Introduction
Dinamiche ritmiche di correnti elettriche extracellulari nel cervello sono state osservate per un secolo 1,2. Mentre per la maggior parte di questo tempo che sono considerati come rumore non specifico nei dati, oggi sono ampiamente considerati a svolgere un ruolo principale nel trattamento delle informazioni nel cervello 3,4,5,6,7,8,9. La nostra comprensione del nesso causale tra le frequenze specifiche di attività cerebrale oscillatoria e processi cognitivi ha avanzato negli ultimi dieci anni attraverso lo sviluppo di una varietà di approcci di intervento per modulare direttamente l'attività oscillatoria 8,10. Transcranica alternata stimolazione corrente (TAC) è uno di questi approccio promettente per modulare l'attività ritmica nel cervello 10. tACS è un metodo di stimolazione cerebrale non invasiva, che applica alternata debole (sinusoidale) correnti dal cuoio capelluto e modula l'eccitabilità della corteccia cerebrale in maniera specifica frequenza 11, 12, </ sup> 13, 14, 15. Pur essendo una tecnica promettente per studiare il ruolo di attività ritmica nel cervello, i meccanismi neurofisiologici dei TAC sono ancora sfuggente. Diversi studi hanno segnalato effetti dei TAC sulle percettivo 11,13,16,17,18 e funzioni motorie 19,20,21,22, così come gli effetti sulla ordine superiore processi cognitivi 23,24,25,26,27, 28 . Prova neurofisiologica per trascinamento di oscillazioni cerebrali dopo stimolazione sono stati presentati utilizzando EEG 13, 14, 15. Attualmente ci sono pochi casi di evidenza neurofisiologica nell'uomo per effetto dei TAC durante la stimolazione 12, 13, 22. Poiché il cervello è molto robusta di perturbazione esterna, tale prova in linea è di fondamentale importanza per la comprensione degli effetti neurofisiologici immediati dei TAC.
Electroencephalography (EEG), catturando l'attività elettrofisiologica del cervello con alta risoluzione temporale, è la scelta ideale per lo studio endogeno e trascinate attività neurali oscillatori. Recenti studi di Helfrich e colleghi hanno riportato effetti neurofisiologici linea dei TAC, ma allo stesso tempo di misura EEG durante tACS ha dimostrato difficile a causa dei TAC importante manufatto 12, 13. Per successo concorrenti esperimenti tACS-EEG, registrando buoni dati di EEG qualità è un aspetto importante, che è al centro di questo articolo corrente, e al tempo stesso il metodo di pre-trattamento per rimuovere l'artefatto tACS è fondamentale. Nel nostro laboratorio, abbiamo sviluppato la nostra pipeline di pre-elaborazione che consente per la rimozione del manufatto TAC da dati EEG 29. Qui descriveremo come registrare correttamente i segnali EEG dalla zona di stimolazione, e considerazioni tecniche importanti per la registrazione di successo.
Protocol
Etica dichiarazione: Procedure che coinvolgono soggetti umani sono stati approvati dal comitato etico di Canton Berna (KEK-BE 007/14).
Nota: Figura 1 illustra montaggi, nonché la progettazione degli elettrodi TAC (vedi anche la discussione), e tappo EEG. Usiamo un tappo EEG in materiale elastico (Figura 1D) per contenere l'elettrodo tACS attaccato sul cuoio capelluto.
1. Montages
Nota: I risultati rappresentativi sono ottenuti i seguenti TAC montaggi elettrodi.
- Montaggio 1: Posizionare entrambi gli elettrodi sul cuoio capelluto, alla sinistra della corteccia dorsolaterale prefrontale (DLPFC) (elettrodo F3) e posteriore sinistra corteccia parietale (PPC) (elettrodo P3) (Figura 1A).
- Montage 2: Inserire uno tACS elettrodi sul cuoio capelluto al DLPFC sinistra (elettrodo F3), e inserire un altro elettrodo tACS sulla spalla sinistra (Figura 1B).
- Montaggio3: Posizionare un elettrodo tACS sul cuoio capelluto al PPC sinistra (elettrodo P3), e inserire un altro elettrodo tACS sulla spalla sinistra (Figura 1C).
