In this article we explain how to set up a concurrent transcranial alternating current stimulation and EEG experiment.
Oscillatory brain activities are considered to reflect the basis of rhythmic changes in transmission efficacy across brain networks and are assumed to integrate cognitive neural processes. Transcranial alternating current stimulation (tACS) holds the promise to elucidate the causal link between specific frequencies of oscillatory brain activity and cognitive processes. Simultaneous electroencephalography (EEG) recording during tACS would offer an opportunity to directly explore immediate neurophysiological effects of tACS. However, it is not trivial to measure EEG signals during tACS, as tACS creates a huge artifact in EEG data. Here we explain how to set up concurrent tACS-EEG experiments. Two necessary considerations for successful EEG recording while applying tACS are highlighted. First, bridging of the tACS and EEG electrodes via leaking EEG gel immediately saturates the EEG amplifier. To avoid bridging via gel, the viscosity of the EEG gel is the most important parameter. The EEG gel must be viscous to avoid bridging, but at the same time sufficiently fluid to create contact between the tACS electrode and the scalp. Second, due to the large amplitude of the tACS artifact, it is important to consider using an EEG system with a high resolution analog-to-digital (A/D) converter. In particular, the magnitude of the tACS artifact can exceed 100 mV at the vicinity of a stimulation electrode when 1 mA tACS is applied. The resolution of the A/D converter is of importance to measure good quality EEG data from the vicinity of the stimulation site. By following these guidelines for the procedures and technical considerations, successful concurrent EEG recording during tACS will be realized.
Rytmiske dynamik ekstracellulære elektriske strømme i hjernen er blevet observeret for et århundrede 1,2. Mens det meste af denne tid bliver betragtet som ikke-specifik støj i data, de i dag er almindeligt anset for at spille en hovedrolle i informationsbehandling i hjernen 3,4,5,6,7,8,9. Vores forståelse af årsagssammenhængen mellem bestemte frekvenser af oscillerende hjernens aktivitet og kognitive processer har avancerede i det sidste årti gennem udvikling af forskellige indgreb tilgange til direkte modulerende oscillerende aktivitet 8,10. Transcranial vekselstrøm stimulation (TAC) er en sådan lovende tilgang til at modulere rytmisk aktivitet i hjernen 10. TAC er en non-invasiv hjernestimulation metode, som anvender svag vekslende (sinusformede) strømme fra hovedbunden og modulerer ophidselse af hjernebarken i en frekvens-specifik måde 11, 12, </ sup> 13, 14, 15. Mens være en lovende teknik til at studere den rolle, rytmiske aktivitet i hjernen, de neurofysiologiske mekanismer af TAC er stadig undvigende. Flere undersøgelser har rapporteret effekter af TAC på perceptuelle 11,13,16,17,18 og motoriske funktioner 19,20,21,22, samt effekter på højere orden kognitive processer 23,24,25,26,27, 28 . Neurofysiologisk bevis for medrivning af hjernen svingninger efter stimulation er blevet præsenteret ved hjælp af EEG 13, 14, 15. Der er i øjeblikket få rapporter om neurofysiologisk bevismateriale i mennesker for en effekt af TAC under stimulering 12, 13, 22. Da hjernen er meget robust over for ekstern perturbation, er afgørende for at forstå de umiddelbare neurofysiologiske effekter af TAC'er sådan online beviser.
Electroencephalography (EEG), opfange elektrofysiologisk aktivitet i hjernen med høj tidsmæssig opløsning, er et ideelt valg for at studere endogene og indblandede oscillerende neurale aktiviteter. Nylige undersøgelser af Helfrich og kolleger rapporterede online neurofysiologiske virkninger af TAC, men samtidig måling EEG under TAC har vist sig vanskelig på grund af den fremtrædende TAC artefakt 12, 13. For vellykkede samtidige TAC'er-EEG eksperimenter, optagelse god kvalitet EEG data er et vigtigt aspekt, som er i fokus i den nuværende artikel, og på samme tid, før behandlingen metode til at fjerne TAC'erne artefakt er også afgørende. I vores laboratorium har vi udviklet vores egen forbehandling rørledning giver mulighed for fjernelse af TAC'erne artefakt fra EEG data 29. Her vil vi beskrive, hvordan man med held at optage EEG-signaler fra det område stimulering, og tekniske overvejelser er vigtige for en vellykket optagelse.
