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.
Rytmiska dynamiken i extracellulära elektriska strömmar i hjärnan har observerats för ett sekel 1,2. Även under större delen av denna tid betraktas som icke-specifik brus i data, idag är allmänt anses spela en huvudroll i informationsbehandling i hjärnan 3,4,5,6,7,8,9. Vår förståelse av orsakssambandet mellan vissa frekvenser av oscillerande hjärnans aktivitet och kognitiva processer har avancerat under det senaste decenniet genom utveckling av olika insatser metoder för direkt modulera oscillerande aktivitet 8,10. Transkraniell växelström stimulering (TAC) är en sådan lovande strategi för att modulera rytmisk aktivitet i hjärnan 10. TACS är en icke-invasiv hjärnstimulering metod, som gäller svaga alternerande (sinusformade) strömmar från hårbotten och modulerar retbarhet av hjärnbarken i ett frekvensspecifikt sätt 11, 12, </ sup> 13, 14, 15. Samtidigt som det är en lovande teknik för att studera rollen av rytmiska aktivitet i hjärnan, de neurofysiologiska mekanismer för TAC är fortfarande svårfångade. Flera studier har rapporterat effekter av TAC på perceptuell 11,13,16,17,18 och motorik 19,20,21,22, liksom effekter på högre ordningens kognitiva processer 23,24,25,26,27, 28 . Neurofysiologiska bevis för medbringande av hjärn svängningar efter stimulering har presenterats med hjälp av EEG 13, 14, 15. Det finns för närvarande få rapporter om neurofysiologisk bevis hos människor för en effekt av TAC under stimulering 12, 13, 22. Eftersom hjärnan är mycket robust extern störning är en sådan online-bevis avgörande för att förstå de omedelbara neurofysiologiska effekterna av TAC.
Electroencephalography (EEG), fånga elektrofysiologiska aktivitet i hjärnan med hög tidsupplösning, är ett idealiskt val för att studera endogena och medbringade oscillerande neurala aktiviteter. Nya studier vid Helfrich och kollegor rapporterade nätet neurofysiologiska effekterna av TACS, men samtidigt mätning av EEG under TACS har visat sig svårt på grund av den framträdande TACS artefakt 12, 13. För framgångsrika samtidiga TAC-EEG-experiment, inspelning god kvalitet EEG uppgifter är en viktig aspekt, som är i fokus för den aktuella artikeln, och på samma gång förbehandlings metoden för att avlägsna TAC artefakt är också avgörande. I vårt labb, har vi utvecklat vår egen förbearbetning pipeline möjliggör avlägsnande av TAC artefakt från EEG-data 29. Här kommer vi att beskriva hur man framgångsrikt spelar EEG-signaler från området av stimulans, och tekniska överväganden är viktiga för en framgångsrik inspelning.
Etik uttalande: Rutiner som rör mänskliga ämnen godkändes av den etiska kommittén i Kanton Bern (KEK-BE 007/14).
Anmärkning: Figur 1 illustrerar montage, såväl som utformningen av de TAC elektroder (se även diskussion), och EEG lock. Vi använder ett EEG lock tillverkad av ett elastiskt material (Figur 1D) för att hålla TAC elektroden sitter på hårbotten.
1. montage
Anm: De representativa resultat erhålles från följande TACS elektrodmontage.
2. Framställning av TAC Elektroder
3. Montera EEG Cap
4. Framställning av EEG elektroder
Exempel visas misslyckade och framgångsrika samtidiga TAC-EEG-mätningar som erhållits från två olika inspelningar (Figur 5). Två TAC elektroder placerades i hårbotten (F3 och P3 elektroder) och intensiteten av TAC var 0,9 mA (topp till topp). I det första exemplet var F3 EEG elektroden överbryggas med TAC främre elektroden via gel (notera att när nämna "överbryggande" hela diskussionen nedan, betecknar vi bildandet av en direkt förbindelse med EEG-gel skapar en kontakt mellan TAC och EEG elektroder). Den överbryggande omedelbart mättar F3 kanalen och EEG-signaler under TAC kunde inte spelas in (figur 5A). I det andra exemplet har EEG-signaler framgångsrikt registreras samtidigt som TAC (figur 5B).