2. Preparazione dei TAC elettrodi
- Se un elettrodo tACS riferimento sarà posto sulla spalla (Montage 2 e 3), farlo prima.
- Prima di posizionare l'elettrodo spalla, preparare la pelle con una pelle preparazione gel abrasivo per EEG e elettrocardiografia. Utilizzare un tampone di garza per fregare la pelle leggermente con il gel pelle preparazione.
- Applicare il gel EEG sull'elettrodo TAC e posizionare l'elettrodo sulla spalla.
- Fissare l'elettrodo sulla spalla con nastro adesivo.
- Porre il coperchio EEG. Regolare la posizione del tappo secondo il sistema internazionale 10-20 per il posizionamento degli elettrodi 30, e fissare il sottogola del tappo EEG.
- Mark ha visto per indicare dove l'elettrodo tACS sarà posizionato sul cuoio capelluto. Utilizzare un acquabasata su penna rossa, in primo luogo perché effetti isolanti del materiale di colore della penna sono ridotti, e in secondo luogo, può essere facilmente lavato via con acqua.
- Se c'è un problema con la penna non raggiungendo al cuoio capelluto per la marcatura, a causa dei fori del tappo EEG per l'inserimento gel essere troppo stretto (Figura 1D), utilizzare un bastone di legno, per esempio il manico di legno di un tampone di cotone .
- Dipingi la punta del bastone a fondo e utilizzare questo suggerimento per segnare il cuoio capelluto.
- Togliere il tappo EEG e verificare se il marchio ha avuto successo. Se necessario, compilare la marcatura, in modo che possa facilmente essere individuato in seguito.
- Eseguire i seguenti passaggi (2.5.1-2.5.4) a seconda della lunghezza dei capelli del partecipante. Se il partecipante ha pelo corto (fino a circa 10 centimetri), saltare questa fase (va anche notato che alcune acconciature, come terrore serrature, rendono l'applicazione di TAC elettrodi impossibili). Se il partecipante ha più hair:
- Posizionare l'elettrodo tACS con il suo centro segnato dalla macchia rossa sul cuoio capelluto. Si noti che nessun gel EEG dovrebbe essere messo sull'elettrodo tACS in questo momento.
- Infilare su tutti i capelli all'interno dell'anello interno dell'elettrodo tACS.
- Associare i capelli filettata con fascette. Prestare attenzione a che i capelli intorno all'elettrodo tACS non viene legato in su con l'elettrodo TAC per le fascette.
- Dopo che i capelli sono stati legati, rimuovere l'elettrodo TAC.
- Applicare il gel EEG all'elettrodo tACS cuoio capelluto.
- Prima di applicare il gel, collegare gli elettrodi del cuoio capelluto e TACS spalla allo stimolatore, ma non accendere lo stimolatore ancora. Applicare uno strato sottile di gel EEG sull'elettrodo tACS. Un'applicazione sparse di gel è importante.
- Posizionare con cura l'elettrodo tACS indietro sulla testa.
- Se il partecipante ha capelli più lunghi, infilare i capelli legati indietro attraverso il foro interno dell'elettrodo tACS, senza che peruching il gel EEG sull'elettrodo tACS.
- Pur ponendo l'elettrodo tACS, prestare molta attenzione al segno rosso sul cuoio capelluto viene tenuto in mezzo dell'elettrodo TAC. Una volta che l'elettrodo tACS è stato immesso sul cuoio capelluto, la sua posizione può più essere modificata.
- Rimuovere la fascetta dal capelli una volta l'elettrodo tACS è stato collocato.
- Accendere lo stimolatore e monitorare l'impedenza. Mentre mettendo accuratamente una certa pressione sul dell'elettrodo tACS, prestare particolare attenzione che il marchio macchia rossa è sempre mantenuto al centro dell'elettrodo TAC.
- Sollevare delicatamente i bordi dell'elettrodo TAC e applicare un po 'di più di gel EEG sotto i capelli, non tra l'elettrodo TAC e capelli (Figura 2). Ciò è particolarmente importante se il partecipante ha un sacco di capelli (vedi la discussione).
