并行脑电图记录在经颅交流电刺激（TACS）

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

外的电流在脑的节奏动力学已经观察到了一个世纪^1,2。虽然大部分时间被认为是在数据非特异性噪声，今天它们被广泛认为是在大脑^{3,4,5,6,7,8,9}起到信息处理的主要作用。我们的振荡大脑活动和认知过程的特定频率之间的因果关系的理解，通过各种干预措施的发展拥有先进在过去十年中的方法直接调制振荡活动^8,10。颅交流电刺激（TACS）就是这样的一个有希望的方法来调制节律活动在脑中^10。 TACS是一种非侵入性脑刺激方法，它适用于弱交替（正弦）电流从头皮并调制大脑皮层的兴奋性中的频率特异性方式^{11，图12，<}/ SUP> ^{13，14，15。}虽然是一个有希望的技术为研究大脑中的节律活动的作用，TACS的神经生理机制仍然难以捉摸。一些研究报告TACS对高阶认知过程^{23,24,25,26,27，28}上感知^{11,13,16,17,18}效果和运动功能^{19,20,21,22，}以及效果。神经生理学的证据刺激后夹带脑振荡已经提出使用脑电图^{13，14，15。}目前在人类中用于TACS的效果神经生理学证据刺激^12，13，22中报道很少。由于大脑对外界扰动非常强劲，如网上证据对于理解总可捕量的直接神经生理的影响至关重要。

ELECtroencephalography（脑电图），捕捉电生理活动在脑中具有高时间分辨率，是用于研究内源性和夹带的振荡神经活动的理想选择。通过赫尔弗里希和最近的研究同事报道TACS在线神经生理的影响，但在同一时间在TACS测量EEG已经证明困难的，因为突出的TACS神器^12，13。对于成功并发TACS脑电图实验，记录良好的品质脑电数据是一个重要方面，这是当前文章的重点，并在同一时间的预处理方法来去除TACS神器也至关重要。在我们的实验室，我们一直在开发我们自己的预处理流水线，允许从脑电数据²⁹去除TACS神器。在这里，我们将介绍如何成功地从刺激的区域，技术因素对成功记录重要记录的EEG信号。

Protocol

伦理声明：涉及人类受试者的程序批准了伯尔尼州的伦理委员会（KEK-BE 007/14）。

注意： 图1示出蒙太奇，以及TACS电极的设计（也见讨论），和EEG帽。我们使用EEG帽的弹性材料制成（图1D），以保持附着在头皮上的TACS电极。

1.蒙太奇

注意：代表性的结果是从以下TACS电极蒙太奇获得。

1. 蒙太奇1：将两个电极在头皮上，在左背外侧前额叶皮层（DLPFC）（F3电极）和左后顶叶（PPC）（P3电极）（图1A）。
2. 蒙太奇2：在头皮上在左边DLPFC（F3电极）将一个TACS电极，以及放置在左肩（图1B）的另一TACS电极。
3. 剪辑3：在头皮上在左边的PPC（P3电极）将一个TACS电极，以及放置在左肩（图1C）的另一TACS电极。

