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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

La dynamique rythmique de courants électriques extracellulaires dans le cerveau ont été observés depuis un siècle 1,2. Alors que pour la plupart de ce temps étant considéré comme un bruit non-spécifique dans les données, ils sont aujourd'hui largement considéré à jouer un rôle principal dans le traitement de l'information dans le cerveau 3,4,5,6,7,8,9. Notre compréhension du lien de causalité entre des fréquences spécifiques de l'activité du cerveau oscillant et les processus cognitifs a progressé dans la dernière décennie par le développement de diverses approches d'intervention pour moduler directement activité oscillatoire 8,10. Transcrânienne alternant courant de stimulation (de TAC) est une telle approche prometteuse pour moduler l'activité rythmique dans le cerveau 10. TACS est un procédé de stimulation cérébrale non invasive, qui applique alternatif faible (sinusoïdales) courants sur le cuir chevelu et module l'excitabilité du cortex cérébral d'une manière spécifique de fréquence 11, 12, </ sup> 13, 14, 15. Tout en étant une technique prometteuse pour l'étude du rôle de l'activité rythmique dans le cerveau, les mécanismes neurophysiologiques des TAC sont toujours insaisissable. Plusieurs études ont des effets sur la perception des TAC 11,13,16,17,18 et les fonctions motrices 19,20,21,22, ainsi que les effets sur ordre supérieur processus cognitifs 23,24,25,26,27, 28 rapporté . Neurophysiologique preuves pour l'entraînement des oscillations cérébrales après stimulation ont été présentés en utilisant EEG 13, 14, 15. Il existe actuellement peu de rapports de preuve neurophysiologique chez l'homme pour un effet de TAC pendant la stimulation 12, 13, 22. Comme le cerveau est très robuste aux perturbations externes, telles preuves en ligne est cruciale pour comprendre les effets neurophysiologiques immédiats des TAC.

Electroencephalography (EEG), capturant l'activité électrophysiologique du cerveau avec une haute résolution temporelle, est un choix idéal pour l'étude endogène et activités neuronales oscillatoires entraînées. Des études récentes de Helfrich et ses collègues ont rapporté des effets neurophysiologiques de TAC en ligne, mais en même temps de mesure EEG au cours TAC est avéré difficile en raison de la TAC éminent artefact 12, 13. Pour simultanées expériences TAC-EEG succès, l'enregistrement des données de bonne EEG de qualité est un aspect important, qui est l'objet de l'article actuel, et dans le même temps la méthode de pré-traitement pour éliminer l'artefact TAC est également crucial. Dans notre laboratoire, nous avons développé notre propre pipeline de pré-traitement permettant l'élimination de l'artefact TAC à partir de données EEG 29. Ici, nous allons décrire comment enregistrer avec succès des signaux EEG de la zone de stimulation, et des considérations techniques importantes pour l'enregistrement réussi.

Protocol

Déclaration éthique: procédures impliquant des sujets humains ont été approuvés par le comité d'éthique du canton de Berne (KEK-BE 007/14).

Remarque: La figure 1 illustre montages, ainsi que la conception des TAC électrodes (voir également la discussion), et le bouchon EEG. Nous utilisons un bouchon EEG fait d'un matériau élastique (figure 1D) pour maintenir l'électrode de TAC fixé sur le cuir chevelu.

1. Montages

Remarque: Les résultats représentatifs sont obtenus à partir des TAC électrodes montages suivants.

  1. Montage 1: Placez les deux électrodes sur le cuir chevelu, au niveau du cortex préfrontal dorsolatéral gauche de (DLPFC) (électrode F3) et postérieure du cortex pariétal gauche (PPC) (électrode P3) (figure 1A).
  2. Montage 2: Placez un TAC électrode sur le cuir chevelu à la DLPFC gauche (électrode de F3), et placer un autre TAC électrode sur l'épaule gauche (figure 1B).
  3. Montage3: Placez une électrode TAC sur le cuir chevelu à la PPC gauche (électrode P3), et placer un autre TAC électrode sur l'épaule gauche (figure 1C).