- Continuare a mettere pressione sul dell'elettrodo tACS fino impedenza è stabilmente al di sotto di 10 k. Monitorare l'impedenza deltACS dell'elettrodo TAC stimulator.Carefully aggiungere gel EEG supplementare se necessario, ma sempre scarsamente.
Nota: L'impedenza dell'elettrodo tACS monitorato dal stimolatore tACS viene misurata tra gli elettrodi TAC, che ha l'inconveniente di non fornire informazioni sul valore di impedenza separato per ciascun elettrodo. A seconda del sistema amplificatore EEG, potrebbe anche essere possibile misurare l'impedenza degli elettrodi TACS attraverso questo, e quindi in grado di misurare l'impedenza per ogni elettrodo separatamente. - Prestare attenzione a qualsiasi gel che fuoriesce dall'elettrodo tACS, e rimuovere il gel EEG in eccesso con un batuffolo di cotone.
3. Montaggio del Cap EEG
- Dopo l'impedenza degli elettrodi TAC raggiunge sotto la soglia di 10 kW, rimontare il tappo EEG. Porre il coperchio EEG molto delicatamente e con attenzione, soprattutto se il materiale del tappo EEG è elastico, in quanto altrimenti è facile da spostare la posizione del scalp tACS elettrodo durante questa fase.
Nota: Lo spostamento dell'elettrodo tACS estende il gel EEG sotto l'elettrodo tACS e provoca il gel EEG di colmare con gli elettrodi EEG. E 'importante non tirare giù un cappuccio elastico con la forza, in quanto ciò potrebbe causare un rimbalzo in seguito, il che comporterebbe anche lo spostamento dell'elettrodo TAC. - Fissare il cinturino del tappo EEG.
4. Preparazione di elettrodi EEG
- Applicare EEG gel appropriata viscosità (come discusso in dettaglio nella discussione) agli elettrodi EEG per creare il contatto tra la cute e gli elettrodi EEG. Inizia con gli elettrodi EEG terra e di riferimento. Quindi procedere agli elettrodi si trova nel mezzo e dintorni dell'elettrodo TAC. Si prosegue poi per i restanti elettrodi (vedi Discussione).
- Per elettrodi EEG che circondano l'elettrodo tACS, iniettare gel con la punta dell'ago che punta in una direzione lontana dall'elettrodo TAC. Premere con cautela il EEElettrodi G durante l'applicazione del gel, in modo che il gel non sfugge da sotto gli elettrodi.
- Utilizzare un bastone di legno per aumentare il contatto tra gli elettrodi EEG e cuoio, come illustrato nella figura 3. Non utilizzare la punta dell'ago per questo scopo, come sarà raschiare scalpo del partecipante, e non è inoltre efficace per questo scopo.
- Abbassare il gel con il bastone verso il cuoio capelluto, e strofinare molto delicatamente il cuoio capelluto con la parte superiore del bastone con un movimento rotatorio. Prova a mantenere l'angolo del bastone ortogonalmente al cuoio capelluto per elettrodi posti in stretta prossimità dell'elettrodo tACS, come movimenti sideway della chiavetta saranno stendere il gel sotto l'elettrodo. Se necessario, applicare un po 'di più di gel EEG, e quindi utilizzare il bastone di legno per migliorare ulteriormente l'impedenza.
- Per evitare perdite di transizione tramite gel (Figura 4), essere parsimoniosi con l'applicazione del gel per abbassare l'impedenza degli elettrodi EEG inimmediate vicinanze dell'elettrodo tACS. Invece, cercare di abbassare l'impedenza il più possibile utilizzando solo il bastone di legno, prima di considerare l'aggiunta più gel.
- Una volta buona impedenza è stato raggiunto con il bastone di legno, inserire delicatamente e far scendere l'ago finché la punta dell'ago tocca il cuoio capelluto, quindi applicare delicatamente gel tirando l'ago, contribuendo così a stabilizzare il contatto tra l'elettrodo EEG e la cuoio capelluto.
- Obiettivo per EEG impedenze elettrodi inferiori a 5 k per i dati ottimali, in quanto ciò riduce le interferenze e rumore distorsione del segnale.
- Una volta che le impedenze sono stati abbassati al livello adeguato, verificare se è stato creato alcun ponte tra l'elettrodo TAC e circostanti elettrodi EEG a causa della fuoriuscita di gel.