För att utvärdera den geografiska fördelningen av storleken på TAC artefakt, denomfattningen av TAC artefakten beräknades under inspelningen som erhållits från tre individer. TACS applicerades på antingen DLPFC (F3 elektrod) eller PPC (P3 elektrod). Intensiteten av TAC var 0,9 mA (topp till topp) .Det observerades att topp-till-topp-magnitud av TAC artefakten var omvänt korrelerad med avståndet mellan EEG och TACS elektroden (figur 6A och 6B). Dessutom placeringen av EEG referenselektrod i förhållande till TAC elektroden påverkade också den rumsliga fördelningen av storleken på TAC artefakt över EEG kanalerna (figur 6A och 6B). Storleken av TAC artefakt varierar från 10 mV vid EEG-elektroder mer avlägsna från platsen för stimulering, medan magnituden kan nå upp till 100 mV vid EEG elektroden i mitten av TAC elektroden. Förhållandet mellan den aktuella intensiteten av TAC och magnituden av artefakter vid närheten av denTACS elektrod undersöktes också (figur 7). Det uppvisade linjära samband och mättad spänningsområdet för inspelning när TAC strömstyrka var mer än 1,6 mA.
Figur 1. Illustration av montage. (A) Montage med två TAC elektroder placerade på hårbotten (F3 och P3). (B) Montage med en TAC elektrod placerad i hårbotten (F3) och en referens TACS elektrod placerad på den ipsilaterala axeln. (C) Montage med en TAC elektrod placerad i hårbotten (P3) och ett referens TACS elektrod placerad på den ipsilaterala axeln. (D) En elastisk EEG locket håller hårbotten TAC elektroden på plats under huven. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Korrekt tillämpning av ytterligare EEG gel under en TAC elektrod. Ytterligare EEG gelén skall tillämpas enligt TAC elektroden för att förbättra homogeniteten hos anslutningen till hårbotten. Den extra gel ska appliceras mellan hår och hårbotten (blå pil), och inte mellan TAC elektroden och hår, för att förbättra kontakten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Att förbättra anslutningen av EEG-elektroder till hårbotten. (A) Applicera EEG-gel till EEG-elektroder med hjälp av en spruta. Använd tip av nålen för att borsta bort hår under EEG elektroden, sedan försiktigt in och få ner nålen tills spetsen av nålen vidrör hårbotten. Applicera gel medan nålen dras ut, för att skapa en anslutning mellan hårbotten och EEG elektroden. (B) Använd en träpinne (t.ex. trä handtaget på en bomullstuss eller liknande) för att ytterligare förbättra kontakten mellan EEG-elektroderna och i hårbotten. Tryck ner gelén med pinnen mot hårbotten, och mycket försiktigt gnugga hårbotten med toppen av pinnen med en roterande rörelse. Försök att hålla vinkeln på staven vinkelrätt mot hårbotten för elektroder placerade i en närhet av TAC elektroden, som sidled rörelser pinnen kommer att spridas ut gelen under elektroden. Om det behövs, tillämpa vissa mer EEG gel, och sedan använda träpinne för att ytterligare förbättra impedansen. För elektroder placerade i en närhet av TAC elektroden är det också viktigt att vara försiktig med att tillämpa mer gel for i syfte att förbättra kontakten. Snarare försöka förbättra kontakt så mycket som möjligt med användning av träpinne. Slutligen har en gång bra impedans uppnåtts med träpinne, lägga till några extra gel för att stabilisera kontakten mellan EEG elektroden och hårbotten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Exempel på läckande EEG gel skapar direktkontakt mellan TAC och EEG-elektroder. Läckande EEG gel, vilket skapar direktkontakt mellan TAC och EEG elektroden, observeras. Bridging som denna mellan TAC och EEG-elektroder kan skapas t.ex. genom att tillsätta en överskottsmängder av EEG gel under TAC elektroden eller EEG elektroden i närheten av TAC elektroden,eller av TAC elektrod som flyttas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. TAC mättar EEG förstärkaren genom att överbrygga via gel. Rådata från två olika inspelningar, refererade till CPZ, under montage med hårbotten TAC elektroder placerade vid DLPFC (F3 elektrod) och PCC (P3 elektrod). (A) Signalen registreras vid elektrod F3 är mättad på grund av att överbrygga via läckande EEG gel mellan F3 EEG elektroden och TAC elektroden. (B) Signaler framgångsrikt spelats in från alla elektroder. Storleken av TAC artefakten på F3 elektroden överstiger mer än 50 mV. Klicka här för att seen större version av denna figur.
