高精度经颅直流电刺激（HD-tDCS）与自发脑电（EEG）联用，实验方案如何设计？
高精度经颅直流电刺激（HD-tDCS）与自发脑电（EEG）联用，
实验方案如何设计？
本期我们解读的文章为高精度经颅直流电刺激（HD-tDCS）与脑电（EEG）联合使用，希望能给各位老师实验方案的设计提供参考。”
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摘要
脑电图(EEG)为高精度经颅直流电刺激(HD-tDCS)神经调节效果的生物标志物 提供了可能性，因为这两种技术都可以实现兼容，并可以集成到一个电极帽中（美国Soterix品牌已经整合出与任何脑电品牌实现同步兼容的方案）。本研究使用4阴1阳的高精度经颅电刺激仪（HD-tDCS）；实验共分三组：2 mA直流电刺激、伪刺激(开始和结束时升高/下降)和无刺激(设备未通电)，每次干预持续20分钟。
背景脑电图在比较的时间段，右侧中央区域，波幅变化普遍存在，无刺激组最明显，并且与困倦和警觉之间的过渡标记一致——delta双侧减少，α和β 1波段不对称的中心增加。对于活动组，alpha带也发生了类似但不太明显的变化。
相比之下，在活动组和伪刺激组的全脑对称增加的背景下，对IPS（间歇光刺激）的反应仅在活动组以4个3hz的频率出现类似的不对称振幅增加。
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参与者
25 名年龄在 20-57 岁（平均值±标准差：33.6±11.1）且没有神经、精神、慢性或药物相关疾病史的健康人（8 名男性）自愿参加研究，没有经济补偿。
受试者没有服用药物，也没有植入电子设备或颅内植入物。该研究得到了里约热内卢联邦大学 (HUGG UNIRIO) 医院 Universita´ rio Gaffre´e Guinle 伦理委员会的批准。所有个人都给出了书面知情同意书。
实验设计
该研究包括三组干预条件：
1、活动HD-tDCS组：施加2mA电流20分钟，包括1分钟的上升斜坡和下降斜坡。
2、伪刺激HD-tDCS组：电流先是上升到2ma，然后下降，仅在干预期的**和最后几分钟(其余18分钟无刺激)。
3、无刺激组：刺激电极被放置在各自的位置，但是刺激装置不通电。
在所有的实验条件下，受试者都保持舒适的坐姿，闭上眼睛，并被指示保持清醒，同时监测脑电图，以确保保持清醒状态。如下图：
图1-1
设备及配置
HD-tDCS：4x1HD-tDCS配置Ag/AgCl高精度环形电极。(Soterix Medical Inc.， New York, NY, USA)。
EEG：32通道Bio-logic Ceegraph设备(Bio-logic Systems Corp.)
IPS灯：Nihon Kohden 4418 K - LS-701B光刺激器
设备联用方案
图1-2
HD-tDCS:
中央阳极刺激电极放置在左半球的标准EEG C3位置 (International 10/20 System)，其余四个阴极刺激电极放置在阳极周围5厘米半径的区域(Datta et al.，2009)。
EEG:
记录电极按HD-tDCS电极位置排列。其中三个放置在受刺激区域内。中心位置(C3)对应于阳极;HD-tDCS“外圈”的后中央位置(C3p，从阳极后向右)对应于阴极;中间位置位于刺激电极之间，距离阳极前方3cm (C3a)。将刺激区外的记录电极置于左侧枕区(O1)。
在阳极和阴极位置，记录和刺激电极在HD-tDCS前后交替工作。
数据分析方法
脑电图数据由Brainsys (Neurometrics, Moscow, Russia)离线分析。
每个BGR周期的振幅谱估计在5个频段:delta (2-4 Hz)、theta (4-8 Hz)、alpha (8-13 Hz)、beta1 (13-20 Hz)和beta2 (20-30 Hz)。
使用MATLAB中EEGLAB工具箱和gramm工具箱 (R2018a;MathWorks, Natick, MA, USA)。构建低密度头皮地形图，显示自发性背景脑电图振幅谱的百分比变化。变化程度接近的点用等距线表示。
图2 在三个干预组(无刺激HD-tDCS、主动HD-tDCS、伪刺激HD-tDCS)，比较BGR2-BGR3的
自发性背景脑电图振幅谱的平均百分比变化。
实验结果
无刺激状态:背景脑电图