- Applicare breve stimolazione sinusoidale, con una intensità di interessi sperimentali (per esempio, 1 mA picco-picco).
Nota: A causa delle limitazioni di alcuni sistemi (vedi tabella dei materiali), è not possibile verificare per colmare on-line, ma solo attraverso l'applicazione di stimolazione e quindi verificare se qualsiasi canale dell'amplificatore EEG si satura. - Vedere se qualsiasi canale è saturo mentre stimolante.
Nota: Come evidente dai risultati rappresentativi, colmando con perdite di gel tra gli elettrodi TAC e EEG si tradurrà in saturare questo canale dell'amplificatore EEG e di escludere la registrazione di dati provenienti da questi elettrodi. Non è possibile annullare un ponte con fuoriuscita di gel una volta che è stato stabilito. L'unica opzione è quella di interrompere l'esperimento.
- Applicare breve stimolazione sinusoidale, con una intensità di interessi sperimentali (per esempio, 1 mA picco-picco).
- Controllare impedenze una volta di più. Poi iniziare la registrazione.
Representative Results
Alcuni esempi sono riportati di TAC-EEG simultanei senza successo e di successo misurazioni ottenute da due registrazioni diverse (Figura 5). Due TAC elettrodi sono stati collocati sul cuoio capelluto (F3 e P3 elettrodi) e l'intensità dei TAC era 0,9 mA (picco-picco). Nel primo esempio, l'elettrodo F3 EEG è stato colmato con l'elettrodo tACS frontali con gel (da notare che quando si citano "ponte" tutta la discussione di seguito, indichiamo la formazione di un collegamento diretto da gel EEG creando un contatto tra la TAC e EEG elettrodi). Il ponte subito satura il canale F3 e segnali EEG durante TAC non potevano essere registrati (Figura 5A). Nel secondo esempio, segnali EEG sono stati registrati con successo mentre tACS applicabili (Figura 5B).
Per valutare la distribuzione spaziale della grandezza del manufatto tACS, lagrandezza del manufatto tACS stato calcolato durante la registrazione di successo ottenuto da tre soggetti. tACS stata applicata sia al DLPFC (elettrodo F3) o PPC (elettrodo P3). L'intensità dei TAC era 0,9 mA (picco-picco) .It è stato osservato che l'ampiezza picco-picco del manufatto tACS era inversamente correlato con la distanza tra l'elettrodo e EEG tACS (Figura 6A e 6B). Inoltre, la posizione dell'elettrodo di riferimento EEG rispetto all'elettrodo tACS influenzato anche la distribuzione spaziale della grandezza del manufatto tACS attraverso i canali EEG (Figura 6A e 6B). La grandezza del manufatto tACS varia da 10 mV a elettrodi EEG più distanti dal sito di stimolazione, mentre la grandezza può arrivare fino a 100 mV all'elettrodo EEG al centro dell'elettrodo tACS. Il rapporto tra l'intensità della corrente di TAC e la grandezza di manufatti in prossimità delelettrodo tACS stato anche esaminato (Figura 7). E 'esposto relazioni lineari e satura il campo di tensione di registrazione quando tACS intensità di corrente era più di 1,6 mA.