Figur 6. Storleken av TAC artefakter över EEG-kanaler. Peak-till-topp magnituder TAC artefakter i genomsnitt över tre ämnen (mV). Uppgifterna är rådata, som hänvisas till CPZ. (A) Storleken på de TAC artefakt under montage med en hårbotten TACS elektrod placerad på den vänstra DLPFC (F3 elektrod) och andra TACS elektrod placerad på vänster axel (Montage 2, Figur 1B). (B) Storleken på de TAC artefakt under montage med en TAC elektrod placerad på den vänstra PPC (P3 elektrod) och andra TACS elektrod placerad på vänster axel (Montage 3, Figur 1C). (C) EEG-kanalplatser. Red: kanalen under stimulering webbplats, blå: kanaler i omedelbar närhet av stimulering webbplats, Ref (djärv svart): Referenselektrod (CPZ). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7. Storleken av TAC artefakten korrelerar linjärt med intensitet av stimulering. Peak-till-topp storleken på TAC artefakt (mV) från ett ämne i kanal F3. Intensiteterna 0,5 till 2 mA tillämpades i steg om 0,1 mA. Uppgifterna är rådata, som hänvisas till CPZ. Montage med en hårbotten TACS elektrod placerad på den vänstra DLPFC (F3 elektrod) och andra TACS elektrod placerad på vänster axel (Montage 2, Figur 1B). Data visar en perfekt linjärt samband mellan intensiteten av stimulering anbringas och storleken av TACS artefakt, i intensiteten intervallet 0,5 till 1,6 mA. Spänningen upplösning sattes till 150 mV, men Actual maximala förvärvs intervallet var 161,6 mV bortom vilken signalen var mättad. Den streckade linjen markerar den maximala intervallet av spänningen. Med stimuleringsnivåer på 1,7 mA och högre, när det orsakas artefakt magnituder var mer än 161,6 mV, var F3-kanalen mättade. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
De förfaranden för att inrätta samtidiga TAC-EEG-experiment beskrivs här. Vi vänder oss nu diskutera överväganden för konfigurering av TAC-EEG-inspelningar, av vilka de två första överväganden är avgörande för framgångsrika samtidiga TAC-EEG-inspelningar.
Att undvika TACS-EEG-elektrod överbryggande via gel
Det är viktigt att undvika att överbrygga mellan EEG och TAC elektroder genom läckande EEG gel, som överbrygga omedelbart mättar respektive kanal av en EEG-förstärkare. Av denna anledning viskositeten hos EEG gel är en avgörande parameter för framgångsrik TACS-EEG-registrering. Använd aldrig en vätske EEG gel, som en vätska EEG gel risker flyr ut från TAC elektroden och bro med angränsande EEG elektroder. Samtidigt, har en mycket viskös EEG-gel en nackdel i att tränga in i håret och smörja huden för att minska impedansen. För EEG-elektroderna i närheten av TAC elektroden, kan en mer trögflytande gel be används, eftersom en kan använda en träpinne för att sänka impedansen. För TAC och återstående EEG elektroder, använd en något mindre trögflytande (men fortfarande inte vätska) EEG gel. Denna typ av gel kräver mindre ansträngning att lägre impedans. Eftersom det är svårt att skrapa enligt TAC elektroden, är det bättre att använda en något mindre trögflytande gel här.
Att handskas med Tacs artefakt magnituder
Den andra frågan är att hantera den stora omfattningen av TAC artefakt, som sträcker sig från 10 mV vid EEG elektroder långt från området av stimulans, till mer än 100 mV på platsen för stimulering under den nuvarande stimuleringsintensiteten på 0,9 mA (figur 6) . Figur 7 illustrerar det linjära förhållandet mellan stimulerings intensiteter (0,5 till 2,0 mA topp-till-topp) och den resulterande storleken hos artefakten vid stället för stimulering (kanal F3). En första åtgärd är att hålla en låg impedans både EEG och TACS elektroder. Otillräckligkontakt mellan TAC elektroden och hårbotten skapar större amplituder av TAC artefakt i EEG-data, och dessutom tillämpas elektronisk ström skulle tendera att vara inhomogent. För det andra behöver man ta hänsyn upplösningsnivån hos A / D-omvandlaren hos EEG-systemet. En 24 bitars A / D-omvandlaren kan teoretiskt täcka ett intervall av 1,68 V med en 0,1 μV / bitars upplösning. Däremot skulle en 16 bitars A / D-omvandlare med en 0,1 μV / bitars upplösning täcker spänningsområdet på 6,5 mV - för låg för att täcka området TAC artefakt (Figur 6). Därav inspelningsupplösning spänningen måste sänkas. För att täcka artefakt storlekarna av upp till 100 mV vid stället för stimulering med en 16 bits system skulle spänningen inspelnings upplösning teoretiskt måste sänkas till över 1,53 μV / bit. I själva verket nyligen samtidiga TACS-EEG-studier med 16 bitar system skulle inte spela de EEG-signaler som är i närheten av stimulerings plats beroende på mättnad av AMPL ifier även när upplösningen sänktes till 0,5 μV / bit 12,13.