2. Préparation des TAC électrodes

  1. Si une électrode de TAC de référence sera mis sur l'épaule (Montage 2 et 3), le faire en premier.
    1. Avant de placer l'électrode d'épaule, préparer la peau avec un gel de la peau préparation abrasive pour EEG et l'électrocardiographie. Utilisez une compresse de gaze pour frotter légèrement la peau avec le gel de la peau préparation.
    2. Appliquer le gel sur l'électrode EEG TAC et placer l'électrode sur l'épaule.
    3. Fixez l'électrode sur l'épaule avec du ruban adhésif.
  2. Mettez le bouchon EEG. Ajustez la position de la capsule selon le système international 10-20 pour l'électrode positionnement 30, et fixer la mentonnière du bouchon EEG.
  3. Mark voit pour indiquer où l'électrode TAC sera positionné sur le cuir chevelu. Utilisez une eaustylo rouge à base, d'une part parce que les effets d'isolation du matériau de couleur du stylo sont réduits, et d'autre part, il peut être facilement lavé avec de l'eau.
  4. Si il ya un problème avec le stylo ne pas atteindre sur le cuir chevelu pour le marquage, à cause des trous dans le bouchon EEG pour l'insertion de gel étant trop serré (figure 1D), utilisez un bâton de bois, par exemple le manche en bois d'un coton-tige .
    1. Peindre la pointe de la canne à fond et utiliser cette astuce pour marquer le cuir chevelu.
    2. Retirez le bouchon EEG et vérifier si le marquage a été un succès. Si nécessaire, remplir le marquage, de sorte qu'il peut facilement être repéré plus tard.
  5. Effectuer les étapes (2.5.1-2.5.4) suivants en fonction de la longueur des cheveux du participant. Si le participant a les cheveux courts (jusqu'à environ 10 centimètres), sauter les étapes suivantes (il convient également de noter que certaines coiffures, comme dread locks, rendent l'application des TAC électrodes impossibles). Si le participant a plus hair:
    1. Placez l'électrode TAC avec son centre marquée par la tache rouge sur le cuir chevelu. Notez que pas de gel EEG devrait être mis sur l'électrode TAC en ce moment.
    2. Enfilez toutes les cheveux à l'intérieur de la bague intérieure de l'électrode TAC.
    3. Lier les cheveux filetée avec des serre-câbles. Faites attention à ce que les cheveux autour de l'électrode TAC ne soit pas lié à l'électrode TAC par les serre-câbles.
    4. Après les cheveux a été lié, retirez l'électrode TAC.
  6. Appliquer le gel EEG à l'électrode de TAC du cuir chevelu.
    1. Avant d'appliquer le gel, connectez le cuir chevelu et les TAC de l'épaule électrodes au stimulateur, mais ne mettez pas le stimulateur encore. Appliquez une fine couche de gel sur l'électrode EEG TAC. Un faible application de gel est important.
    2. Placez délicatement l'électrode TAC revenir sur la tête.
      1. Si le participant a des cheveux plus longs, enfiler les cheveux liés en arrière à travers le trou interne de l'électrode TAC, sans pouruching le gel EEG sur l'électrode TAC.
      2. En plaçant l'électrode TAC, une attention particulière à la marque rouge sur le cuir chevelu étant maintenu dans le milieu de l'électrode TAC. Une fois l'électrode TAC a été placé sur le cuir chevelu, sa position ne peut plus être changé.
      3. Retirer les serre-câbles de la cheveux une fois l'électrode TAC a été placé.
    3. Allumez le stimulateur et surveiller l'impédance. Tout en mettant soigneusement une certaine pression sur l'électrode TAC, faire très attention que le spot de marquage rouge est toujours maintenue dans le milieu de l'électrode TAC.
    4. Soulevez délicatement les bords de l'électrode de TAC et d'appliquer un peu de gel plus EEG sous les cheveux, pas entre l'électrode de TAC et les cheveux (Figure 2). Ceci est particulièrement important si le participant a beaucoup de cheveux (voir la discussion).
    5. Continuer à faire pression sur l'électrode TAC jusqu'en impédance est stable en dessous de 10 k. Surveiller l'impédance de laTAC électrode par le TAC stimulator.Carefully ajouter gel de EEG supplémentaire si nécessaire, mais toujours peu.
      Remarque: L'impédance de l'électrode de TAC surveillé par le stimulateur TAC est mesurée entre les électrodes TAC, qui présente l'inconvénient de ne pas fournir des renseignements distincts de valeur d'impédance pour chaque électrode. Selon le système d'amplification de l'EEG, il pourrait également être possible de mesurer l'impédance des électrodes TAC Grâce à cela, et ensuite être capable de mesurer l'impédance pour chaque électrode séparément.
    6. Faites attention à tout gel échapper à l'électrode de TAC, et retirer le gel de l'EEG excédent avec un coton-tige.