Figura 1. Illustrazione del montaggio. (A) Montaggio con due elettrodi TACS posti sul cuoio capelluto (F3 e P3). (B) in sequenza con uno tACS elettrodo posto sul cuoio capelluto (F3) e un elettrodo di riferimento tACS posto sulla spalla omolaterale. (C) in sequenza con uno tACS elettrodo posto sul cuoio capelluto (P3) e un elettrodo di riferimento tACS posto sulla spalla omolaterale. (D) Un tappo elastico EEG tiene l'elettrodo tACS cuoio al posto sotto il tappo. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. La corretta applicazione di ulteriori gel EEG sotto un elettrodo tACS. Gel EEG addizionale deve essere applicato sotto l'elettrodo tACS per migliorare l'omogeneità della connessione al cuoio capelluto. Il gel supplementare dovrebbe essere applicata tra i capelli e il cuoio capelluto (freccia blu), e non tra l'elettrodo TAC e capelli, per migliorare il contatto. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. migliorare il collegamento degli elettrodi EEG al cuoio capelluto. (A) Applicare gel EEG agli elettrodi EEG utilizzando una siringa. Utilizzare il tip dell'ago per spazzolare via i capelli sotto dell'elettrodo EEG, quindi inserire e far scendere l'ago finché la punta dell'ago tocca il cuoio capelluto accuratamente. Applicare gel tirando l'ago, per creare un collegamento tra la cute e l'elettrodo EEG. (B) Utilizzare un bastone di legno (ad esempio, il manico di legno di un batuffolo di cotone o simile) per migliorare ulteriormente il contatto tra gli elettrodi EEG e il cuoio capelluto. Abbassare il gel con il bastone verso il cuoio capelluto, e strofinare molto delicatamente il cuoio capelluto con la parte superiore del bastone con un movimento rotatorio. Prova a mantenere l'angolo del bastone ortogonalmente al cuoio capelluto per elettrodi posti in stretta prossimità dell'elettrodo tACS, come movimenti sideway della chiavetta saranno stendere il gel sotto l'elettrodo. Se necessario, applicare un po 'di più di gel EEG, e quindi utilizzare il bastone di legno per migliorare ulteriormente l'impedenza. Per elettrodi posti in stretta prossimità dell'elettrodo tACS è anche importante essere prudenti con l'applicazione più gel for lo scopo di migliorare il contatto. Piuttosto cercare di migliorare il contatto il più possibile con il bastone di legno. Infine, una volta buona impedenza è stato raggiunto con il bastone di legno, aggiungere un po 'di gel supplementare per stabilizzare il contatto tra l'elettrodo EEG e il cuoio capelluto. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. Esempio di perdite EEG gel creare un contatto diretto tra TAC e elettrodi EEG. Perdite EEG gel, che crea un contatto diretto tra le TAC e l'elettrodo EEG, si osserva. Transizione quale questo tra i TAC e elettrodi EEG può essere creato per esempio, aggiungendo un eccesso quantità di gel EEG sotto l'elettrodo TAC o l'elettrodo EEG in prossimità dell'elettrodo tACS,o TAC elettrodo essendo mosso. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5. tACS satura l'amplificatore EEG attraverso ponte tramite gel. I dati grezzi provenienti da due registrazioni diverse, si fa riferimento a CPZ, durante il montaggio con TACS cuoio capelluto elettrodi posti al DLPFC (F3 elettrodo) e PCC (elettrodo P3). (A) Il segnale registrato all'elettrodo F3 è saturo causa formazione di ponte con perdite gel EEG tra l'elettrodo F3 EEG e l'elettrodo tACS. (B) I segnali sono registrati con successo da tutti gli elettrodi. La grandezza del manufatto tACS all'elettrodo F3 supera di oltre il 50 mV. Clicca qui per vedereuna versione più grande di questa figura.
Figura 6. L'entità dei TAC manufatti attraverso canali EEG. Grandezze picco-picco dei TAC manufatti in media in tre soggetti (mV). I dati sono i dati grezzi, si fa riferimento a CPZ. (A) La grandezza del manufatto tACS durante il montaggio con un solo tACS cuoio elettrodo posto al DLPFC sinistra (elettrodo F3) e l'elettrodo altri tACS posto sulla spalla sinistra (sequenza 2, Figura 1B). (B) La grandezza del manufatto tACS durante il montaggio con un solo tACS elettrodo posto sulla sinistra PPC (elettrodo P3) e l'elettrodo altri tACS posto sulla spalla sinistra (sequenza 3, Figura 1C). Posizioni di canale (C) EEG. Rosso: canale in sito di stimolazione, blu: i canali nelle immediate vicinanze del sito di stimolazione, Ref (nero grassetto): Riferimento elettrodo (CPZ). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 7. La grandezza del manufatto tACS correlata linearmente con intensità di stimolazione. Picco-picco grandezza del manufatto tACS (mV) da un soggetto a F3 canale. Intensità di 0,5 al 2 mA sono stati applicati in incrementi di 0,1 mA. I dati sono i dati grezzi, si fa riferimento a CPZ. In sequenza con uno tACS cuoio elettrodo posto al DLPFC sinistra (elettrodo F3) e l'elettrodo altri tACS posto sulla spalla sinistra (sequenza 2, Figura 1B). I dati mostrano una relazione lineare perfetta tra l'intensità di stimolazione applicata e dell'entità di tACS manufatto, nella gamma di intensità da 0,5 a 1,6 mA. La risoluzione di tensione è stato fissato a 150 mV, ma il Actuagamma l acquisizione massima era 161,6 mV oltre la quale il segnale era saturo. La linea tratteggiata indica la portata massima della tensione. Con intensità di stimolazione di 1,7 mA e superiori, quando risultanti grandezze artefatto sono stati più di 161,6 mV, il canale F3 era saturo. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Discussion
Esperimenti Le procedure di istituire concorrenti tACS-EEG sono descritte qui. Ci rivolgiamo ora a discutere le considerazioni per la messa a punto delle registrazioni tACS-EEG, di cui i primi due considerazioni sono essenziali per il successo delle registrazioni simultanee tACS-EEG.
