Transcranial बारी वर्तमान उत्तेजना के दौरान समवर्ती Electroencephalography रिकॉर्डिंग (दूसस)
Summary
In this article we explain how to set up a concurrent transcranial alternating current stimulation and EEG experiment.
Abstract
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.
Introduction
मस्तिष्क में बाह्य विद्युत धाराओं की लयबद्ध गतिशीलता एक सदी 1,2 के लिए मनाया गया है। इस समय के सबसे अधिक डेटा में गैर विशिष्ट शोर के रूप में माना जा रहा है, वहीं आज वे व्यापक रूप से मस्तिष्क 3,4,5,6,7,8,9 में सूचना संसाधन में एक प्रमुख भूमिका निभाने के लिए माना जाता है। Oscillatory मस्तिष्क की गतिविधियों और संज्ञानात्मक प्रक्रियाओं के विशिष्ट आवृत्तियों के बीच कारण लिंक की हमारी समझ को सीधे oscillatory गतिविधि 8,10 नियमन करने के लिए दृष्टिकोण विभिन्न हस्तक्षेप के विकास के माध्यम से पिछले एक दशक में उन्नत किया गया है। वर्तमान उत्तेजना (दूसस) बारी Transcranial मस्तिष्क 10 में लयबद्ध गतिविधि मिलाना ऐसे ही एक आशाजनक दृष्टिकोण है। दूसस 11, 12, <खोपड़ी से कमजोर बारी (sinusoidal) धाराओं लागू होता है और एक आवृत्ति विशेष तरीके में सेरेब्रल कॉर्टेक्स के excitability modulates जो एक गैर-आक्रामक मस्तिष्क उत्तेजना विधि है,/ Sup> 13, 14, 15। मस्तिष्क में लयबद्ध गतिविधि की भूमिका का अध्ययन करने के लिए एक आशाजनक तकनीक से किया जा रहा है, वहीं दूसस की neurophysiological तंत्र अभी भी मायावी हैं। कई अध्ययनों से उच्च आदेश संज्ञानात्मक प्रक्रियाओं 23,24,25,26,27, 28 पर अवधारणात्मक 11,13,16,17,18 पर दूसस के प्रभाव और मोटर कार्यों 19,20,21,22, साथ ही प्रभाव की सूचना दी है । उत्तेजना के बाद मस्तिष्क दोलनों की entrainment के लिए neurophysiological सबूत ईईजी 13, 14, 15 का उपयोग कर प्रस्तुत किया गया है। उत्तेजना 12, 13, 22 के दौरान दूसस का एक प्रभाव के लिए मानव में neurophysiological सबूत के कुछ रिपोर्टों वर्तमान में कर रहे हैं। मस्तिष्क बाहरी गड़बड़ी के लिए बेहद मजबूत है, इस तरह के ऑनलाइन सबूत दूसस की तत्काल neurophysiological प्रभाव को समझने के लिए महत्वपूर्ण है।
चुनावtroencephalography (ईईजी), उच्च अस्थायी समाधान के साथ मस्तिष्क में electrophysiological गतिविधि पर कब्जा, अंतर्जात और entrained oscillatory तंत्रिका गतिविधियों के अध्ययन के लिए एक आदर्श विकल्प है। हाल ही Helfrich द्वारा अध्ययन और उनके सहयोगियों ने दूसस की ऑनलाइन neurophysiological प्रभाव की सूचना दी, लेकिन दूसस दौरान ईईजी को मापने के लिए एक ही समय में होने के कारण प्रमुख दूसस विरूपण साक्ष्य 12, 13 के लिए मुश्किल साबित हो गया है। सफल समवर्ती दूसस-ईईजी प्रयोगों के लिए, अच्छी गुणवत्ता ईईजी डेटा रिकॉर्डिंग वर्तमान लेख का ध्यान केंद्रित है जो एक महत्वपूर्ण पहलू है, और एक ही समय में दूसस विरूपण साक्ष्य को दूर करने के लिए पूर्व प्रसंस्करण विधि भी महत्वपूर्ण है। हमारी प्रयोगशाला में, हम ईईजी डेटा 29 से दूसस विरूपण साक्ष्य को हटाने के लिए अनुमति देता है हमारे अपने पूर्व प्रसंस्करण पाइप लाइन विकसित किया गया है। यहाँ हम सफलतापूर्वक उत्तेजना का क्षेत्र है, और सफल रिकॉर्डिंग के लिए महत्वपूर्ण तकनीकी कारणों से ईईजी संकेतों को रिकॉर्ड करने के लिए कैसे का वर्णन करेंगे।
Protocol
Representative Results
Discussion
प्रक्रियाओं को स्थापित करने के समवर्ती दूसस-ईईजी प्रयोगों यहाँ वर्णित हैं। अब हम दो पहले विचार सफल समवर्ती दूसस-ईईजी रिकॉर्डिंग के लिए महत्वपूर्ण हैं, जिनमें से दूसस-ईईजी रिकॉर्डिंग की स्थापना के लिए विचार पर चर्चा की बारी है।
जेल के माध्यम से पाटने दूसस-ईईजी इलेक्ट्रोड से बचना
तुरंत ब्रिजिंग एक ईईजी एम्पलीफायर के संबंधित चैनल संतृप्त, क्योंकि यह लीक ईईजी जेल के माध्यम से ईईजी और दूसस इलेक्ट्रोड के बीच ब्रिजिंग से बचने के लिए महत्वपूर्ण है। इस कारण से ईईजी जेल की चिपचिपाहट सफल दूसस-ईईजी रिकॉर्डिंग के लिए एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है। कभी एक तरल पदार्थ ईईजी जेल जोखिम आसन्न ईईजी इलेक्ट्रोड के साथ दूसस इलेक्ट्रोड और पुल से बाहर भागने के रूप में, एक तरल पदार्थ ईईजी जेल का उपयोग करें। इसी समय, एक बहुत चिपचिपा ईईजी जेल बाल मर्मज्ञ और प्रतिबाधा कम करने के लिए त्वचा की चिकनाई में एक नुकसान है। दूसस इलेक्ट्रोड के करीब निकटता में ईईजी इलेक्ट्रोड के लिए, एक अधिक चिपचिपा जेल सकते हैं खएक प्रतिबाधा कम करने के लिए एक लकड़ी की छड़ी का उपयोग कर सकते हैं के रूप में ई का उपयोग किया था। दूसस और शेष ईईजी इलेक्ट्रोड के लिए, ईईजी जेल (अभी भी तरल पदार्थ नहीं है, हालांकि) एक से थोड़ा कम चिपचिपा का उपयोग करें। जेल के इस प्रकार के कम impedances के लिए कम प्रयास की आवश्यकता है। यह दूसस इलेक्ट्रोड के तहत परिमार्जन करने के लिए मुश्किल है, यह यहाँ एक से थोड़ा कम चिपचिपा जेल का उपयोग करने के लिए बेहतर है।
दूसस विरूपण साक्ष्य परिमाण के साथ लेनदेन
दूसरा मुद्दा 0.9 मा की वर्तमान उत्तेजना तीव्रता के दौरान उत्तेजना के स्थल पर ईईजी पर एम वी उत्तेजना के क्षेत्र से दूर इलेक्ट्रोड 10 से, 100 से अधिक एम वी को लेकर दूसस विरूपण साक्ष्य के बड़े परिमाण को संभालने के लिए है (चित्रा 6) । चित्रा 7 उत्तेजना तीव्रता के बीच रैखिक संबंध दिखाता है और उत्तेजना (चैनल F3) की साइट पर विरूपण साक्ष्य के परिणामस्वरूप परिमाण (0.5 मा चोटी से पीक 2.0 के लिए)। एक पहला उपाय दोनों ईईजी और दूसस इलेक्ट्रोड की एक कम प्रतिबाधा रखने के लिए है। नाकाफीदूसस इलेक्ट्रोड और खोपड़ी के बीच संपर्क ईईजी डेटा में दूसस विरूपण साक्ष्य के बड़े आयाम पैदा करता है, और इसके अलावा में इलेक्ट्रॉनिक वर्तमान inhomogeneous हो जाते होगा लागू होता है। दूसरा, एक ईईजी प्रणाली के ए / डी कनवर्टर का संकल्प स्तर पर विचार करने की जरूरत है। एक 24 बिट ए / डी कनवर्टर सैद्धांतिक रूप से एक 0.1 μV / बिट संकल्प के साथ 1.68 वी के एक रेंज को कवर कर सकते हैं। दूसस विरूपण साक्ष्य (चित्रा 6) की रेंज को कवर करने के लिए बहुत कम है – इसके विपरीत, एक 0.1 μV / सा संकल्प के साथ एक 16 बिट ए / डी कनवर्टर 6.5 एम वी के एक वोल्टेज रेंज को कवर किया जाएगा। इसलिए