3. Montage du Cap EEG

  1. Après l'impédance des électrodes TAC atteint le seuil de 10 k, monter à nouveau le bouchon EEG. Mettez le bouchon EEG très doucement et soigneusement, surtout si le matériau du bouchon EEG est élastique, car il est par ailleurs facile à déplacer la position de l'EACAp TAC électrode lors de cette étape.
    Remarque: Le déplacement de l'électrode TAC étend le gel EEG sous l'électrode TAC et provoque le gel EEG à combler avec les électrodes EEG. Il est important de ne pas tirer vers le bas un capuchon élastique avec vigueur, car cela pourrait provoquer un rebond après, ce qui se traduirait également par le déplacement de l'électrode TAC.
  2. Fixez le cordon du bouchon EEG.

4. Préparation des électrodes EEG

  1. Appliquer EEG gel de viscosité appropriée (comme discuté en détail dans la discussion) pour les électrodes EEG de créer un contact entre le cuir chevelu et les électrodes EEG. Commencez avec le sol et de référence électrodes EEG. Ensuite, procéder à des électrodes situées dans le milieu et voisinage de l'électrode TAC. Ensuite, continuer à les électrodes restantes (voir la discussion).
  2. Pour électrodes EEG entourant l'électrode TAC, injecter un gel avec la pointe de l'aiguille pointant dans une direction opposée à l'électrode TAC. Appuyez doucement sur l'EEG électrodes lors de l'application du gel, de sorte que le gel ne fuit pas sous les électrodes.
  3. Utilisez un bâton de bois pour augmenter le contact entre les électrodes EEG et le cuir chevelu, comme illustré dans la figure 3. Ne pas utiliser la pointe de l'aiguille à cet effet, car il va gratter le cuir chevelu du participant, et est en outre pas aussi efficace à cette fin.
    1. Abaissez le gel avec le stick vers le cuir chevelu, et frotter très doucement le cuir chevelu avec le haut du bâton avec un mouvement de rotation. Essayez de garder l'angle du bâton perpendiculairement au cuir chevelu pour des électrodes situées dans un proche voisinage de l'électrode TAC, que les mouvements de sideway le bâton seront étaler le gel sous l'électrode. Si nécessaire, appliquer un peu de gel plus d'EEG, et ensuite utiliser le bâton de bois pour améliorer encore l'impédance.
  4. Pour éviter de pontage via gel de fuite (figure 4), être économe avec l'application du gel pour abaisser l'impédance des électrodes EEG dansle voisinage immédiat de l'électrode TAC. Au lieu de cela, essayer de réduire l'impédance autant que possible en utilisant uniquement le bâton de bois, avant d'envisager l'ajout de plus de gel.
  5. Une fois la bonne impédance a été réalisé avec la baguette de bois, insérez avec précaution et de faire baisser l'aiguille jusqu'à ce que la pointe de l'aiguille touche le cuir chevelu, puis appliquer doucement gel tout en tirant l'aiguille, contribuant ainsi à stabiliser le contact entre l'électrode et l'EEG cuir chevelu.
  6. But pour EEG électrodes impédances inférieures à 5 kQ pour les données optimales, car cela réduit les interférences de bruit et de distorsion du signal.
  7. Une fois les impédances ont été abaissés au niveau approprié, tester si un pont entre l'électrode de TAC et entourant électrodes EEG en raison de fuites de gel a été créé.
    1. Appliquer brève stimulation sinusoïdale, avec une intensité d'intérêts expérimentales (par exemple, 1 mA crête à crête).
      Remarque: En raison des limites de certains systèmes (voir le tableau des matériaux), il est not possible de vérifier pour combler ligne, mais seulement à travers l'application de la stimulation et ensuite vérifier si un canal de l'amplificateur EEG devient saturé.
    2. Voir si un canal est saturé tout en stimulant.
      Note: Comme le montrent les résultats représentatifs pontage par le biais des fuites de gel entre les électrodes TAC et EEG se traduira par saturer ce canal de l'amplificateur EEG et exclure les données d'enregistrement de ces électrodes. Il est impossible d'annuler un pontage via des fuites de gel, une fois qu'il a été établi. La seule option est d'interrompre l'expérience.
  8. Vérifiez impédances une fois de plus. Puis commencer l'enregistrement.