Evitare tACS-EEG elettrodo ponte tramite gel
E 'fondamentale per evitare collegamento tra EEG e TAC elettrodi attraverso fuoriuscita di gel EEG, come colmare immediatamente satura il rispettivo canale di un amplificatore EEG. Per questo motivo la viscosità del gel EEG è un parametro fondamentale per il successo di registrazione tACS-EEG. Non utilizzare mai un gel EEG fluido, come un fluido rischi gel EEG fuga fuori dall'elettrodo TAC e ponte con elettrodi EEG adiacenti. Allo stesso tempo, un gel molto viscoso EEG ha uno svantaggio nel penetrare i capelli e la pelle lubrificante per ridurre l'impedenza. Per gli elettrodi EEG in prossimità dell'elettrodo tACS, un gel più viscoso può be utilizzato, come si può usare un bastone di legno per abbassare l'impedenza. Per i TAC e gli elettrodi EEG restanti, usare un po 'meno viscoso (anche se non ancora fluido) gel EEG. Questo tipo di gel richiede meno sforzo per impedenze inferiori. Poiché è difficile raschiare sotto l'elettrodo tACS, è meglio usare un gel leggermente meno viscoso qui.
Trattare con TACS grandezze artefatto
Il secondo problema è quello di gestire la grande ampiezza del manufatto tACS, che vanno da 10 mV a EEG Elettrodi distante dalla zona di stimolazione, per più di 100 mV al sito di stimolazione durante l'attuale intensità di stimolazione di 0,9 mA (Figura 6) . la figura 7 illustra la relazione lineare tra le intensità di stimolazione (da 0,5 a 2,0 mA picco-picco) e l'ampiezza risultante del manufatto al sito di stimolazione (canale F3). Una prima misura è quello di mantenere una bassa impedenza di entrambi gli elettrodi EEG e TAC. Insufficientecontatto tra l'elettrodo e il cuoio capelluto tACS crea grandi ampiezze del manufatto tACS nei dati EEG, e inoltre applicata una corrente elettronica tenderebbe ad essere disomogenea. In secondo luogo, occorre considerare il livello di risoluzione del convertitore A / D del sistema EEG. Un convertitore 24 bit A / D può coprire teoricamente un intervallo di 1,68 V con una risoluzione di 0,1 mV / bit. Al contrario, un convertitore A / D 16 bit A con risoluzione 0.1 mV / bit coprirebbe un campo di tensione di 6,5 mV - troppo basso per coprire la gamma del manufatto tACS (Figura 6). Quindi la risoluzione di registrazione di tensione deve essere abbassata. Per coprire grandezze artefatto fino a 100 mV nel sito di stimolazione con un sistema a 16 bit, la risoluzione della registrazione di tensione sarebbe teoricamente necessario abbassare sopra 1.53 mV / bit. Studi recenti, infatti concomitanti tACS-EEG, con un sistema a 16 bit non è riuscito a registrare i segnali EEG dalla zona del sito di stimolazione a causa della saturazione del AMPL ifier anche quando la risoluzione è stata abbassata a 0,5 mV / bit 12,13.
