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 dynamikken i ekstracellulære elektriske strømmer i hjernen er blitt observert i et århundre 1,2. Mens mesteparten av denne tiden blir betraktet som ikke-spesifikk støy i dataene, i dag de er allment ansett for å spille en hovedrolle i informasjonsbehandling i hjernen 3,4,5,6,7,8,9. Vår forståelse av årsakssammenheng mellom bestemte frekvenser i oscillasjon hjernens aktivitet og kognitive prosesser har avansert i det siste tiåret gjennom utvikling av ulike inngrep tilnærminger for direkte moduler oscillasjon aktivitet 8,10. Transkraniell vekselstrøm stimulering (TACS) er en slik lovende tilnærming til å modulere rytmisk aktivitet i hjernen 10. TACS er en ikke-invasiv hjernestimulasjon metode, som gjelder svake veksel (sinusformet) strømmer fra hodebunnen og modulerer eksitabilitet i hjernebarken i et frekvens-spesifikk måte 11, 12, </ sup> 13, 14, 15. Samtidig som en lovende metode for å studere rollen til rytmisk aktivitet i hjernen, nevrofysiologiske mekanismer for TACS er fortsatt ukjent. Flere studier har rapportert effekter av kvoter på perseptuelle 11,13,16,17,18 og motoriske funksjoner 19,20,21,22, samt effekter på høyere orden kognitive prosesser 23,24,25,26,27, 28 . Nevrofysiologiske bevis for medføring av hjerne svingninger etter stimulering har vært presentert ved hjelp av EEG 13, 14, 15. Det er i dag få rapporter om nevrofysiologiske bevis hos mennesker for en effekt av kvoter under stimulering 12, 13, 22. Som hjernen er svært robust for ytre forstyrrelse, er en slik online bevis avgjørende for å forstå den umiddelbare nevrofysiologiske effekter av kvoter.
Electroencephalography (EEG), fange elektrofysiologisk aktivitet i hjernen med høy tidsoppløsning, er et ideelt valg for å studere endogen og medrevne oscillasjon nevrale aktiviteter. Nyere studier av Helfrich og kolleger rapporterte online nevrofysiologiske effekter av kvoter, men samtidig måle EEG under TACS har vist seg vanskelig på grunn av den fremtredende TACS artefakt 12, 13. For vellykket samtidige TACS-EEG-eksperimenter, opptak av god kvalitet EEG data er en viktig del, som er i fokus for det aktuelle artikkel, og samtidig som den pre-prosesseringsmetode for å fjerne TACS gjenstanden er også avgjørende. I vår lab, har vi utviklet vår egen pre-prosessering rørledning åpner for fjerning av TACS gjenstanden fra EEG data 29. Her vil vi beskrive hvordan du lykkes i å ta EEG-signaler fra området av stimulering, og tekniske hensyn viktige for vellykkede opptak.
Prosedyrene for å sette opp samtidige TACS-EEG eksperimenter er beskrevet her. Vi slår nå for å diskutere betraktninger for oppsett av TACS-EEG opptak, hvorav de to første hensyn er avgjørende for vellykkede samtidige TACS-EEG opptak.
Unngå TACS-EEG elektroder bridging via gel
Det er avgjørende å unngå å bygge bro mellom EEG og TACS elektroder gjennom lekker EEG gel, som å bygge bro umiddelbart metter den respektive kanalen for en EEG forsterker. Av denne grunn viskositet av EEG gel er en avgjørende parameter for en vellykket TACS-EEG-opptak. Bruk aldri en væske EEG gel, som en væske EEG gel risiko rømmer ut fra TACS elektroden og bru med tilstøtende EEG elektroder. På samme tid har en meget viskøs gel EEG en ulempe i å trenge inn i håret og smører huden for å redusere impedansen. For EEG elektroder i nærheten av TACS elektrode, kan en mer tyktflytende gel be brukt, som man kan bruke en trepinne til å senke impedansen. For TACS og gjenværende EEG elektroder, bruke en litt mindre viskøs (men fortsatt ikke væske) EEG gel. Denne typen gel krever mindre innsats til lavere impedanser. Ettersom det er vanskelig å skrape under TACS elektrode, er det bedre å bruke en litt mindre viskøs gel her.