Representative Results

Des exemples sont présentés des TAC-EEG simultanés infructueuses et réussies mesures obtenues à partir de deux enregistrements différents (figure 5). Deux TAC électrodes ont été placées sur le cuir chevelu (F3 et P3 électrodes) et l'intensité des TAC était de 0,9 mA (crête-à-crête). Dans le premier exemple, l'électrode F3 EEG a été comblé avec l'électrode de TAC frontaux via gel (à noter que lorsque l'on évoque de «transition» tout au long de la discussion ci-dessous, on note la formation d'une liaison directe par gel EEG créer un contact entre les TAC et les EEG des électrodes). Le pontage immédiatement sature le canal de F3 et signaux EEG au cours TAC ne pouvaient pas être enregistrées (figure 5A). Dans le deuxième exemple, signaux EEG ont été enregistrées avec succès tout en appliquant TAC (figure 5B).

Pour évaluer la distribution spatiale de l'ampleur de l'artefact TAC, lesl'ampleur de l'artefact TAC a été calculé pendant l'enregistrement réussite obtenue à partir de trois sujets. TAC a été appliqué soit à la DLPFC (électrode F3) ou PPC (électrode P3). L'intensité des TAC était de 0,9 mA (crête-à-crête) .Il a été observé que l'ampleur de l'artefact TAC crête-à-crête a été inversement corrélée avec la distance entre l'électrode EEG et TAC (figure 6A et 6B). En outre, la position de l'électrode de référence EEG par rapport à l'électrode TAC également influencé la répartition spatiale de l'amplitude de l'artefact TAC à travers les canaux d'EEG (Figure 6A et 6B). L'ampleur de l'artefact TAC varie de 10 mV à électrodes EEG plus éloignés du site de stimulation, tandis que l'amplitude peut atteindre jusqu'à 100 mV à l'électrode EEG dans le milieu de l'électrode TAC. La relation entre l'intensité du courant de TAC et de l'ampleur des artefacts à la proximité de laTAC électrode a également été examinée (figure 7). Il présentait une relation linéaire et saturé la plage de tension d'enregistrement lorsque TAC intensité du courant était de plus de 1,6 mA.

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Figure 1. Illustration du montage. (A) Montage avec deux électrodes TAC placées sur le cuir chevelu (F3 et P3). (B) Montage avec une électrode de TAC placé sur le cuir chevelu (F3) et un TAC de référence électrode placée sur l'épaule ipsilatérale. (C) Montage avec une électrode de TAC placé sur le cuir chevelu (P3) et un TAC de référence électrode placée sur l'épaule ipsilatérale. (D) Un bouchon EEG élastique permet de maintenir l'électrode de TAC du cuir chevelu en place sous le capot. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 2. L'application correcte de gel de EEG supplémentaire sous une électrode TAC. Gel EEG supplémentaires doit être appliquée sous l'électrode TAC d'améliorer l'homogénéité de la connexion sur le cuir chevelu. Le gel supplémentaire doit être appliquée entre les cheveux et le cuir chevelu (flèche bleue), et non pas entre l'électrode de TAC et les cheveux, pour améliorer le contact. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 3. Amélioration de la connexion des électrodes EEG pour le cuir chevelu. (A) Appliquer le gel EEG aux électrodes d'EEG à l'aide d'une seringue. Utilisez le tip de l'aiguille pour balayer les cheveux sous l'électrode EEG, puis soigneusement insérer et de faire baisser l'aiguille jusqu'à ce que la pointe de l'aiguille touche le cuir chevelu. Appliquer le gel tout en tirant l'aiguille, pour créer un lien entre le cuir chevelu et l'électrode EEG. (B) utiliser un bâton de bois (par exemple, le manche en bois d'un coton-tige ou similaire) pour améliorer le contact entre les électrodes EEG et le cuir chevelu. Abaissez le gel avec le stick vers le cuir chevelu, et frotter très doucement le cuir chevelu avec le haut du bâton avec un mouvement de rotation. Essayez de garder l'angle du bâton perpendiculairement au cuir chevelu pour des électrodes situées dans un proche voisinage de l'électrode TAC, que les mouvements de sideway le bâton seront étaler le gel sous l'électrode. Si nécessaire, appliquer un peu de gel plus d'EEG, et ensuite utiliser le bâton de bois pour améliorer encore l'impédance. Pour électrodes situées dans un proche voisinage de l'électrode de TAC, il est également important d'être prudent avec l'application de plus de gel for le but d'améliorer le contact. Essayez plutôt d'améliorer le contact autant que possible en utilisant le bâton de bois. Enfin, une fois la bonne impédance a été réalisé avec le bâton en bois, ajouter un peu de gel supplémentaire pour stabiliser le contact entre l'électrode EEG et le cuir chevelu. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 4. Exemple de fuite EEG gel créer un contact direct entre les TAC et les électrodes EEG. Fuite EEG gel, ce qui crée un contact direct entre les TAC et l'électrode EEG, est observée. Combler comme celui entre les TAC et les électrodes EEG peut être créé, par exemple, en ajoutant un gel des quantités excessives de l'EEG sous l'électrode TAC ou l'électrode EEG dans le voisinage de l'électrode TAC,ou par les TAC électrode étant déplacé. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 5. TAC sature l'amplificateur EEG par des passerelles entre via gel. Les données brutes de deux enregistrements différents, référencés au CPZ, lors de montage avec TAC du cuir chevelu électrodes placées à la DLPFC (électrode de F3) et le PCC (électrode de P3). (A) Le signal enregistré à l'électrode F3 est saturé en raison de combler par des fuites de gel EEG entre l'électrode F3 EEG et l'électrode TAC. (B) signaux sont enregistrés avec succès de toutes les électrodes. L'ampleur de l'artefact TAC à l'électrode de F3 dépasse plus de 50 mV. S'il vous plaît cliquez ici pour voirune version plus grande de cette figure.

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Figure 6. L'ampleur des TAC artefacts à travers les canaux EEG. Des grandeurs crête-à-crête des TAC artefacts en moyenne sur trois sujets (mV). Les données sont des données brutes, par rapport à CPZ. (A) L'ampleur de l'artefact TAC pendant le montage avec une électrode de TAC du cuir chevelu placé à la gauche DLPFC (électrode de F3) et l'électrode autres TAC placé sur l'épaule gauche (Montage 2, figure 1B). (B) L'ampleur de l'artefact TAC pendant le montage avec une électrode de TAC placé sur la gauche PPC (électrode de P3) et l'électrode autres TAC placé sur l'épaule gauche (Montage 3, figure 1C). Emplacements de canaux (C) EEG. Rouge: canal sous le site de stimulation, bleu: canaux situés à proximité du site de stimulation, Ref (gras noir): Électrode de référence (CPZ). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 7. L'ampleur de l'artefact TAC est corrélée linéairement avec l'intensité de la stimulation. Amplitude de l'artefact TAC (mV) crête-à-crête d'un sujet au canal F3. Les intensités de 0,5 à 2 mA ont été appliquées par paliers de 0,1 mA. Les données sont des données brutes, par rapport à CPZ. Montage avec une électrode de TAC du cuir chevelu placé à la gauche DLPFC (électrode de F3) et l'électrode autres TAC placé sur l'épaule gauche (Montage 2, figure 1B). Les données montrent une relation linéaire parfaite entre l'intensité de la stimulation appliquée et de l'ampleur des TAC artefact, dans la gamme d'intensité de 0,5 à 1,6 mA. La résolution de tension a été fixé à 150 mV, mais le Actual Gamme d'acquisition maximale était de 161,6 mV au-delà de laquelle le signal a été saturé. La ligne pointillée marque la portée maximale de la tension. Avec des intensités de stimulation de 1,7 mA et plus, quand résultant grandeurs d'artefacts étaient plus de 161,6 mV, le canal de F3 a été saturé. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

Les expériences des procédures à mettre en place simultanées TAC-EEG sont décrits ici. Nous passons maintenant à discuter de considérations relatives à la configuration des enregistrements EEG-TAC, dont les deux premières considérations sont vitales pour réussies enregistrements simultanés TAC-EEG.