Considerazioni per ridurre l'impedenza degli elettrodi
La ragione per iniziare prima lavorando sulle impedenze degli elettrodi EEG situate al centro o vicinanze dell'elettrodo tACS, è che questi elettrodi EEG richiedono qualche paziente e attento lavoro di evitare ponti. Iniziando con questi elettrodi, non c'è tempo di aspettare fino a quando il gel applicato ha avuto un certo tempo per lubrificare il cuoio capelluto, prima di considerare di applicare più gel EEG, se necessario. Gel dovrebbe essere applicato sotto l'elettrodo tACS una volta che è stato immesso sul cuoio capelluto, in particolare se il partecipante ha un sacco di capelli. Il motivo non è solo per ridurre l'impedenza - buona impedenza può essere raggiunto senza questo passo - ma per ottenere un collegamento uniforme con il cuoio capelluto tutta la superficie dell'elettrodo tACS.
Considerazioni sulla progettazione e montaggio
S copi "> Figura 1 illustra il montaggio degli elettrodi TAC. Il design a forma di ciambella dei TAC cuoio capelluto elettrodi / elettrodi e rettangolare dell'elettrodo tACS spalla sono raffigurati. La forma dell'elettrodo tACS cuoio capelluto permette un elettrodo EEG per essere messi in al centro della zona stimolata. Un vantaggio del disegno a forma di ciambella è che permette di segnale di registrazione dalla zona stimolata. In secondo luogo, ma rende anche più facile mantenere la posizione dell'elettrodo tACS invariato. A seconda del sito di stimolazione, qualche altra forma dell'elettrodo tACS sarebbe più adatto. Una forma elettrodo tACS rettangolari è più adatto quando si registra da un sito tra gli elettrodi EEG.Va avvertito che la forma e la posizione dell'elettrodo tACS non è la stessa come l'area effettivamente stimolata, ma potrebbero essere leggermente spostata 31. Nel decidere la posizione degli elettrodi TACS, modellazione del f correntebasso per stimare la migliore posizione degli elettrodi per il targeting della regione di interesse è sempre fortemente consigliato.
L'impostazione corrente è adatto per la modulazione di attività ritmica in reti su larga scala. Ulteriori stimolazione focale può essere ottenuto in vari modi 13, 32, 33, 34. In primo luogo, ridurre la dimensione dell'elettrodo tACS. Nitsche e colleghi hanno dimostrato che un elettrodo di 3.5 cm 2 può modulare l'eccitabilità della corteccia motoria con tDCS 32. Un secondo approccio è quello di sfruttare una configurazione ad alta definizione 13,33,34, dove un elettrodo di stimolazione è circondato da quattro elettrodi di riferimento. Un altro vantaggio della configurazione ad alta definizione è che la densità di elettrodi EEG può essere aumentata, poiché gli elettrodi di gomma convenzionali limitano lo spazio per posizionare elettrodi EEG e sessanta quattro elettrodi EEG non è possibile attuare la configurazione attuale. Mentre thmodifiche ESE per una maggiore specificità spaziale richiedono diverse procedure di configurazione, le considerazioni tecniche descritte si applicano ancora.
In questo protocollo abbiamo posto gli elettrodi TAC secondo il sistema internazionale 10-20 per EEG elettrodo posizionamento 30. Ottimizzazione Whileindividual di una posizione stimolazione sarebbe l'alternativa, potrebbe costituire un problema per il confronto al variare della posizione stimolazione tra individui nell'esperimento, come il sito di stimolazione varia in relazione ai siti di registrazione EEG. L'uso combinato di recente dimostrato di magnetoencefalografia (MEG) e TAC per Neuling e colleghi 35, potrebbe superare questo problema e TACS problemi artefatti legati, come metodi di filtraggio spaziali con MEG beamforming permette di valutare l'attività cerebrale di un sito indipendente TAC.