2.准备TACS电极的

1. 如果参考TACS电极将被放置在肩部（蒙太奇2和3），为此，首先。
   1. 在放置的肩膀电极，准备用磨蚀的皮肤准备凝胶脑电图和心电图的皮肤。使用纱布垫皮肤准备凝胶轻轻擦洗皮肤。
   2. 应用EEG凝胶的TACS电极放置在肩膀上的电极。
   3. 固定电极上用胶带的肩膀。
2. 戴上脑电图帽。调整盖的按国际：10-20系统的电极定位³⁰的位置，并拧紧EEG帽的颚带。
3. 标记斑点以指示TACS电极将被定位在头皮上。使用水基于红笔，首先是因为笔的彩色材料的绝缘效果降低，其次，它可以容易地用水洗去。
4. 如果没有与笔不延伸到头皮的标记，由于在EEG帽的凝胶插入过于紧（图1D）中的孔中的问题，使用木棒，例如棉签的木柄。
   1. 彻底涂料棒的尖端和使用这个技巧，以纪念在头皮上。
   2. 取下脑电帽和检查标记成功。如果需要的话，填入标记，以便它可以容易地购买有斑点。
5. 执行以下步骤（2.5.1-2.5.4），取决于参与者的头发的长度。如果参与者具有短发（高达约10厘米），跳过以下步骤（也应该指出的是，某些发型，如恐惧锁，使TACS电极不可能的应用程序）。如果参与者具有较长的海R：
   1. 放置，其中心标记头皮上的红色斑点的TACS电极。请注意，没有脑电图凝胶应该提上TACS电极在这一刻。
   2. 螺纹出所有的TACS电极的内环内的头发。
   3. 绑定螺纹出头发电缆粘合剂。需要注意的是TACS电极周围的头发没有得到约束与由电缆粘合剂的TACS电极。
   4. 之后头发已经绑定，删除TACS电极。
6. 适用脑电图凝胶到头皮TACS电极。
   1. 之前施加凝胶，头皮和肩TACS电极连接到刺激器，但不要在刺激开启爱好。涂抹薄薄的一层脑电图凝胶到TACS电极。稀疏应用凝胶是非常重要的。
   2. 小心地将TACS电极后面的头。
      1. 如果参与者具有较长的毛发，螺纹结合的头发回通过TACS电极的内孔，没有它uching的TACS电极脑电图凝胶。
      2. 同时将TACS电极，密切关注红色标记在头皮上被保持在TACS电极中间。一旦TACS电极已被放置在头皮上，它的位置可能不再被改变。
      3. 从头发中取出电缆粘合剂，一旦TACS电极已被放置。
   3. 打开刺激和监测阻抗。同时认真把一些压力，TACS电极，非常密切地关注了红色标记点始终保持在TACS电极中间。
   4. 小心提起TACS电极的边缘，并应用一些脑电图胶的头发下面，而不是TACS电极和头发（ 图2）之间。这一点尤其重要，如果参与者有很多头发（见讨论）。
   5. 继续施加压力的TACS电极，直到阻抗稳定低于10千欧。监测的阻抗如果有必要的TACS stimulator.Carefully TACS电极增加额外的脑电图凝胶，但总是人烟稀少。
      注：TACS电极由TACS刺激监测的阻抗的TACS电极，它具有不提供对于每个电极的单独的阻抗值的信息的缺点之间测量。根据不同的脑电放大器系统上，也可能是可以测量通过这个TACS电极阻抗，然后可以分别测量每个电极阻抗。
   6. 注意任何凝胶从TACS电极逃逸，并去除多余的脑电图凝胶用棉签。

3.安装脑电帽

1. 经过TACS电极阻抗达到低于10kΩ的门槛，再次装入脑电帽。提上EEG帽轻轻地和小心，特别是如果EEG帽的材料是弹性的，因为它是否则容易移动的财政的位置在此工序P TACS电极。
   注：TACS电极的转变展开了TACS电极下的脑电凝胶引起脑电图凝胶脑电图电极的桥梁。它不拉下一个弹性帽的力量，因为这可能导致其之后出现反弹，这也将导致移动TACS电极是非常重要的。
2. 拧紧脑电图帽带。

4.制备脑电极的

1. 适用的适当的粘度脑电图凝胶（如在详细讨论，所讨论的）的EEG电极来创建头皮和EEG电极之间的接触。开始与地面和参考EEG电极。然后，继续到位于TACS电极的中间，并且附近的电极。然后继续剩下的电极（见讨论）。
2. 用于围绕TACS电极EEG电极，在一个方向上远离TACS电极注入凝胶与针尖指向。轻轻推下EEģ电极同时施加凝胶，使凝胶不从电极下方逸出。
3. 使用木棍增大EEG电极和头皮之间的接触， 如图3，不要使用针尖用于此目的，因为它会刮去参与者的头皮，并且此外不能有效用于此目的。
   1. 向下推凝胶对头皮的棒，而且非常轻轻揉搓头皮与杆的顶部有旋转运动。尽量保持棒的角度垂直于头皮设在TACS电极的紧挨电极，坚持下去的侧向运动将电极伸长的凝胶。如果需要的话，采用一些更脑电图凝胶，然后用木棒，进一步提高阻抗。
4. 为了避免经由泄漏凝胶（图4）桥，节俭了将凝胶用于降低EEG电极的阻抗在TACS电极附近。相反，尝试以降低阻抗尽可能仅使用木棍时，才考虑增加更多的凝胶。
5. 一旦良好阻抗已实现了与木棒，小心地插入和打倒针直到针的尖端接触到头皮，然后轻轻涂抹凝胶而把针头从，从而帮助稳定脑电图电极和之间的接触头皮。
6. 瞄准低于5kΩ的脑电图电极阻抗，优化数据，因为这降低了噪声干扰和信号失真。
7. 一旦阻抗已被降低到适当的水平，测试是否已创建TACS电极和周围EEG电极由于泄漏凝胶之间的任何桥。
   1. 申请简要正弦刺激，与实验利益的强度（例如，以1mA峰-峰值）。
      注：由于某些系统（见表的材料）的局限性，它是正催产素可以检查网络桥接，而只能通过施加刺激，然后检查脑电放大器的任一通道是否趋于饱和。
   2. 见任何通道是否饱和，同时刺​​激。
      注：由于显而易见的代表性成果，通过泄露的TACS和脑电图电极之间的凝胶桥接将导致饱和脑电放大器的这个通道，并排除这些电极记录数据。这是不可能通过一旦已经建立泄漏凝胶撤消一个桥接。唯一的选择是中断实验。
8. 检查阻抗一次。然后开始录制。