वोल्टेज रिकॉर्डिंग संकल्प उतारा जा करने की जरूरत है। एक 16 बिट सिस्टम के साथ उत्तेजना के स्थल पर अप करने के लिए 100 एम वी के विरूपण साक्ष्य परिमाण को कवर करने के लिए, वोल्टेज रिकॉर्डिंग संकल्प सैद्धांतिक रूप से 1.53 μV / सा ऊपर तक कम किया जा करने की आवश्यकता होगी। कारण ampl की संतृप्ति के लिए उत्तेजना साइट के आसपास के क्षेत्र से ईईजी संकेतों रिकॉर्ड नहीं कर सकता एक 16 बिट सिस्टम के साथ वास्तव में हाल के समवर्ती दूसस-ईईजी अध्ययन ifier भी संकल्प 0.5 μV के लिए उतारा गया जब / 12,13 काटा।
इलेक्ट्रोड प्रतिबाधा को कम करने के लिए विचार
कारण पहले दूसस इलेक्ट्रोड के बीच या आसपास के क्षेत्र में स्थित ईईजी इलेक्ट्रोड के impedances पर काम शुरू करने के लिए, इन ईईजी इलेक्ट्रोड ब्रिजिंग से बचने के लिए कुछ रोगी और सावधान काम करने की आवश्यकता है। इन इलेक्ट्रोड के साथ शुरू करके, एप्लाइड जेल यदि आवश्यक हो तो अधिक ईईजी जेल आवेदन पर विचार करने से पहले, खोपड़ी चिकना करने के लिए कुछ समय दिया गया है जब तक इंतजार करने के लिए समय नहीं है। प्रतिभागी बालों का एक बहुत कुछ किया है, तो यह विशेष रूप से, सिर पर रखा गया है एक बार अतिरिक्त जेल दूसस इलेक्ट्रोड के तहत लागू किया जाना चाहिए। अच्छा प्रतिबाधा इस कदम के बिना हासिल किया जा सकता है – – लेकिन दूसस इलेक्ट्रोड की सतह भर में खोपड़ी के साथ एक समान कनेक्शन प्राप्त करने के कारण सिर्फ प्रतिबाधा कम करने के लिए नहीं है।
डिजाइन और असेंबल विचार
एक ईईजी इलेक्ट्रोड में रखा जा करने के लिए ntent "> चित्रा 1 दूसस इलेक्ट्रोड के असेंबल दिखाता है। खोपड़ी दूसस इलेक्ट्रोड / इलेक्ट्रोड की डोनट के आकार का डिजाइन और आयताकार कंधे दूसस इलेक्ट्रोड चित्रित कर रहे हैं। खोपड़ी दूसस इलेक्ट्रोड के आकार की अनुमति देता है उत्तेजित क्षेत्र के बीच। डोनट के आकार का डिजाइन का एक फायदा यह उत्तेजित क्षेत्र से संकेत रिकॉर्डिंग के लिए अनुमति देता है। दूसरे, यह भी कहा कि यह आसान अपरिवर्तित दूसस इलेक्ट्रोड की स्थिति को बनाये रखने के लिए बनाता है। उत्तेजना की साइट पर निर्भर करता है, दूसस इलेक्ट्रोड के कुछ अन्य आकार और अधिक उपयुक्त होगा। ईईजी इलेक्ट्रोड के बीच में एक साइट से जब रिकॉर्डिंग एक आयताकार दूसस इलेक्ट्रोड आकार बेहतर अनुकूल है।यह दूसस इलेक्ट्रोड का आकार और स्थिति वास्तव में प्रेरित किया जा रहा क्षेत्र के रूप में ही नहीं है, लेकिन थोड़ा होना 31 स्थानांतरित कर दिया गया हो सकता है कि आगाह किया जाना चाहिए। वर्तमान च की दूसस इलेक्ट्रोड की स्थिति, मॉडलिंग जब तयहित के क्षेत्र को निशाना बनाने के लिए इलेक्ट्रोड की सबसे अच्छी स्थिति का अनुमान लगाने के लिए कम हमेशा दृढ़ता से सलाह दी है।