Procedurerne til at oprette samtidige TAC-EEG eksperimenter er beskrevet her. Vi går nu over til at diskutere overvejelser for opsætning af TAC-EEG optagelser, hvoraf de to første overvejelser er afgørende for en vellykket samtidige TAC-EEG optagelser.
Undgå TAC'er-EEG elektrode bygge bro via gel
Det er afgørende at undgå at bygge bro mellem EEG og TAC'er elektroder gennem utætte EEG-gel, som bygge bro umiddelbart mætter den respektive kanal på en EEG-forstærker. Af denne grund viskositeten af EEG gel er en afgørende parameter for en vellykket TAC-EEG-optagelse. Brug aldrig en flydende EEG-gel, som en væske EEG gel risici flygter ud fra TAC'er elektrode og bro med tilstødende EEG elektroder. Samtidig, en meget viskos gel EEG har en ulempe i at trænge ind i håret og smøre huden for at reducere impedansen. For EEG elektroder i umiddelbar nærhed af TAC elektroden, kan en mere tyktflydende gel be anvendes, som man kan bruge en træpind at sænke impedans. For TAC'erne og resterende EEG elektroder, skal du bruge en lidt mindre tyktflydende (dog stadig ikke væske) EEG-gel. Denne type gel kræver mindre indsats til lavere impedanser. Da det er vanskeligt at skrabe under TAC'erne elektroden, er det bedre at bruge en lidt mindre tyktflydende gel her.
Beskæftiger sig med TAC artefakt størrelser
Det andet spørgsmål er til at håndtere den store størrelse af TAC'erne artefakt, der spænder fra 10 mV ved EEG elektroder fjernt fra det område stimulering, til mere end 100 mV på det sted, stimulering under den nuværende stimulering intensitet på 0,9 mA (figur 6) . Figur 7 illustrerer den lineære sammenhæng mellem stimulation intensiteter (0,5 til 2,0 mA peak-to-peak), og den resulterende størrelse af artefakt på stedet for stimulation (kanal F3). En første foranstaltning er at holde en lav impedans på både EEG og TAC'er elektroder. Utilstrækkeligkontakt mellem TAC'erne elektrode og hovedbunden skaber større amplituder af TAC artefakt i EEG data, og derudover anvendt elektronisk strøm ville tendens til at være inhomogen. For det andet, er man nødt til at overveje opløsningsniveauet af A / D-konverteren af EEG-systemet. En 24 bit A / D-konverter kan teoretisk dækker en række 1,68 V med en 0,1 μV / bit opløsning. Derimod vil en 16 bit A / D konverter med en 0,1 μV / bit opløsning dækker et spændingsområde på 6,5 mV – for lav til at dække det område af TAC artefakt (figur 6). Derfor skal sænkes spændingen optagelse opløsning. For at dække artefakt størrelser på op til 100 mV ved stedet for stimulering med en 16 bit-system, vil spændingen optagelse opløsning teoretisk skal sænkes til over 1,53 μV / bit. Faktisk seneste samtidige TAC'er-EEG studier med et 16 bit system kan ikke optage EEG-signaler i nærheden af stimulering stedet på grund af mætning af AMPL ifier selv når beslutningen blev sænket til 0,5 μV / bit 12,13.
Overvejelser til reduktion af elektrodeimpedans
Grunden til først begynde at arbejde på impedanser af EEG elektroder placeret i midten eller nærhed af TAC elektroden, er, at disse EEG elektroder kræver nogle tålmodige og omhyggelige arbejde for at undgå brodannelse. Ved at starte med disse elektroder, der er tid til at vente, indtil det påførte gel har haft lidt tid til at smøre hovedbunden, før man overvejer at anvende mere EEG-gel, hvis nødvendigt. Yderligere gel bør anvendes under TAC'erne elektroden, når den er placeret på hovedbunden, især hvis deltageren har en masse hår. Årsagen er ikke bare at reducere impedans – god impedans kan opnås uden dette skridt – men for at opnå en ensartet forbindelse med hovedbunden hele overfladen af TAC'erne elektrode.