Discussion

该步骤设置并发TACS脑电图实验说明。我们现在来讨论考虑了TACS-脑电图记录，其中前两个因素是成功并发TACS，脑电图记录重要的设置。

避免TACS脑电图电极通过凝胶桥

这是至关重要的，以避免通过泄漏脑电图凝胶EEG和TACS电极之间桥接，紧接桥接饱和脑电图放大器的各自的信道。由于这个原因，脑电图凝胶的粘度是成功TACS脑电图记录一个重要的参数。切勿使用液体脑电图凝胶，作为一种流体脑电图凝胶风险从TACS电极和桥梁与相邻的脑电图电极逃逸出来。同时，非常粘稠的脑电图凝胶具有在穿透头发和润滑皮肤，以减少阻抗是不利的。对于在TACS电极附近的脑电图电极，一个更具粘性凝胶bË使用，可以使用一个木棍，以降低阻抗。对于TACS和剩余脑电图电极，用略带粘性较低（但仍不能液）脑电图凝胶。这种类型的凝胶需要较少的努力来降低阻抗。因为难以在TACS电极下刮掉，最好是在这里使用稍微少粘性凝胶。

与TACS神器幅度处理

第二个问题是处理TACS神器的大幅度，从10毫伏的脑电图电极的刺激的区域较远，超过100毫伏的刺激0.9毫安当前刺激强度在现场（ 图6） 图7示出刺激强度之间的线性关系（0.5至2.0 mA的峰-峰值）和所述假象的刺激（信道F3）站点所得数值。第一个措施是保持两个EEG和TACS电极的低阻抗。不足在TACS电极和头皮之间的接触将产生较大的TACS工件在脑电图数据的幅度，并且除了应用于电子电流将趋向于不均匀。其次，我们需要考虑的脑电系统的A / D转换器的分辨率级别。 24位A / D转换器理论上可以覆盖一定范围的1.68 V配合0.1μV/位的分辨率。相比之下，16位A / D转换器和一个0.1μV/位分辨率将涵盖6.5 mV的电压范围-过低覆盖TACS神器（ 图6）的范围内。因此，电压记录分辨率需要降低。为了掩饰高达100毫伏工件幅度在刺激部位用16比特系统中，电压记录分辨率理论上需要以上1.53μV/比特被降低到。事实上最近并发TACS脑电图研究具有16位系统不能记录来自刺激​​位点附近的EEG信号由于AMPL的饱和 ifier即使当分辨率降低到0.5μV/位^12,13。

注意事项减少电极阻抗

究其原因，首先开始工作在位于TACS电极中间或附近的脑电图电极的阻抗，是这些脑电图电极需要一定的耐心，细致的工作，以避免桥接。通过启动与这些电极，有时间要等到应用凝胶已经有一些时间来润滑头皮，才考虑采用更脑电图凝胶，如果必要的。附加凝胶应的TACS电极下应用，一旦它已经被放置在头皮上，特别是如果参与者都有很多头发。其原因不仅是减少阻抗 - 好的阻抗，可以实现没有这种步骤 - 但实现与头皮整个TACS电极的表面均匀的连接。

设计与蒙太奇的考虑

ntent“> 图1示出的TACS电极的蒙太奇。头皮TACS电极/电极的环状设计和矩形肩TACS电极被描绘。头皮TACS电极的形状允许脑电图电极被放置在受刺激区域的中间。的甜甜圈形设计的一个优点是，它允许从刺激区域中记录的信号。其次，它也可以很容易地保持TACS电极的位置不变。根据刺激的部位，在TACS电极的其他的形状会更适合。从网站的脑电图电极之间进行录制时，矩形TACS电极形状更适合。

应当提醒，TACS电极的形状和位置是不一样的实际受到刺激的区域，但也可以稍微错开^31。当决定TACS电极的电流f的位置，建模低估计电极的最佳位置用于靶向感兴趣区域总是强烈建议。