Håndteringen TACS artefakt størrelser
Det andre problemet er å håndtere den store størrelsen på TACS gjenstanden, i området fra 10 mV til EEG-elektroder fjernt fra området av stimuleringen, til mer enn 100 mV på stedet av stimulering i løpet av den foreliggende stimulering intensitet på 0,9 mA (figur 6) . Figur 7 illustrerer det lineære forholdet mellom stimuleringsintensitet (0,5 til 2,0 mA peak-to-peak) og den resulterende størrelsen av gjenstanden på stedet av stimuleringen (kanal F3). Et første mål er å holde en lav impedans på både EEG og TACS elektroder. Utilstrekkeligkontakt mellom TACS elektroden og hodebunnen skaper større amplituder TACS gjenstand i EEG-data, og i tillegg anvendt elektronisk strøm vil ha en tendens til å være homogen. For det andre, må man vurdere oppløsningen nivået til A / D-omformeren av EEG-system. En 24 bits A / D-konverter kan teoretisk dekke et område på 1,68 V med en / bits oppløsning 0,1 uV. I motsetning til dette ville en 16 bits A / D-omformeren med en 0,1 uV / bit oppløsning dekke et spenningsområde fra 6,5 mV – for lav til å dekke området av TACS gjenstanden (figur 6). Derav spenningen opptaksoppløsningen må senkes. For å dekke gjenstand størrelsene av opp til 100 mV på stedet av stimulering med et 16 bits system, ville spenningen opptaksoppløsningen teoretisk må bli senket til over 1,53 uV / bit. Faktisk siste samtidige TACS-EEG studier med et 16 bits system kunne ikke ta EEG signaler fra nærhet av stimulering nettstedet på grunn av metning av ampl ifier selv når oppløsningen ble senket til 0,5 uV / bet 12,13.
Betraktninger for å redusere elektrodeimpedans
Årsaken til første begynne å jobbe på impedansene av EEG elektroder plassert i midten eller nærhet av TACS elektrode, er at disse EEG elektroder krever litt tålmodig og forsiktig arbeid for å unngå å bygge bro. Ved å starte med disse elektrodene, er det tid til å vente til den anvendte gel har hatt litt tid til å smøre hodebunnen, før du vurderer å bruke mer EEG gel om nødvendig. Ytterligere gel påføres under TACS elektroden når den er plassert på hodebunnen, spesielt dersom deltageren har mye hår. Grunnen til dette er ikke bare å redusere impedansen – god impedans kan oppnås uten dette trinnet – men for å oppnå en ensartet forbindelse med hodebunnen i hele overflaten av TACS elektroden.
Design og montasje betraktninger
ntent "> Figur 1 illustrerer montasjen av TACS elektrodene. Den smultringformede utformingen av hodebunnen TACS elektroden / elektrodene og den rektangulære skulder TACS elektrode er vist. Formen på hodebunnen TACS elektroden gjør det mulig for en EEG elektrode som skal plasseres i midten av den stimulerte området. En fordel ved den smultringformede utformingen er at det gir mulighet for å ta opp signalet fra den stimulerte området. For det andre, gjør det også lett å holde posisjonen til TACS elektroden uendret. avhengig av området av stimulering, ha en annen form av TACS elektroden vil være mer egnet. En rektangulær elektrode TACS form er bedre egnet ved innspilling fra et område på mellom EEG-elektroder.Det bør advares at formen og posisjonen på TACS elektroden er ikke det samme som det område faktisk blir stimulert, men kan være litt forskjøvet 31. Når bestemmer posisjonen TACS elektrodene, modellering av den aktuelle flav å anslå den beste plasseringen av elektrodene for målretting regionen av interesse er alltid sterkt anbefales.
Den nåværende oppsett er egnet for modulering av rytmisk aktivitet i store nettverk. Mer fokal stimulering kan oppnås på flere måter, 13, 32, 33, 34. Først, redusere størrelsen på TACS elektroden. Nitsche og kolleger har vist at en 3,5 cm 2 elektrode kan modulere oppstemthet av motor cortex med tDCS 32. En annen tilnærming er å utnytte en HD-konfigurasjon 13,33,34, hvor en stimuleringselektrode er omgitt av fire referanseelektroder. En annen fordel med høy definisjon konfigurasjonen er at tettheten av EEG-elektroder kan økes, ettersom konvensjonelle gummielektroder begrenser plass til å plassere EEG-elektroder og sekstifire EEG-elektroder er ikke mulig å gjennomføre i det aktuelle oppsettet. Mens thESE modifikasjoner for høyere romlig spesifisitet krever ulike oppsettsprosedyrer, de tekniske betraktninger som er beskrevet her gjelder fortsatt.