Design og montage overvejelser
ntent "> Figur 1 illustrerer montage af TAC'erne elektroder. Den doughnut-formede design af hovedbund TAC elektrode / elektroder og den rektangulære skulder TAC elektrode er afbildet. Formen på hovedbund TAC elektrode giver mulighed for en EEG elektrode skal placeres i midten af den stimulerede område. En fordel ved den doughnut formede design er, at det bliver muligt at optage signalet fra den stimulerede område. For det andet, det gør det også nemt at holde positionen af TAC elektroden uændret. Afhængigt af stedet for stimulation, en anden form af TAC'erne elektroden ville være mere passende. en rektangulær TAC elektrode form er bedre egnet, når du optager fra en side i mellem EEG elektroder.Det bør advares om, at formen og positionen af TAC'erne elektroden ikke er det samme som det areal, der faktisk bliver stimuleret, men kan være lidt forskudt 31. Når det besluttes positionen af TAC elektroder, modellering af den aktuelle flav til at estimere den bedste placering af elektroder til at målrette området af interesse er altid kraftigt.
Den nuværende opsætning er egnet til modulering af rytmisk aktivitet i store netværk. Mere focal stimulering kan opnås på flere måder 13, 32, 33, 34. Først reducere størrelsen af TAC'erne elektrode. Nitsche og kolleger har vist, at et 3,5 cm2 elektrode kan modulere ophidselse af den motoriske hjernebark med TDCs 32. En anden metode er at udnytte et high-definition-konfiguration 13,33,34, hvor den ene stimulationselektrode er omgivet af fire referenceelektroder. En anden fordel ved den high definition konfiguration er, at tætheden af EEG-elektroder kan øges, da konventionelle gummi elektroder begrænser plads til at placere EEG elektroder og tres fire EEG elektroder ikke er muligt at gennemføre i den nuværende opsætning. Mens thESE ændringer for højere rumlig specificitet kræver forskellige opsætning, de tekniske overvejelser, der beskrives her gælder stadig.
I denne protokol vi placerer TAC'erne elektroder i henhold til den internationale 10-20 systemet til EEG elektrode positionering 30. Whileindividual optimering af en stimulering placering ville være alternativet, det kan udgøre et problem for sammenligning, når variere stimulation placering blandt individer i eksperimentet, som stimulering webstedet varierer i forhold til EEG optagelse websteder. Den nyligt demonstreret kombinerede brug af magnetoencephalography (MEG) og TAC'er ved Neuling og kolleger 35, kan løse dette problem og TAC'er artefakt-relaterede problemer, som rumlige filtrering metoder med MEG beamforming gør det muligt at estimere hjerneaktivitet uafhængig af en TAC websted.
Med hensyn til montage, er to monopolære montager beskrevet her, dvs med extracephalic placeringen af referenceelektroden (figur 1B og 1C), og en unipolær montage, dvs med begge elektroder placeret på hovedbunden (figur 1A) (se yderligere klassificeringer elektrode montager af Nasseri et al. 36). Fordelen ved at anvende en monopolar montage er undgåelse af yderligere cephalic stimulering af nogen interesse for undersøgelsen. Den primære bekymring, når du vælger en monopolær montage er strømmen dog subkortikale strukturer, herunder hjernestammen, med den potentielle risiko for modulerende vitale hjernestamme funktioner. Både extracephalic og ipsilaterale skulder placering af referenceelektroden er blevet bekræftet ikke at modulere hjernestamme funktioner til 1 mA intensitet TDCs 37,38 (f.eks pulsvariationen, respirationsfrekvens og blodtryk). Som monopolar montage kan have klare fordele afhængigt af den eksperimentelle design, der er behov for omfattende afprøvningvirkningen på vitale hjernestamme funktioner under højere stimulation intensiteter og forskellige monopolære montager, samt til sammenligning påvirkningen mellem TDCs og TAC.
Bemærk, at high-definition konfiguration er en anden løsning til at undgå problemet med den bipolære montage af yderligere cephalic stimulering af nogen interesse. HD-konfiguration med en stimulationselektrode omgivet af fire reference elektroder fører til høj strømtæthed under midterelektroden og lav strømtæthed under de fire omkringliggende elektroder. Som effekten af stimulation afhænger af densiteten af den nuværende, betyder det en ensrettet graduering i henhold til centerelektroden for high-definition konfiguration, i modsætning til den tovejs modulation af en to-elektrode-konfiguration 39.