BGR2-BGR3， alpha和beta1振幅谱的中心区域增加(CL和CR α波段的增加30 - 36%, p<0.01,在CR beta1波段增加8%，p=0.02)在theta (p=0.02)、alpha (p=0.02)和beta1 (p=0.02)波段的中心区域出现右偏不对称。
BGR2-BGR4在alpha (p=0.03)和beta1 (p=0.04)波段的中央区域出现右偏不对称，枕部alpha波段出现对称增加(p<0.05, 23-28%)。
干预前BGR1至BGR2脑电图数据显示，4个脑区δ频段均显著增加(p < 0.02, 10-17%)，枕区alpha和beta1频段均显著减少(p < 0.02, 11-19%)。
这个结果表明了背景脑电图的复杂变化(如不对称，频率和位置特异性)的可能性，这些变化会叠加，甚至与活动/伪刺激引起的变化相互作用。
小结：无刺激状态，背景脑电图比较复杂多变，没有明显优势方向。
活动HD-tDCS:脑电图背景
在特定同期比较方式下，观察到背景脑电图的半球对称性和特定频率的变化(图3)。
与干预前相比，在整个频谱段除了在beta2波段出现突出的不对称(CR>CL) (p<0.04)外，总体振幅谱没有显著变化。孤立地看，出现的局域频段特异性不对称可能与活动HD-tDCS的局域大脑极化作用相关。也就是说，作为众多活动HD-tDCS响应中特别的一种现象，在无刺激条件下，特别是伪刺激条件下，这一时间点特定的现象会相应的减弱。
图3所示 在活动HD-tDCS干预期后，比较不同时段(BGRs)自发背景脑电图振幅谱的平均百分比变化。对于每个背景比较，检测了delta、theta、alpha、beta1和beta2频带。百分比的变化仅在每个头皮地图上显示的点可用，等距线表示类似的变化区域。
小结：在众多活动HD-tDCS响应中，观察到一些特别的局域频段特异性不对称现象；这种特异性不对称可能与活动HD-tDCS的局域大脑极化作用相关。
伪刺激HD-tDCS:脑电图背景
与活动HD-tDCS的脑电图效应定性的类似，在大部分频带振幅变化的比较上缺乏两个半球间的不对称(图2)与无刺激组相似性较低，BGR2-BGR3类似于无刺激组,伪刺激HD-tDCS组在beta1频段引起普遍的右侧变化(p = 0.04),并且以类似的方式在O1、O2(10-11%)和CR(5%)的beta1频段波幅增加(p<0.05)。对于伪刺激HD-tDCS，在其他任何波段或导联中没有观察到频谱的显著变化或其他差异(图2)。
小结：伪刺激HD-tDCS大部分频带与活动HD-tDCS类似，只在特定频带与无刺激组类似。
IPS条件下三组分析情况
无刺激条件：在任何时段和频率没有影响脑电图对称性。
活动HD-tDCS：对3Hz IPS的刺激响应大大增加，对6Hz、9Hz、24Hz等倍频有不同程度响应。
伪刺激HD-tDCS：有普遍的对IPS干预响应的趋势，与活动组类似，但是增加幅度的只有3Hz、6Hz、9Hz，伪刺激对IPS的反应不存在明显的不对称性。
讨论与分析
通过干预组(主动HD-tDCS、伪刺激HD-tDCS和无刺激HD-tDCS)的数据分析，我们观察到不同时间段、区域和频段比较对脑电图的明显影响。无刺激组结果显示出细微差别对整体的实验设计的影响，例如困倦/警觉、受试者指导、时间跨度等;并且会覆盖任何活动或伪刺激条件下的真实效果，这些都是我们在实验设计当中需要考量的影响因素。伪刺激在背景EEG响应的结果明显不同于无刺激的组,可以反映当前的感知或皮质短电流刺激和极化。活动HD-tDCS干预后的3 Hz IPS表现出突出性不对称，特别是在中心区域(CL<CR，在各种谐波中显著)，这与局部极化效应的假设一致。将IPS应用于脑电图HD-tDCS的神经生理效应研究，相比单独关注自发的背景脑电活动可以大大提高该方法在聚焦方面的灵敏度和精度。
参考文献：
Lazarev V V, Gebodh N, Tamborino T, et al. Experimental-design specific changes in spontaneous EEG and during intermittent photic stimulation by high definition transcranial direct current stimulation[J]. Neuroscience, 2020, 426: 50-58.
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