Överväganden för att minska elektrodimpedans
Anledningen till att först börja arbeta på impedansen hos EEG-elektroder placerade i mitten eller närhet TAC elektroden, är att dessa EEG elektroder kräver en viss patienten och noggrant arbete för att undvika överbryggning. Genom att börja med dessa elektroder, det finns tid att vänta tills den applicerade gelen har haft lite tid att smörja hårbotten, innan man överväger att tillämpa mer EEG gel vid behov. Ytterligare gel bör tillämpas enligt TAC elektroden när den har placerats i hårbotten, i synnerhet om deltagaren har en massa hår. Anledningen är inte bara att minska impedansen - bra impedans kan uppnås utan detta steg - men för att uppnå en enhetlig samband med hårbotten hela ytan av TAC elektroden.
Design och montage överväganden
ntent "> Figur 1 illustrerar montage av de TAC elektroderna. Den donut-formade utformningen av hårbotten TACS elektrod / elektroderna och det rektangulära axel TACS elektrod är avbildade. Formen på hårbotten TACS elektroden möjliggör ett EEG elektrod för att placeras i mitt i den stimulerade området. En fördel med munkformade konstruktionen är att det möjliggör för inspelning signal från den stimulerade området. För det andra, gör det också lätt att hålla positionen för TAC elektrooförändrad. Beroende på platsen för stimulering, någon annan form av TAC elektroden skulle vara lämpligare. En rektangulära TAC elektrodformen är bättre lämpad vid inspelning från en plats i mellan EEG elektroder.Det bör varnas att formen och placeringen av TAC elektroden inte är densamma som den faktiskt stimuleras, men kan vara något förskjuten 31. När beslut fattas ställning TAC elektroderna, modellering av den nuvarande flåg för att uppskatta den bästa positionen av elektroderna för inriktning regionen av intresse är alltid starkt.
Den nuvarande inställningen är lämplig för modulering av rytmiska aktivitet i storskaliga nätverk. Mer fokal stimulering kan åstadkommas på flera sätt 13, 32, 33, 34. Först minska storleken på TAC elektroden. Nitsche och kollegor har visat att en 3,5 cm 2 elektrod kan modulera retbarhet av motoriska cortex med TFF 32. Ett andra tillvägagångssätt är att utnyttja en HD-konfiguration 13,33,34, där en stimuleringselektrod omges av fyra referenselektroder. En annan fördel med high definition-konfiguration är att densiteten av EEG elektroder kan ökas, eftersom konventionella gummi elektroder begränsar utrymmet att placera EEG elektroder och sextio fyra EEG-elektroder är inte möjligt att genomföra i den aktuella installationen. Medan these modifieringar för högre spatial specificitet kräver olika inställningsprocedurer, de tekniska överväganden som beskrivs här gäller fortfarande.
I detta protokoll lägger vi TAC elektroderna enligt den internationella 10-20 system för EEG-elektrod positionering 30. Whileindividual optimering av en stimulerings plats skulle vara den alternativa, det kan utgöra ett problem för jämförelser vid varierande stimulerings läge bland individer i experimentet, såsom stimulerings platsen varierar i förhållande till EEG-inspelnings webbplatser. Den nyligen visat kombinerad användning av magnetencefalografi (MEG) och TAC av Neuling och kollegor 35, kan lösa detta problem och TACS artefakt relaterade problem, som rumsliga filtreringsmetoder med MEG strålformning gör det möjligt att uppskatta hjärnans aktivitet oberoende av en TAC webbplats.