मौजूदा सेटअप बड़े पैमाने पर नेटवर्क में लयबद्ध गतिविधि के मॉडुलन के लिए उपयुक्त है। अधिक फोकल उत्तेजना कई मायनों में 13, 32, 33, 34 में प्राप्त किया जा सकता है। सबसे पहले, दूसस इलेक्ट्रोड के आकार को कम। Nitsche और उनके सहयोगियों ने एक 3.5 सेमी 2 इलेक्ट्रोड tDCS 32 के साथ मोटर कोर्टेक्स के excitability मिलाना कर सकते हैं कि पता चला है। एक दूसरा दृष्टिकोण एक उत्तेजना इलेक्ट्रोड चार संदर्भ इलेक्ट्रोड से घिरा हुआ है, जहां एक उच्च परिभाषा विन्यास 13,33,34, शोषण करने के लिए है। उच्च परिभाषा विन्यास का एक अन्य लाभ यह है कि पारंपरिक रबर इलेक्ट्रोड ईईजी इलेक्ट्रोड और चौंसठ ईईजी इलेक्ट्रोड जगह करने के लिए अंतरिक्ष की सीमा के बाद से ईईजी इलेक्ट्रोड का घनत्व, मौजूदा सेटअप में लागू करने के लिए संभव नहीं है और बढ़ाया जा सकता है। वें जबकिउच्च स्थानिक विशिष्टता के लिए ese संशोधनों अलग सेटअप प्रक्रियाओं की आवश्यकता है, यहाँ वर्णित तकनीकी कारणों से अभी भी लागू होते हैं।
इस प्रोटोकॉल में हम ईईजी इलेक्ट्रोड पोजीशनिंग 30 के लिए अंतरराष्ट्रीय 10-20 प्रणाली के अनुसार दूसस इलेक्ट्रोड जगह है। एक उत्तेजना स्थान के Whileindividual अनुकूलन उत्तेजना साइट ईईजी रिकॉर्डिंग साइटों के संबंध में बदलता है, के रूप में प्रयोग में व्यक्तियों के बीच उत्तेजना स्थान बदलती जब यह तुलना के लिए एक समस्या का गठन हो सकता है, विकल्प होगा। एमईजी beamforming के साथ स्थानिक छानने के तरीकों के लिए एक दूसस साइट के स्वतंत्र मस्तिष्क की गतिविधियों का अनुमान लगाने के लिए अनुमति देता है के रूप में magnetoencephalography (एमईजी) और दूसस की हाल ही में प्रदर्शन संयुक्त उपयोग, Neuling और उनके सहयोगियों ने 35 से, इस समस्या को और दूसस विरूपण साक्ष्य से संबंधित समस्याओं को दूर कर सकता है।
असेंबल के संबंध में, दो Monopolar montages extracephali साथ, यानी, यहां वर्णित हैंखोपड़ी (चित्रा 1 ए) पर स्थित दोनों इलेक्ट्रोड के साथ संदर्भ इलेक्ट्रोड (चित्रा 1 बी और 1 सी), और एक एकध्रुवीय असेंबल, यानी, के सी स्थान (Nasseri एट अल। 36 से इलेक्ट्रोड montages के आगे वर्गीकरण देखें)। एक monopolar असेंबल उपयोग कर के लाभ के अध्ययन के लिए कोई ब्याज की अतिरिक्त मस्तक उत्तेजना का बचाव है। एक monopolar असेंबल का चयन करते समय प्राथमिक चिंता का विषय महत्वपूर्ण मस्तिष्क कार्यों नियमन के संभावित खतरे के साथ मस्तिष्क सहित subcortical संरचनाओं हालांकि वर्तमान प्रवाह है। संदर्भ इलेक्ट्रोड के दोनों extracephalic और ipsilateral कंधे प्लेसमेंट tDCS 37,38 के 1 मा तीव्रता के लिए मस्तिष्क कार्यों को व्यवस्थित करना नहीं इस बात की पुष्टि की गई है (उदाहरण के लिए, हृदय की दर परिवर्तनशीलता, सांस की गति और रक्तचाप)। एक monopolar असेंबल प्रयोगात्मक डिजाइन के आधार पर स्पष्ट लाभ हो सकता है के रूप में, व्यापक परीक्षण के लिए एक की जरूरत हैउच्च उत्तेजना तीव्रता और विभिन्न Monopolar montages के दौरान महत्वपूर्ण मस्तिष्क कार्यों पर प्रभाव, साथ ही tDCS और दूसस के बीच प्रभाव की तुलना के लिए।
कि उच्च परिभाषा विन्यास कोई ब्याज की अतिरिक्त मस्तक उत्तेजना की द्विध्रुवी असेंबल की समस्या से बचने के लिए एक और उपाय है ध्यान दें। चार संदर्भ इलेक्ट्रोड से घिरा हुआ एक उत्तेजना इलेक्ट्रोड के साथ उच्च परिभाषा विन्यास चार आसपास इलेक्ट्रोड के तहत केंद्र इलेक्ट्रोड और कम मौजूदा घनत्व के तहत उच्च वर्तमान घनत्व की ओर जाता है। उत्तेजना का प्रभाव वर्तमान के घनत्व पर निर्भर करता है, यह एक दो इलेक्ट्रोड विन्यास 39 की द्वि-दिशात्मक मॉडुलन के विपरीत उच्च परिभाषा विन्यास के लिए केंद्र इलेक्ट्रोड के तहत एक दिशाहीन मॉडुलन, इसका मतलब है।
दूसस से प्रेरित दृश्य झिलमिलाहट धारणा टा रखकर जब उत्तेजना तीव्रता के लिए एक महत्वपूर्ण कारक सीमित हैदूसस द्वारा रेटिना उत्तेजना के कारण ललाट पालि पर सीएस इलेक्ट्रोड,। विशेष रूप से, बीटा-बैंड आवृत्ति पर दूसस भी दूसस 11 वर्ष की कम तीव्रता पर दृश्य चंचल लाती है। 6 हर्ट्ज पर हमारे अनुभव 0.9 मा DLPFC (F3 इलेक्ट्रोड) पर (पीक से पीक) उत्तेजना में दृश्य चंचल की अनुभूति को कम से कम करने के लिए एक उपयुक्त तीव्रता के स्तर पर है।
प्रयोग के डिजाइन पर निर्भर करता है, यह (इस समारोह का इस्तेमाल उत्तेजक के लिए उपलब्ध है तो) एक बाहरी उपकरण के साथ उत्तेजक नियंत्रित करने के लिए आवश्यक हो सकता है। हम उत्तेजक को नियंत्रित करने और ईईजी एम्पलीफायर को चलाता भेज (सामग्री की तालिका में आगे हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर विनिर्देशों देखें) करने के लिए एक तरंग अनुरूप उत्पादन बोर्ड का उपयोग करें। (सामग्री की तालिका देखें) यहां इस्तेमाल किया है कि उत्तेजक के मामले में, रिमोट कंट्रोल के साथ वर्तमान उत्पादन के शोर के स्तर एम्बेडेड उत्तेजक इंटरफेस के साथ तुलना में अधिक है। इसलिए रिमोट कंट्रोल करने के लिए विकल्प उत्तेजक चुना जाना चाहिएकेवल प्रयोगात्मक डिजाइन द्वारा यदि आवश्यक।
ईईजी चैनलों की समस्या निवारण संतृप्ति
हम ईईजी एम्पलीफायर के संबंधित चैनल को संतृप्त में ईईजी जेल परिणाम लीक के माध्यम से दूसस और ईईजी इलेक्ट्रोड के बीच ब्रिजिंग कि दिखाया गया है और इन इलेक्ट्रोड (चित्रा 5 ए) से रिकॉर्डिंग डेटा बाहर नियम है। एक ईईजी चैनल की संतृप्ति के लिए अन्य कारण हैं। एक कारण यह एम्पलीफायर का लाभ भी संकीर्ण है, और वोल्टेज रिकॉर्डिंग संकल्प के अनुसार समायोजित नहीं किया गया है कि हो सकता है। इस मामले में वोल्टेज रिकॉर्डिंग संकल्प दूसस विरूपण साक्ष्य की भयावहता की रेंज को कवर करने के लिए उतारा जाना चाहिए। एक अन्य कारण रिकॉर्डिंग साइट उत्तेजना साइट के लिए भी बंद है। इस मामले में, यहां तक कि एक बहुत मोटे वोल्टेज रिकॉर्डिंग संकल्प अभी भी विरूपण साक्ष्य की रेंज को कवर नहीं हो सकता है। रिकॉर्डिंग आगे दूर उत्तेजना साइट से स्थित होना चाहिए।
वर्तमान समर्थकtocol व्यापक समवर्ती दूसस-ईईजी प्रयोगों के लिए सेटिंग्स और तकनीकी कारणों से दर्शाया गया है। तरीकों दूसस के दौरान अच्छी गुणवत्ता रिकॉर्डिंग के लिए दूसस विरूपण साक्ष्य और प्रोटोकॉल को दूर करने के साथ, दूसस वास्तव में मस्तिष्क की गतिविधियों, लयबद्ध गतिशीलता की सबसे प्रमुख विशेषता के बारे में हमारी समझ tofurther एक आशाजनक तरीका हो जाएगा।
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This project has been supported by the Japan Science and Technology Agency (JST) PRESTO program.
Materials
| 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 |
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