Éviter TAC-EEG électrode de pontage via gel

Il est crucial d'éviter le pontage entre EEG et TAC électrodes à travers des fuites de gel EEG, que combler immédiatement sature le canal respective d'un amplificateur d'EEG. Pour cette raison, la viscosité du gel EEG est un paramètre crucial pour la réussite de l'enregistrement EEG-TAC. Ne jamais utiliser un gel de EEG fluide, comme un fluide risques de gel de EEG échapper à partir de l'électrode de TAC et le pont avec des électrodes EEG adjacentes. Dans le même temps, un gel très visqueuse EEG présente un inconvénient pénétrant dans les cheveux et la peau de lubrification pour réduire l'impédance. Pour les électrodes EEG à proximité de l'électrode TAC, un gel plus visqueux peut be utilisé, que l'on peut utiliser un bâton de bois pour réduire l'impédance. Pour les TAC et les électrodes EEG restants, utiliser un peu moins visqueux (mais pas encore fluide) gel de l'EEG. Ce type de gel nécessite moins d'effort pour des impédances plus faibles. Comme il est difficile de gratter sous l'électrode TAC, il est préférable d'utiliser un gel légèrement moins visqueux ici.

Traiter avec TAC grandeurs d'artefacts

La deuxième question est de gérer la grande ampleur de l'artefact TAC, allant de 10 mV à EEG électrodes éloigné de la zone de stimulation, à plus de 100 mV sur le site de la stimulation au cours de la présente intensité de la stimulation de 0,9 mA (figure 6) . La figure 7 illustre la relation linéaire entre l'intensité de stimulation (0,5 à 2,0 mA crête à crête) et l'amplitude résultant de l'artéfact au niveau du site de stimulation (canal F3). Une première mesure est de garder une faible impédance des deux électrodes EEG et TAC. Insuffisantcontact entre l'électrode de TAC et le cuir chevelu crée de plus grandes amplitudes de l'artefact TAC dans les données de l'EEG, et en plus appliqué courant électronique aurait tendance à être inhomogène. En second lieu, il faut tenir compte du niveau du convertisseur analogique / numérique du système de résolution EEG. Un convertisseur 24 bits de A / D peut couvrir théoriquement une gamme de 1,68 V avec un / une résolution de 0,1 mV bits. En revanche, un convertisseur 16 bits de A / D avec une résolution de 0,1 mV / bit couvrirait une gamme de tension de 6,5 mV - trop faible pour couvrir la gamme de l'artefact TAC (figure 6). Où la résolution d'enregistrement de la tension doit être abaissé. Afin de couvrir grandeurs d'artefact jusqu'à 100 mV au niveau du site de stimulation avec un système 16 bits, la résolution d'enregistrement de la tension serait théoriquement besoin d'être abaissé au-dessus de 1,53 mV / bit. En fait, des études récentes simultanées TAC-EEG avec un système 16 bits ne pouvait pas enregistrer les signaux EEG de la proximité du site de stimulation en raison de la saturation de l'AMPL ficateur même lorsque la résolution a été abaissé à 0,5 mV / bit 12,13.

Considérations pour réduire l'impédance de l'électrode

La raison d'abord de commencer à travailler sur les impédances des électrodes EEG situés au milieu ou à proximité de l'électrode TAC, est que ces électrodes EEG exigent un certain travail patient et attentif à éviter les ponts. En commençant par ces électrodes, il est temps d'attendre jusqu'à ce que le gel appliqué a eu un peu de temps pour lubrifier le cuir chevelu, avant d'envisager d'appliquer plus de gel EEG si nécessaire. Gel supplémentaire devrait être appliqué sous l'électrode TAC une fois qu'il a été placé sur le cuir chevelu, en particulier si le participant a beaucoup de cheveux. La raison en est non seulement pour réduire l'impédance - bonne impédance peut être atteint sans cette étape - mais pour réaliser une connexion uniforme avec le cuir chevelu sur toute la surface de l'électrode TAC.