Visuel flimmer opfattelse fremkaldt af TAC er en kritisk begrænsende faktor for stimulering intensitet, når du placerer TACS elektrode på frontallappen, på grund af retinal stimulation af TAC'er. Især TAC'er på beta-band frekvens inducerer visuel flimrende selv ved lav intensitet af TAC 11. Det er vores erfaring 0,9 mA (peak-to-peak) stimulation over DLPFC (F3 elektrode) ved 6 Hz er en egnet intensitetsniveau at minimere følelsen af visuelle flimmer.
Afhængigt af udformningen af forsøget, kan det være nødvendigt at styre stimulatoren med en ekstern enhed (hvis denne funktion er tilgængelig for stimulator anvendes). Vi bruger en bølgeform analog udgang bord til at styre stimulatoren og sende udløser til EEG-forstærker (se yderligere hardware og software specifikationerne i tabellen af materialer). I tilfælde af stimulatoren, bruges her (se tabel of Materials), støjniveau strømudgang med fjernbetjeningen er højere end med den integrerede stimulator interface. Derfor stimulator skal vælges mulighed for at fjernbetjeningkun hvis det kræves af den eksperimentelle design.
Fejlfinding mætning af EEG kanaler
Vi har vist, at bygge bro mellem de TAC'er og EEG-elektroder via utætte EEG gel resulterer i at mætte den respektive kanal af EEG forstærker og udelukker registrering af data fra disse elektroder (figur 5A). Der er andre grunde til mætning af en EEG-kanal. En årsag kan være, at gevinsten af forstærkeren er for snæver, og spændingen optagelse opløsning er ikke blevet justeret i overensstemmelse hermed. I dette tilfælde skal sænkes for at dække det område af størrelsen af TAC'erne artefakt spændingen optagelse opløsning. En anden grund er, at optagestedet er for tæt på stimulering site. I dette tilfælde, måske endda en meget grov spænding optagelse opløsning stadig ikke dækker området af artefakt. Optagelse skal placeres længere væk fra stimulering site.
Den nuværende proprotokol omfattende viser de indstillinger og tekniske overvejelser for samtidige TAC'er-EEG eksperimenter. Med metoder til at fjerne TAC'erne artefakt og protokoller for god kvalitet optagelse under TAC'er vil TAC'erne virkelig være en lovende metode tofurther vores forståelse af de mest fremtrædende træk ved hjernens aktivitet, rytmiske dynamik.
The authors have nothing to disclose.
This project has been supported by the Japan Science and Technology Agency (JST) PRESTO program.
Stimulator for tACS: Eldith DC-Stimulator plus | NeuroConn GmbH, Germany | For remote input, be sure to order a model with this feature enabled | |
Analog Output board for sending triggers: Static and Waveform Analog Output board, model NI PCI-6723 | National Instruments, USA | 13-bit, 32 channels. | |
Matlab and data acquisition toolbox | The MathWorks, Inc., USA | The 'Data acquisition toolbox' available for MATLAB provides functions to control data acquisition hardware such as an analog output board, produced by several manufacturers. | |
EEG system: eegosports, with a 32 channel waveguard EEG cap | ANT neuro, Netherlands | ||
tACS electrodes | NeuroConn GmbH, Germany | 305090-05 305050 | Materials: conductive-rubber electrodes. Dimensions of scalp electrodes: Outer Ø: 60 mm, Inner Ø:25 mm (Part# 305090-05) Cut from the original size Ø 75mm Dimensions of shoulder electrode: 50 x 50 mm (Part# 305050) |
EEG gel | Inselspital, Bern, Switzerland | Electrode paste, containing abrasives (i.e. pumice) which scrub the skin, improving the electrode-to-skin contact. | |
Abrasive skin preparing gel for EEG and electrocardiography: Nuprep | Weaver and Company, USA | ||
Cotton swabs, wooden handle | Salzmann MEDICO, Switzerland | Dimensions: 150 x 1.5 mm; wooden handle Ø 2.2 mm |
|
Adhesive tape: Leukofix | BNS medical GmbH, Germany | 04.107.12 |