När det gäller montage, två monopolära montage beskrivs här, det vill säga med extracephalic platsen för referenselektroden (Figur 1B och 1C) och en unipolär montage, dvs., med båda elektroder placerade i hårbotten (Figur 1A) (se ytterligare klassificeringar av elektrod montage av Nasseri et al., 36). Fördelen med att använda en monopolär montage är undvikandet av ytterligare cefaliska stimulering av något intresse för studien. Det viktigaste när man väljer en monopolär montage är strömflödet men subkortikala strukturer inklusive hjärnstammen, med den potentiella risken att modulera vitala hjärnstamsfunktioner. Både extracephalic och ipsilaterala skulder placering av referenselektroden har bekräftats att inte modulera hjärnstamsfunktioner för 1 mA intensitet TFF 37,38 (t.ex. hjärtfrekvensvariabilitet, andningsfrekvens och blodtryck). Som en monopolär montage kan ha klara fördelar beroende på experimentell design, finns det ett behov av omfattande testningeffekten på vitala hjärnstams funktioner under högre stimuleringsnivåer och olika monopolära montage, liksom för att jämföra inflytandet mellan TFF och TAC.
Notera att HD-konfiguration är en annan lösning för att undvika problemet med den bipolära montage av ytterligare cefaliska stimulering av något intresse. Konfiguration high-definition med en stimuleringselektrod omgiven av fyra referenselektroder leder till hög strömtäthet under mittelektrod och låg strömtäthet under de fyra omgivande elektroderna. Då effekten av stimulering beror på tätheten av strömmen innebär detta en enkelriktad moduleringen enligt mittelektroden för HD-konfiguration, i motsats till den dubbelriktade modulering av en två elektrodkonfiguration 39.
Visuell flimmer uppfattning induceras av TAC är en kritisk begränsande faktor för att stimulera intensitet när du placerar tACS-elektroden på frontalloben, på grund av retinal stimulering genom TAC. I synnerhet TAC på beta-band frekvens framkallar visuella flimmer även vid låg intensitet av TAC 11. Enligt vår erfarenhet 0,9 mA (topp till topp) stimulering över DLPFC (F3 elektrod) vid 6 Hz är en lämplig intensitetsnivå för att minimera känslan av visuella flimmer.
Beroende på utformningen av experimentet, kan det vara nödvändigt att kontrollera stimulator med en extern enhet (om denna funktion är tillgänglig för stimulatorn används). Vi använder en vågform analog utgång styrelsen att styra stimulatorn och skicka triggers till EEG-förstärkare (se ytterligare hårdvaru- och programvaruspecifikationer i tabellen av material). I fallet med stimulator som används här (se tabell of Materials), är ljudnivån på strömutgång med fjärrkontrollen högre än med den inbäddade stimulatorn gränssnittet. Därför alternativet fjärrkontroll stimulatorn bör väljasendast om det krävs av experimentell design.
Felsökning mättnad av EEG-kanaler
Vi har visat att överbrygga mellan TAC och EEG-elektroder via läckande EEG gel resulterar i att mätta respektive kanal av EEG förstärkare och utesluter inspelning av data från dessa elektroder (Figur 5A). Det finns andra orsaker till mättnad av en EEG-kanal. En orsak kan vara att förstärkarens förstärkning är för smal, och spänningen inspelnings resolutionen har inte justerats i enlighet med detta. I det här fallet behöver inspelningsupplösning spänningen sänkas för att täcka området för storleken på TAC artefakt. Ett annat skäl är att inspelningsplatsen är för nära stimuleringsstället. I detta fall kan även en mycket grov spänning inspelning upplösning fortfarande inte omfattar hela skalan av artefakten. Inspelningen ska placeras längre bort från stimuleringsplatsen.
Den nuvarande proprotokoll visar omfattande inställningar och tekniska överväganden för samtidiga TAC-EEG-experiment. Med metoder för att ta bort TAC artefakt och protokoll för god kvalitet inspelningen under TAC kommer TAC verkligen vara en lovande metod tofurther vår förståelse av de mest framträdande inslag i hjärnans aktivitet, rytmiska dynamik.
This project has been supported by the Japan Science and Technology Agency (JST) PRESTO program.
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 |
This article has been published
Video Coming Soon
ABOUT JoVE
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved