高精度经颅直流电刺激诱发宽带皮层同步的急性和持续性变化：
HD-tDCS与EEG同步研究
摘要
本研究的目标是开发高分辨率脑电( EEG )在高精度经颅直流电刺激( tDCS )过程中同时获取电生理数据的方法，以往的研究指出tDCS对运动和认知功能的后效应，在多种临床应用中似乎有潜力使用。由于在持续刺激过程中同时获得电生理数据的非常具有挑战性，因此人们很少知道tDCS对大脑皮层节律性活动的实时影响。该实验中我们对一组健康人进行了同步的tDCS- EEG研究。在左感觉运动皮层使用高精度tDCS前后，自发神经活动和事件相关同步( ERS )发生了明显的急性和持续性变化。痛觉和阴极刺激均可引起宽频带皮层活动的急性全局性变化，与伪刺激时观察到的变化有显著差异。总体而言，我们的研究结果论证了在高精度tDCS中获取高分辨率EEG的可行性，并提供了对大脑皮层使用tDCS在刺激过程中和给刺激后直接调制皮层节律性同步的证据。
背景
经颅直流电近年来已经成为一种有效的无创神经调控技术，有研究报道，研究人员通过对健康的人头皮表面施加少量电流，会引起皮层兴奋性的改变。最重要的是该研究发现阳极刺激产生兴奋，阴极刺激产生抑制效果。
tDCS刺激形式主要使用浸润了生理盐水的海绵电极来进行刺激，接触面积在25-35cm2左右，一个电极作为阳极，一个电极作为阴极。由于电极覆盖区域阻碍了脑电通道的信号，因此使用这种电极进行刺激时来采集脑电数据非常困难。同时由于刺激过程中的电场范围分布广泛，因此电流并不具有聚焦性和靶向性。
高精度tDCS的出现解决了这一问题，高精度tDCS的刺激电极尺寸与标准的脑电电极尺寸基本相同，还可以调节增加刺激电流的密度，在传统的tDCS相比，聚焦性更好，因此，高精度tDCS与脑电结合可能比传统tDCS效果要好。
本研究旨在探讨对感觉运动皮层施加高精度tDCS刺激过程中来记录脑电的可行性。由于刺激会改变神经元的静息膜电位，因此我们假设tDCS会导致脑电图节律的局部特异性变化。我们进一步假设tDCS对大脑皮层兴奋性的影响会持续到刺激结束后，如运动想象事件相关的去同步/同步化( ERD / ERS )在感觉运动皮层的变化。这样我们就能够将tDCS的急性作用与其对同步神经活动的持续性后效应联系起来。
八名健康被试者（平均年龄25岁），每位被试分别参与三个不同实验：阳极刺激、阴极刺激和伪刺激，实验间隔至少一周。由于实验间隔时间相对较长，所以我们假设一个实验对后一个实验没有传递效应。前两次刺激的顺序采用计算机随机分组。确定被试建立耐受性之后，对受试者施加第三次阴极刺激。在每个实验开始和结束时对每个被试进行认知评估测试，以确保tDCS后的认知是正常的。此外，评估被试在每次接受tDCS刺激的感受。
全部实验都采用高精度4*1环形电极，阳极刺激时，一个阳极中心电极，四个阴极周围电极；阴极刺激时，一个阴极中心电极，四个阳极周围电极。在每个病例中，中心电极置于64通道脑电帽( Brain Products，GMBH，Germany )的C3和CP3电极之间，其余4个相反极性的电极以径向方式(半径= 4.5 cm )置于帽子中央刺激电极周围（见图1）。使用1*1经颅直流电刺激仪（Soterix Medical, New York City），4个高精度Ag/AgCl环形电极（(Stens Corporation, San Rafael, CA）连接在4*1高精度适配器上（Soterix Medical, New York City）。伪刺激的电极办法相同，仅在刺激开始和结束时有电流。在真实刺激过程中，对左侧感觉运动皮层施加1.0mA电流，刺激时间10分钟。
在每个实验过程中，tDCS阻滞时间约为20分钟，刺激前、刺激中、刺激后连续记录EEG，包括上升和下降阶段(图2 )。使用5000HZ采样频率和64通道脑电帽和放大器（BrainProducts, GMBH, Germany）来采集被试眼睛睁开时的静息脑电图。
三分钟以后，打开tDCS刺激仪，电流缓慢上升以后，保持恒定1mA 电流10min后，电流下降，休息3分钟。
在刺激前后被试都需要接受运动想象任务，以评估每个tDCS刺激对双侧感觉运动皮层运动想象ERD / ERS的后效应（见图2）。每个被试在tDCS前后均进行三次运动想象任务。受试者在每个任务中都需要做20次试验，已交替的方式连续地握住他们的右手或左手，先保持一个状态( GET READY ) 2秒，然后握住左手或者右手5秒。
对tDCS期间采集的250 Hz和2 ~ 50 Hz静息脑电进行预处理。由于2HZ以下伪影较多，因此忽略0-2Hz较低频率。为去除伪影，将tDCS上升和下降期间的电压归零。
图1
图2
使用头部模型(garden melon)进行tDCS- EEG同步实验，以评估tDCS伪影的特性和实验过程的可行性。对头模涂抹导电凝胶，降低接触阻抗。与人体实验一样，施加1.0mA的tDCS刺激10min，分为阳极刺激、阴极刺激和伪刺激。确定tDCS伪影在tDCS不同时期是否引起了整体信号功率的变化。进行时频分析，以确定在没有神经活动的情况下，tDCS在不同频段的具体噪声效应。然后利用独立分量分析( ICA )对每个实验构型进行4x1高清tDCS诱导伪影的特征识别。从数据中删除噪声成分，使用时间-频率分析评估数据中tDCS频率的持续变化。
研究结果
头模实验及去除tDCS相关脑电伪影
本研究的主要目标之一是评估同步tDCS- EEG的可行性和技术挑战性。为保证数据质量，在预处理阶段对所有脑电数据进行人工评估。因此，我们利用时频分析来研究在加速期间持续tDCS引起的幻影脑电活动的频率特异性变化。在这些最初的实验中，我们观察到了与tDCS相关的脑电伪影。在刺激电流上升和下降过程中观察到伪影最为突出，在此期间，不仅在与五个高密度tDCS电极相邻的通道中出现了较大的电压波动，而且在脑电帽的两侧也出现了电压波动。
上升期和下降期在使用ICA之前均为零，以便重点分析tDCS保持恒定1.0mA时的“上升期”EEG。然而，在将这些周期归零之前，计算每个通道的平均信号功率及其标准差，以确定在tDCS过程中每个实验环节受到显著影响的电极。鉴于头部尺寸、形状和电导率的不同，识别这些电极有助于在后续预处理阶段更仔细地评估与tDCS相关的人工ICs。在整个tDCS周期内，与tDCS电极相邻的EEG电极中也观察到了由于tDCS而产生的额外大的低频漂移伪影( < 2 Hz )。为此，我们选择最终过滤2 - 50 Hz之间的数据，这样可以尽量减少ICA去除剩余漂移伪影之前更突出的低频漂移伪影。
在基于ICA的噪声去除之前，刺激前、刺激过程中和刺激以后之间的tDCS- EEG幻觉期间，GFP没有明显变化。因此，我们利用时频分析来研究在加速期间持续tDCS引起的幻影脑电活动的频率特异性变化。我们发现，tDCS装置只在主动刺激时产生局部的、宽频带的EEG噪声(由于tDCS - EEG实验装置没有观察到噪声)。持续的tDCS影响了C3和CP3通道(与中央tDCS刺激电极相邻)的原始脑电信号以及与四周tDCS电极相邻的额外脑电信号通道，特别是低频段(Ⅰ型伪影)。利用ICA，我们能够有效地识别和去除由于持续的tDCS而产生的这些通道伪影（见图3）。用此ICA程序有效地去除了与刺激电极( C3，CP3 )直接相邻的通道中观察到的宽带噪声。使用ICA对体模数据进行清洗后，我们仍然观察到刺激期间和刺激后个体频带功率相对于基线的一些波动。但这些变化幅度极小，与tDCS电极的位置没有空间相关性。这种波动也是用伪刺激在头模上观察到的，进一步表明它们是随机噪声造成的，而不是tDCS本身。
人体实验中观察到的tDCS相关伪影与头模实验中观察到的伪影大致相同，在进一步的数据分析之前，对受试者进行人工识别同时去除不良IC。有趣的是，在几乎所有的实验中也观察到了由于tDCS刺激设备维持恒定电流而产生的额外通道伪影。这种附加伪影是由于tDCS设备本身诱导的低频电压波动，以维持恒定的刺激电流( 1.0 mA )。此外，这些伪影往往在10分钟的刺激过程中信号逐渐增强，表明脑电通道阻抗逐渐增加，因此增加维持恒流所需的电压。该伪影的信号轮廓也与tDCS刺激设备上升下降电压产生的伪影相同，在进一步评估与tDCS相关的实际神经活动变化之前，需要对其进行去除。
讨论
本研究评估了高精度tDCS对一组健康受试者左侧运动皮层自发皮层活动和事件相关皮层同步的实时和后刺激效应。我们特别论证了在tDCS期间同时记录EEG用于评估急性组水平刺激反应的可行性。据我们所知，这是首次直接研究高精度4x1tDCS在人体内对自发皮层节律的急性效应，并与tDCS对运动想象ERD / ERS的持续后效应有关。以往的研究在范围上非常有限，一般只记录刺激时单个电极的脑电图。总之，我们发现在伪刺激时，无论是阴极刺激还是阴极刺激，自发皮层活动在多个频段都存在显著的全局差异。此外，我们观察到双侧运动想象ERD / ERS在tDCS后多个频段发生了显著变化。
研究设备
该文章所使用的的HD-tDCS为美国Soterix 4x1系列设备，目前美国Soterix品牌高HD-tDCS系列设备均可以与各品牌研究级EEG进行同步实验，并制定相应的兼容方案。
研究结论
使用高精度经颅直流电刺激时，Delta、theta和alpha频段的自发皮层同步发生了显著的脑电变化，在刺激后的运动想象过程中，tDCS对theta、beta和γ带同步的持续性影响也是明显的。阳极刺激和阴极刺激对皮层活动均有同侧和对侧效应。总的来说，这些结果重申了tDCS对人类的作用机制，并进一步证明了tDCS能够无创性地调节广泛的神经网络。进一步探索tDCS - EEG技术可以显著提高我们对特定皮层区域进行调制的能力，从而促进不同的临床康复进程，最终提高健康人群的认知能力。
图3
图4
参考文献：
High Definition Transcranial Direct Current Stimulation Induces Both Acute and Persistent Changes in Broadband Cortical Synchronization: a Simultaneous tDCS-EEG Study
原文所使用设备：美国Soterix4x1系列高精度经颅直流电刺激仪
原文下载：文献点击下载
免责申明：以上内容仅作为文章阐述，非商业型广告推广，如有涉及广告等字眼请联系即删