Conception et montage considérations

MÉNAGEMENT "> Figure 1 illustre le montage des TAC électrodes. Le design en forme de beignet des TAC du cuir chevelu électrodes / électrodes et rectangulaire TAC d'épaule électrode sont représentés. La forme de l'électrode de TAC du cuir chevelu permet une électrode EEG pour être placé dans au milieu de la zone stimulée. Un avantage de la conception en forme de beigne est qu'il permet l'enregistrement du signal de la zone stimulée. Deuxièmement, il rend également facile de garder la position de l'électrode de TAC inchangé. Selon le site de la stimulation, une autre forme de l'électrode TAC serait plus approprié. Une forme de l'électrode de TAC rectangulaires est mieux adapté lors de l'enregistrement d'un site entre les électrodes EEG.

Il convient de signaler que la forme et la position de l'électrode TAC est pas la même que la zone effectivement stimulé, mais pourraient être légèrement décalée 31. Au moment de décider de la position des électrodes TAC, la modélisation de l'actuelle ffaible pour estimer la meilleure position des électrodes pour cibler la région d'intérêt est toujours fortement conseillé.

La configuration actuelle est appropriée pour la modulation de l'activité rythmique dans les réseaux de grande envergure. Plus stimulation focal peut être réalisé de plusieurs manières 13, 32, 33, 34. Tout d'abord, réduire la taille de l'électrode de TAC. Nitsche et ses collègues ont montré que une électrode de 3,5 cm 2 peut moduler l'excitabilité du cortex moteur avec tDCS 32. Une deuxième approche consiste à exploiter une configuration haute définition 13,33,34, où une électrode de stimulation est entouré de quatre électrodes de référence. Un autre avantage de la configuration haute définition est que la densité d'électrodes EEG peut être augmentée, puisque les électrodes en caoutchouc classiques limitent l'espace pour placer les électrodes EEG et soixante-quatre électrodes EEG est pas possible de mettre en œuvre dans la configuration actuelle. Alors que emodifications ESE pour la spécificité spatiale supérieure nécessitent des procédures de configuration différents, les considérations techniques décrites ici sont encore valables.

Dans ce protocole, nous plaçons les TAC électrodes selon le système international 10-20 pour EEG électrode positionnement 30. Whileindividual optimisation d'un emplacement de stimulation serait l'alternative, il peut constituer un problème pour la comparaison lors de faire varier l'emplacement de stimulation entre les individus dans l'expérience, comme le site de stimulation varie par rapport aux sites d'enregistrement EEG. L'utilisation combinée récemment démontré de magnétoencéphalographie (MEG) et TAC, par Neuling et ses collègues 35, pourrait surmonter ce problème et TAC problèmes liés artefacts, que les méthodes de filtrage spatial avec MEG beamforming permet d'estimer l'activité cérébrale indépendante d'un site TAC.

Concernant le montage, deux montages monopolaires sont décrits ici, à savoir, avec extracephaliLieu de c de l'électrode de référence (Figure 1B et 1C), et un montage monopolaire, soit avec les deux électrodes situées sur le cuir chevelu (Figure 1A) (voir ci-classifications des montages d'électrodes par Nasseri et al. 36). L'avantage d'utiliser un montage monopolaire est d'éviter une stimulation supplémentaire de céphalique aucun intérêt pour l'étude. La principale préoccupation lors du choix d'un montage monopolaire est le flux de courant si structures sous-corticales, y compris du tronc cérébral, avec le risque potentiel de moduler les fonctions du tronc cérébral vitaux. Placement d'épaule extracephalic et ipsilatéral de l'électrode de référence a été confirmée à ne pas moduler les fonctions du tronc cérébral pour 1 mA l'intensité du STCC 37,38 (par exemple, la variabilité de la fréquence cardiaque, fréquence respiratoire et la pression artérielle). Comme un montage monopolaire peut avoir des avantages clairs en fonction de la conception expérimentale, il ya un besoin pour tester globalementl'effet sur les fonctions vitales du tronc cérébral au cours des intensités de stimulation et les différents montages monopolaire, ainsi que pour comparer l'influence entre STCC et TAC.

