den maximala intervallet av spänningen. Med stimuleringsnivåer på 1,7 mA och högre, när det orsakas artefakt magnituder var mer än 161,6 mV, var F3-kanalen mättade. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
De förfaranden för att inrätta samtidiga TAC-EEG-experiment beskrivs här. Vi vänder oss nu diskutera överväganden för konfigurering av TAC-EEG-inspelningar, av vilka de två första överväganden är avgörande för framgångsrika samtidiga TAC-EEG-inspelningar.
Att undvika TACS-EEG-elektrod överbryggande via gel
Det är viktigt att undvika att överbrygga mellan EEG och TAC elektroder genom läckande EEG gel, som överbrygga omedelbart mättar respektive kanal av en EEG-förstärkare. Av denna anledning viskositeten hos EEG gel är en avgörande parameter för framgångsrik TACS-EEG-registrering. Använd aldrig en vätske EEG gel, som en vätska EEG gel risker flyr ut från TAC elektroden och bro med angränsande EEG elektroder. Samtidigt, har en mycket viskös EEG-gel en nackdel i att tränga in i håret och smörja huden för att minska impedansen. För EEG-elektroderna i närheten av TAC elektroden, kan en mer trögflytande gel be används, eftersom en kan använda en träpinne för att sänka impedansen. För TAC och återstående EEG elektroder, använd en något mindre trögflytande (men fortfarande inte vätska) EEG gel. Denna typ av gel kräver mindre ansträngning att lägre impedans. Eftersom det är svårt att skrapa enligt TAC elektroden, är det bättre att använda en något mindre trögflytande gel här.
Att handskas med Tacs artefakt magnituder
Den andra frågan är att hantera den stora omfattningen av TAC artefakt, som sträcker sig från 10 mV vid EEG elektroder långt från området av stimulans, till mer än 100 mV på platsen för stimulering under den nuvarande stimuleringsintensiteten på 0,9 mA (figur 6) . Figur 7 illustrerar det linjära förhållandet mellan stimulerings intensiteter (0,5 till 2,0 mA topp-till-topp) och den resulterande storleken hos artefakten vid stället för stimulering (kanal F3). En första åtgärd är att hålla en låg impedans både EEG och TACS elektroder. Otillräckligkontakt mellan TAC elektroden och hårbotten skapar större amplituder av TAC artefakt i EEG-data, och dessutom tillämpas elektronisk ström skulle tendera att vara inhomogent. För det andra behöver man ta hänsyn upplösningsnivån hos A / D-omvandlaren hos EEG-systemet. En 24 bitars A / D-omvandlaren kan teoretiskt täcka ett intervall av 1,68 V med en 0,1 μV / bitars upplösning. Däremot skulle en 16 bitars A / D-omvandlare med en 0,1 μV / bitars upplösning täcker spänningsområdet på 6,5 mV - för låg för att täcka området TAC artefakt (Figur 6). Därav inspelningsupplösning spänningen måste sänkas. För att täcka artefakt storlekarna av upp till 100 mV vid stället för stimulering med en 16 bits system skulle spänningen inspelnings upplösning teoretiskt måste sänkas till över 1,53 μV / bit. I själva verket nyligen samtidiga TACS-EEG-studier med 16 bitar system skulle inte spela de EEG-signaler som är i närheten av stimulerings plats beroende på mättnad av AMPL ifier även när upplösningen sänktes till 0,5 μV / bit 12,13.
Överväganden för att minska elektrodimpedans
Anledningen till att först börja arbeta på impedansen hos EEG-elektroder placerade i mitten eller närhet TAC elektroden, är att dessa EEG elektroder kräver en viss patienten och noggrant arbete för att undvika överbryggning. Genom att börja med dessa elektroder, det finns tid att vänta tills den applicerade gelen har haft lite tid att smörja hårbotten, innan man överväger att tillämpa mer EEG gel vid behov. Ytterligare gel bör tillämpas enligt TAC elektroden när den har placerats i hårbotten, i synnerhet om deltagaren har en massa hår. Anledningen är inte bara att minska impedansen - bra impedans kan uppnås utan detta steg - men för att uppnå en enhetlig samband med hårbotten hela ytan av TAC elektroden.
Design och montage överväganden
ntent "> Figur 1 illustrerar montage av de TAC elektroderna. Den donut-formade utformningen av hårbotten TACS elektrod / elektroderna och det rektangulära axel TACS elektrod är avbildade. Formen på hårbotten TACS elektroden möjliggör ett EEG elektrod för att placeras i mitt i den stimulerade området. En fördel med munkformade konstruktionen är att det möjliggör för inspelning signal från den stimulerade området. För det andra, gör det också lätt att hålla positionen för TAC elektrooförändrad. Beroende på platsen för stimulering, någon annan form av TAC elektroden skulle vara lämpligare. En rektangulära TAC elektrodformen är bättre lämpad vid inspelning från en plats i mellan EEG elektroder.Det bör varnas att formen och placeringen av TAC elektroden inte är densamma som den faktiskt stimuleras, men kan vara något förskjuten 31. När beslut fattas ställning TAC elektroderna, modellering av den nuvarande flåg för att uppskatta den bästa positionen av elektroderna för inriktning regionen av intresse är alltid starkt.