Per quanto riguarda il montaggio, due montaggi monopolari sono descritte qui, vale a dire, con extracephalic posizione dell'elettrodo di riferimento (Figura 1B e 1C), e un montaggio unipolare, cioè con entrambi gli elettrodi posti sul cuoio capelluto (Figura 1A) (vedi ulteriori classificazioni di montaggi elettrodo Nasseri et al. 36). Il vantaggio di utilizzare un montaggio monopolare è quello di evitare ulteriore stimolazione cefalica di interesse per lo studio. La preoccupazione principale quando si sceglie un montaggio monopolare è flusso di corrente anche se strutture sottocorticali compreso il tronco encefalico, con il potenziale rischio di modulare le funzioni vitali del tronco encefalico. Entrambi posizionamento spalla extracephalic e omolaterale dell'elettrodo di riferimento è stato confermato non di modulare le funzioni del tronco encefalico per 1 mA intensità di tDCS 37,38 (ad esempio, la variabilità della frequenza cardiaca, la frequenza respiratoria e la pressione sanguigna). Come un montaggio monopolare può avere chiari vantaggi a seconda del disegno sperimentale, vi è la necessità per il test completol'effetto sulle funzioni vitali del tronco durante alte intensità di stimolazione e diversi montaggi monopolari, nonché per comparare l'influenza tra tDCS e tACS.
Si noti che la configurazione ad alta definizione è un'altra soluzione per evitare il problema del montaggio bipolare ulteriore stimolazione cefalica alcun interesse. La configurazione ad alta definizione con un elettrodo di stimolazione circondata da quattro elettrodi di riferimento porta ad alta densità di corrente sotto l'elettrodo centrale e bassa densità di corrente sotto i quattro elettrodi circostanti. Dato che l'effetto della stimolazione dipende dalla densità della corrente, questo significa una modulazione unidirezionale sotto l'elettrodo centrale per la configurazione ad alta definizione, in contrasto alla modulazione bidirezionale di una configurazione a due elettrodi 39.
La percezione visiva flicker indotto da tACS è un fattore limitante critico per l'intensità di stimolazione quando si posiziona il tACS elettrodo sul lobo frontale, grazie alla stimolazione della retina mediante TAC. In particolare, tACS a frequenza di beta-band induce sfarfallio visivo anche a bassa intensità dei TAC 11. Nella nostra esperienza 0,9 mA (picco-picco) stimolazione sulla DLPFC (elettrodo F3) a 6 Hz è un livello di intensità adeguata per minimizzare la sensazione di sfarfallio visivo.
A seconda del disegno sperimentale, potrebbe essere necessario controllare la stimolatore con un dispositivo esterno (se questa funzione è disponibile per lo stimolatore utilizzato). Usiamo una scheda di uscita analogica della forma d'onda per controllare lo stimolatore e inviare trigger per l'amplificatore EEG (vedi ulteriori specifiche hardware e software nella tabella dei materiali). Nel caso dello stimolatore che qui usato (vedere Tabella dei materiali), il livello di rumore di uscita corrente con il telecomando è superiore a quella con l'interfaccia stimolatore incorporato. Da qui la possibilità di controllo remoto lo stimolatore deve essere sceltosolo se richiesto dal disegno sperimentale.
Risoluzione dei problemi di saturazione dei canali EEG
Abbiamo dimostrato che colmare tra i TAC ed elettrodi EEG via fuoriuscita risultati gel EEG nel saturare il rispettivo canale dell'amplificatore EEG e esclude la registrazione dei dati da questi elettrodi (Figura 5A). Ci sono altre ragioni per la saturazione di un canale EEG. Una ragione può essere che il guadagno dell'amplificatore è troppo stretta, e la risoluzione di registrazione di tensione non è stato regolato di conseguenza. In questo caso, la risoluzione della registrazione di tensione deve essere abbassata per coprire la gamma della grandezza del manufatto tACS. Un altro motivo è che il sito di registrazione è troppo vicino al sito di stimolazione. In questo caso, anche una risoluzione di registrazione di tensione molto grossolana potrebbe non ancora coprire la gamma del manufatto. La registrazione deve essere situato lontano dal sito di stimolazione.
Il pro correnteProtocollo descrive esaurientemente le impostazioni e le considerazioni tecniche per concorrenti esperimenti tACS-EEG. Con i metodi per rimuovere il manufatto TAC e dei protocolli per la registrazione di buona qualità durante tACS, tACS sarà veramente un metodo promettente tofurther la nostra comprensione della caratteristica più importante di attività cerebrale, dinamiche ritmiche.
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).