I denne protokollen legger vi TACS elektroder i henhold til det internasjonale 10-20 system for EEG elektroder posisjonering 30. Whileindividual optimalisering av en stimulering plassering vil være et alternativ kan det utgjøre et problem for sammenligning når varierende stimulering beliggenhet blant individer i forsøket, som stimulering området varierer i forhold til de EEG opptakssteder. Den nylig demonstrerte kombinert bruk av magnetoencefalografi (MEG) og TACS, ved Neuling og kolleger 35, kan overvinne dette problemet og TACS artefakt-relaterte problemer, som romlig filtrering metoder med MEG stråleforming gjør det mulig å anslå hjernens aktivitet uavhengig av kvoter nettsted.
Når det gjelder montasjen er to monopolare montasjer beskrevet her, dvs. med extracephalic plasseringen av referanseelektroden (figur 1B og 1C), og en unipolar montasjen, dvs. med begge elektroder plassert på hodebunnen (figur 1A) (se nærmere klassifiseringer av elektrode montasjer av Nasseri et al. 36). Fordelen med å bruke en monopolar montasje er å unngå ytterligere cephalica stimulering av ingen interesse for studiet. Den primære bekymring når du velger en mono montage er strøm skjønt subkortikale strukturer, inkludert hjernestammen, med den potensielle risikoen for moduler vitale hjernestammen funksjoner. Både extracephalic og ipsilaterale skulder plassering av referansen elektroden er bekreftet ikke å modulere hjernefunksjoner for en mA intensitet tDCS 37,38 (for eksempel hjertefrekvensvariabilitet, respirasjonsfrekvens og blodtrykk). Som en monopolar montasjen kan ha klare fordeler avhengig av eksperimentell design, er det behov for omfattende testingeffekten på vitale hjernefunksjoner ved høyere stimuleringsintensitet og forskjellige monopolare montasjer, samt for å sammenligne innvirkningen mellom tDCS og kvoter.
Legg merke til at HD-konfigurasjon er en annen løsning for å unngå problemet med den bipolare montasje av ytterligere cephalica stimulering av ingen interesse. HD-konfigurasjon med en stimuleringselektrode er omgitt av fire referanseelektroder fører til høy strømtetthet under midtelektroden og lav strømtetthet under de fire omgir elektrodene. Ettersom effekten av stimuleringen avhenger av tettheten av den aktuelle, betyr dette en ensrettet modulasjon i henhold til midtelektroden for en HD-konfigurasjon, i motsetning til den toveis modulasjon av en to-elektrodekonfigurasjon 39.
Visual flimmer oppfatning indusert av kvoter er en kritisk begrensende faktor for stimulering intensitet når du plasserer tACS elektrode på frontallappen, på grunn av retinal stimulering av kvoter. Spesielt TACS på beta-band frekvens induserer visuell flimring selv ved lav intensitet av kvoter 11. Etter vår erfaring er 0,9 mA (topp-til-topp) stimulering over DLPFC (F3 elektrode) ved 6 Hz er en egnet intensitetsnivå for å minimalisere følelsen av visuell flimring.
Avhengig av utformingen av forsøket, kan det være nødvendig å kontrollere stimulator med en ekstern enhet (hvis denne funksjonen er tilgjengelig for den stimulator benyttes). Vi bruker en bølgeform analog utgang bord for å styre stimulator og sende triggere til EEG-forsterker (se ytterligere maskinvare og programvare i tabellen av materialer). I tilfelle av stimulator som brukes her (se tabell of Materials), er støynivået på dagens produksjon med fjernkontrollen høyere enn med den innebygde stimulator grensesnittet. Derav muligheten til å fjernkontrollen stimulatoren bør velgesBare hvis det er nødvendig ved den eksperimentelle design.
Feilsøking metning av EEG-kanaler
Vi har vist at bygge bro mellom TACS og EEG-elektroder via lekk EEG gel resulterer i mette den respektive kanal av EEG-forsterker, og utelukker registrering av data fra disse elektroder (figur 5A). Det er andre årsaker til metning av en EEG-kanal. En grunn kan være at forsterkningen i forsterkeren er for smalt, og spenningen opptaksoppløsningen er ikke korrigert tilsvarende. I dette tilfelle er spenningen opptaksoppløsningen må senkes for å dekke området for størrelsen av TACS gjenstanden. En annen grunn er at registreringsstedet er for nær stimulering området. I dette tilfellet, kan selv en svært grov spenning innspilling oppløsning fortsatt ikke dekker hele spekteret av gjenstanden. Opptak bør plasseres lenger unna stimulering nettstedet.
Den nåværende proprotokollen omfattende skildrer innstillingene og tekniske hensyn til samtidige TACS-EEG eksperimenter. Med metoder for å fjerne TACS artefakt og protokoller for god kvalitet innspilling under TACS, vil TACS virkelig være en lovende metode tofurther vår forståelse av de mest fremtredende trekk ved hjernens aktivitet, rytmiske dynamikk.
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 |