目前的设置是适合于有节奏的活动，在大型网络中的调制。多个协调刺激可以在几个方面^{13，32，33，34}来实现。首先，降低了TACS电极的大小。 Nitsche和他的同事已经表明，一个3.5厘米²电极可调节运动皮层的兴奋性与TDCS ^32。第二种方法是利用高清晰度配置^13,33,34，其中一个激励电极由四个参考电极包围。高清晰度结构的另一优点是，EEG电极的密度可以增加，因为传统的橡胶电极限制的空间放置EEG电极和64 EEG电极未在当前的设置来实现是可行的。虽然日对于更高的空间特异性ESE的修改需要不同的设置过程，这里所描述的技术方面的考虑仍然适用。

在这个协议中，我们按照国际：10-20系统脑电图电极定位³⁰放置TACS电极。刺激位置的Whileindividual优化将是替代方案中，不同的刺激位置，当在实验中个体间，作为刺激部位相对于所述脑电图记录点改变它可能构成一个问题进行比较。最近展示了结合使用脑磁图（MEG）和TACS的，由Neuling和他的同事^35，可能会解决这个问题，TACS神器相关的问题，如空间滤波方法与MEG波束成形允许估计独立的一个TACS网站的大脑活动。

关于蒙太奇，二单极蒙太奇这里描述， 即与extracephali参考电极（图1B和1C），和一个单极蒙太奇， 即，与位于头皮（图1A）两个电极的Ç位置（见电极蒙太奇的进一步分类由纳塞等人^36）。另外用单极蒙太奇的优点是避免不感兴趣的研究额外头侧刺激。当选择一个单极蒙太奇主要关注的是电流流动虽然皮质下结构，包括脑干，与调制重要脑干功能的潜在风险。参考电极的两个extracephalic和同侧肩安置已证实不调节脑干功能TDCS ^37,38为1mA强度（例如，心脏心率变异性，呼吸速率和血压）。作为一个单极蒙太奇可以具有取决于实验设计明显的优点，有必要为全面测试期间更高的刺激强度和不同单极蒙太奇上重要脑干功能的影响，以及用于比较TDCS和TACS之间的影响力。

需要注意的是高清晰度的配置是用于避免不感兴趣额外头侧刺激双极蒙太奇的问题的另一个解决方案。与由四个参考电极包围一个激励电极的高清晰度的配置导致了四个周围电极下在中心电极和低电流密度下的高电流密度。作为刺激的效果取决于电流的密度，这意味着对于高清晰度的配置中心电极下的单向调制，而相比之下，两个电极结构^39的双向调制。

视觉闪烁感知诱发TACS是放置TA时，一个关键的限制因素的刺激强度在额叶CS电极，因视网膜刺激总可捕量。特别是TACS在测试波段频率引起的视觉闪烁，即使在TACS ¹¹的低强度。在我们的经验0.9毫安（峰 - 峰）刺激过DLPFC（F3电极）6赫兹是一个合适的强度电平，以尽量减少视觉闪烁的感觉。

根据实验的设计中，可能有必要，以控制与外部设备的刺激器（如果该功能是用于所使用的刺激物）。我们使用的波形的模拟输出板，以控制刺激器和发送触发器脑电图放大器（见进一步硬件和软件规范在材料表）。万一，这里使用（见表材料 ）的刺激器的，电流输出用遥控器的噪声电平比与嵌入式刺激器接口更高。因此可以选择远程控制的刺激器应选择仅当需要通过实验设计。

脑电图通道故障排除饱和

我们已经表明，通过在饱和脑电图放大器的各自的信道泄漏脑电图凝胶结果TACS和EEG电极之间的桥接，并从这些电极（图5A）排除了记录数据。还有其它原因脑电图通道的饱和度。一个原因可能是该放大器的增益是太窄，且电压记录分辨率还未相应调整。在这种情况下，电压记录分辨率需要降低以覆盖TACS工件的幅度的范围内。另一个原因是，在记录部位过于接近的刺激部位。在这种情况下，即使是非常粗糙的电压记录分辨率可能仍然不能覆盖工件的范围。记录应位于进一步远离刺激位置。

目前的职业母育全面描绘了设置和技术方面的考虑并发TACS脑电图实验。使用方法的过程中TACS删除TACS神器和协议好品质录音，TACS将真正成为一个有前途的方法，进一步方便了我们的大脑活动，有节奏的动态变化的最突出的特点的理解。

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