Notez que la configuration haute définition est une autre solution pour éviter le problème du montage de la stimulation bipolaire céphalique additionnelle d'intérêt. La configuration haute définition avec une électrode de stimulation entouré de quatre électrodes de référence conduit à haute densité de courant dans l'électrode centrale et une faible densité de courant dans les quatre électrodes environnantes. Comme l'effet de stimulation dépend de la densité du courant, cela signifie une modulation unidirectionnelle sous l'électrode centrale pour la configuration de haute définition, à la différence de la modulation bi-directionnelle d'une configuration à deux électrodes 39.

Scintillement perception visuelle induite par TAC est un facteur limitant essentiel pour l'intensité de stimulation lors de la passation de la tAÉlectrode CS sur le lobe frontal, due à la stimulation rétinienne par TAC. En particulier, les TAC à la fréquence bêta-bande induit scintillement visuelle même à faible intensité de TAC 11. Dans notre expérience 0,9 mA stimulation (crête-à-crête) sur la DLPFC (électrode de F3) à 6 Hz est un niveau d'intensité appropriée pour minimiser la sensation de scintillement visuel.

En fonction de la conception de l'expérience, il peut être nécessaire de contrôler le stimulateur avec un dispositif externe (si cette fonction est disponible pour le stimulateur utilisé). Nous utilisons une carte de sortie analogique de forme d'onde pour contrôler le stimulateur et envoyer des déclencheurs à l'amplificateur EEG (voir autres spécifications matérielles et logicielles dans la table des matières). Dans le cas du stimulateur qui a utilisé ici (voir le tableau des matériaux), le niveau de sortie de courant avec la télécommande de bruit est supérieure à celle de l'interface de stimulateur intégré. D'où la possibilité de commande à distance le stimulateur doit être choisiseulement si requis par la conception expérimentale.

La saturation de Dépannage de canaux EEG

Nous avons montré que le pontage entre les TAC et les électrodes EEG via des fuites de gel résultats EEG à saturer le canal correspondant de l'amplificateur EEG et exclut l'enregistrement de données à partir de ces électrodes (figure 5A). Il ya d'autres raisons de la saturation d'un canal EEG. Une raison peut être que le gain de l'amplificateur est trop étroite, et la résolution d'enregistrement de la tension n'a pas été ajusté en conséquence. Dans ce cas, la résolution d'enregistrement de la tension doit être abaissé pour couvrir la gamme de l'ampleur de l'artefact TAC. Une autre raison est que le site d'enregistrement est trop proche du site de stimulation. Dans ce cas, même une résolution d'enregistrement de tension très grossière peut toujours pas couvrir la gamme de l'artefact. L'enregistrement doit être placé plus loin du site de stimulation.

Le pro actuelleProtocole représente globalement les paramètres et les considérations techniques pour simultanées expériences TAC-EEG. Avec des méthodes pour supprimer l'artefact TAC et des protocoles pour enregistrement de bonne qualité lors de TAC TAC sera vraiment une méthode prometteuse tofurther notre compréhension de la caractéristique la plus importante de l'activité cérébrale, la dynamique rythmique.

Acknowledgements

This project has been supported by the Japan Science and Technology Agency (JST) PRESTO program.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Stimulator for tACS: Eldith DC-Stimulator plusNeuroConn GmbH, GermanyFor 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-6723National Instruments, USA13-bit, 32 channels.
Matlab and data acquisition toolboxThe MathWorks, Inc., USAThe '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 capANT neuro, Netherlands
tACS electrodesNeuroConn GmbH, Germany305090-05       305050Materials: 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 gelInselspital, Bern, SwitzerlandElectrode paste, containing abrasives (i.e. pumice) which scrub the skin, improving the electrode-to-skin contact.
Abrasive skin preparing gel for EEG and electrocardiography: NuprepWeaver and Company, USA
Cotton swabs, wooden handleSalzmann MEDICO, SwitzerlandDimensions:
150 x 1.5 mm; wooden handle Ø 2.2 mm
Adhesive tape: LeukofixBNS medical GmbH, Germany 04.107.12

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