Den nuvarande inställningen är lämplig för modulering av rytmiska aktivitet i storskaliga nätverk. Mer fokal stimulering kan åstadkommas på flera sätt 13, 32, 33, 34. Först minska storleken på TAC elektroden. Nitsche och kollegor har visat att en 3,5 cm 2 elektrod kan modulera retbarhet av motoriska cortex med TFF 32. Ett andra tillvägagångssätt är att utnyttja en HD-konfiguration 13,33,34, där en stimuleringselektrod omges av fyra referenselektroder. En annan fördel med high definition-konfiguration är att densiteten av EEG elektroder kan ökas, eftersom konventionella gummi elektroder begränsar utrymmet att placera EEG elektroder och sextio fyra EEG-elektroder är inte möjligt att genomföra i den aktuella installationen. Medan these modifieringar för högre spatial specificitet kräver olika inställningsprocedurer, de tekniska överväganden som beskrivs här gäller fortfarande.
I detta protokoll lägger vi TAC elektroderna enligt den internationella 10-20 system för EEG-elektrod positionering 30. Whileindividual optimering av en stimulerings plats skulle vara den alternativa, det kan utgöra ett problem för jämförelser vid varierande stimulerings läge bland individer i experimentet, såsom stimulerings platsen varierar i förhållande till EEG-inspelnings webbplatser. Den nyligen visat kombinerad användning av magnetencefalografi (MEG) och TAC av Neuling och kollegor 35, kan lösa detta problem och TACS artefakt relaterade problem, som rumsliga filtreringsmetoder med MEG strålformning gör det möjligt att uppskatta hjärnans aktivitet oberoende av en TAC webbplats.
När det gäller montage, två monopolära montage beskrivs här, det vill säga med extracephalic platsen för referenselektroden (Figur 1B och 1C) och en unipolär montage, dvs., med båda elektroder placerade i hårbotten (Figur 1A) (se ytterligare klassificeringar av elektrod montage av Nasseri et al., 36). Fördelen med att använda en monopolär montage är undvikandet av ytterligare cefaliska stimulering av något intresse för studien. Det viktigaste när man väljer en monopolär montage är strömflödet men subkortikala strukturer inklusive hjärnstammen, med den potentiella risken att modulera vitala hjärnstamsfunktioner. Både extracephalic och ipsilaterala skulder placering av referenselektroden har bekräftats att inte modulera hjärnstamsfunktioner för 1 mA intensitet TFF 37,38 (t.ex. hjärtfrekvensvariabilitet, andningsfrekvens och blodtryck). Som en monopolär montage kan ha klara fördelar beroende på experimentell design, finns det ett behov av omfattande testningeffekten på vitala hjärnstams funktioner under högre stimuleringsnivåer och olika monopolära montage, liksom för att jämföra inflytandet mellan TFF och TAC.
Notera att HD-konfiguration är en annan lösning för att undvika problemet med den bipolära montage av ytterligare cefaliska stimulering av något intresse. Konfiguration high-definition med en stimuleringselektrod omgiven av fyra referenselektroder leder till hög strömtäthet under mittelektrod och låg strömtäthet under de fyra omgivande elektroderna. Då effekten av stimulering beror på tätheten av strömmen innebär detta en enkelriktad moduleringen enligt mittelektroden för HD-konfiguration, i motsats till den dubbelriktade modulering av en två elektrodkonfiguration 39.
Visuell flimmer uppfattning induceras av TAC är en kritisk begränsande faktor för att stimulera intensitet när du placerar tACS-elektroden på frontalloben, på grund av retinal stimulering genom TAC. I synnerhet TAC på beta-band frekvens framkallar visuella flimmer även vid låg intensitet av TAC 11. Enligt vår erfarenhet 0,9 mA (topp till topp) stimulering över DLPFC (F3 elektrod) vid 6 Hz är en lämplig intensitetsnivå för att minimera känslan av visuella flimmer.
Beroende på utformningen av experimentet, kan det vara nödvändigt att kontrollera stimulator med en extern enhet (om denna funktion är tillgänglig för stimulatorn används). Vi använder en vågform analog utgång styrelsen att styra stimulatorn och skicka triggers till EEG-förstärkare (se ytterligare hårdvaru- och programvaruspecifikationer i tabellen av material). I fallet med stimulator som används här (se tabell of Materials), är ljudnivån på strömutgång med fjärrkontrollen högre än med den inbäddade stimulatorn gränssnittet. Därför alternativet fjärrkontroll stimulatorn bör väljasendast om det krävs av experimentell design.
Felsökning mättnad av EEG-kanaler
Vi har visat att överbrygga mellan TAC och EEG-elektroder via läckande EEG gel resulterar i att mätta respektive kanal av EEG förstärkare och utesluter inspelning av data från dessa elektroder (Figur 5A). Det finns andra orsaker till mättnad av en EEG-kanal. En orsak kan vara att förstärkarens förstärkning är för smal, och spänningen inspelnings resolutionen har inte justerats i enlighet med detta. I det här fallet behöver inspelningsupplösning spänningen sänkas för att täcka området för storleken på TAC artefakt. Ett annat skäl är att inspelningsplatsen är för nära stimuleringsstället. I detta fall kan även en mycket grov spänning inspelning upplösning fortfarande inte omfattar hela skalan av artefakten. Inspelningen ska placeras längre bort från stimuleringsplatsen.
Den nuvarande proprotokoll visar omfattande inställningar och tekniska överväganden för samtidiga TAC-EEG-experiment. Med metoder för att ta bort TAC artefakt och protokoll för god kvalitet inspelningen under TAC kommer TAC verkligen vara en lovande metod tofurther vår förståelse av de mest framträdande inslag i hjärnans aktivitet, rytmiska 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).
