このプロトコルは、脳波データのマルチテーパ分光を生成するオープンソースのコンパイル済みのMATLABプログラムを提供します。
現在の Web リソースは、脳波 (EEG) データを視覚化および定量するためのスペクトログラムを計算するための限られたユーザーフレンドリーなツールを提供します。このペーパーでは、EEG マルチテーパスペクトログラムを作成するための Windows ベースのオープン ソース コードについて説明します。コンパイルされたプログラムには、ソフトウェア ライセンスなしで Windows ユーザーがアクセスできます。Macintosh ユーザーの場合、プログラムは MATLAB ソフトウェア ライセンスを持つユーザーに限定されます。プログラムは、睡眠と覚醒の状態の関数として変化する脳波スペクトログラムを介して示され、それらの状態におけるアヘン誘発性変化。C57BL/6JマウスのEEGsは、生理食リン(車両制御)およびモルヒネ、ブプレノルフィン、およびフェンタニルの抗鼻腔内注射後に4時間無線で記録した。スペクトログラムは、フェンタニルの投与後に1−3Hzと8−9 Hzで脳波電力に同様の変化を引き起こしたブプレノルフィンとモルヒネが3Hzと7Hzで最大平均電力帯域を明らかにした。スペクトログラムは、脳波周波数と電力に対するマスクされていない差動オピエート効果を示します。これらのコンピュータベースの方法は、薬物クラス間で一般化可能であり、容易に定量化し、リズム生体信号の広い範囲を表示するために変更することができます。
脳波データは、行動および神経生理学覚醒1のレベルを特徴付けるために周波数領域で生産的に分析することができる。マルチテーパスペクトログラムは、脳波波形を時間領域と周波数領域に変換し、時間の異なる周波数でダイナミック信号電力を可視化します。マルチテーパ分光器はフーリエ解析を使用してスペクトル密度推定を生成します。スペクトル密度推定は、信号を含む純粋な正弦波に波形を分離し、色2のスペクトル全体を見るためにプリズムを介して白色光の回折に類似している。脳波のマルチテーパ分光は、異なる周波数で振動する放電パターンを有するニューロンの複数のネットワークの結合活性を表す2.時間シフト不変のため、フーリエ変換は時間と周波数領域3の間の最良の変換と考えられています。フーリエ分析にも多くの制限があります。脳波信号は非定常です。したがって、フーリエ法では小さな変更が認識されず、データセットのサイズによって分析が変更される場合があります。ただし、フーリエ変換を非定常信号に適用する場合は、ウィンドウが使用されます。これは、信号のスペクトルが短期間でわずかにしか変化することを前提としています。スペクトル分析のための別の方法は、脳疾患の検出に適し得るウェーブレット変換である3.
機能的観点から見ると、脳波信号を含む異なる振動は、より低いレベル、より高いレベルの形質表現型、睡眠および覚醒2などの状態表現型、または一般的な麻酔薬4、5、6によって引き起こされる覚醒の喪失である。睡眠と覚醒の状態に関しては、スペクトログラムは、内因性に生成された睡眠のリズムが連続的かつ動的7であることを明確に示しています。睡眠と覚醒の状態の定量的記述は、従来、EEG記録の明確に定義された各エポック(例えば、10s)に睡眠または覚醒分類を割り当てるビン分割プロセスを含んでいた。これらの状態ビンは、時間の関数としてプロットされます。時間経過データプロットは、しばしば催眠術と呼ばれ、病気、薬物投与、概日リズムの変化、シフトワークなどによって中断される睡眠から正常な睡眠を区別するために使用されます。催眠プロットの制限は、覚醒状態を正方形波形として表現することによって脳波信号を偽らせることです。催眠術プロットは、覚醒状態2の離散化を伴い、中間段階または遷移段階の細かい表示を許可しない。さらに、10sの得点エポックは、時間スケールに下限を課すことによって時間の離散化を生成します。状態と時間の両方の離散化の結果は、意識2の状態とこれらの状態の薬物誘発破壊との間の動的相互作用に関する神経生理学的情報の喪失である4.例えば、異なる麻酔薬は、異なる分子標的およびニューラルネットワーク上で作用する。これらのニューラルネットワークの薬理学的操作は、薬物、用量、および投与経路4に特有のスペクトログラムを確実に生成する。
本プロトコルは、オピオイドが睡眠8、呼吸9、ノシセプション10、および脳神経化学11を変化させるメカニズムに関する研究を容易にするために開発された。このプロトコルは、独自のソフトウェアまたは MATLAB ライセンスを持たないシステムを使用して完了できる脳波分析用のマルチテーパスペクトログラムを作成するために必要な手順について説明します。C57BL/6J(B6)マウスは、睡眠および覚醒の正常な、妨げられていない状態の間、およびアヘン体の全身投与後に新しい脳波スペクトログラムを作成するこのコンピュータベースの方法の能力を検証するために使用された。分析の信頼性と妥当性は、B6マウスが生理食リン(車両制御)およびモルヒネ、ブプレノルフィン、およびフェンタニルの抗鼻腔注射を受けた後の脳波スペクトログラム間の差異の系統的な比較によって確認された。
新生児マウス脳波ダイナミクスの定量的研究は、新生児ヒト脳波12のより良い理解を達成することを目的とした研究のためのモデルを提供することによって、翻訳的な関連性を有する。脳波ダイナミクスの定量化は単なる記述的なものではなく、脳波データ13に基づいて覚醒を予測できる機械学習アプローチに貢献できる。本報告書の目的は、マウス脳波における薬物誘発変化を特徴付けるマルチテーパスペクトログラムを計算するための、広くアクセス可能でユーザーフレンドリーなコードを提供することにより、翻訳科学を促進することである。
ここで説明するプログラムは、プロトコルセクション3、スペクトログラム計算で概説した9つのステップを使用してスペクトログラムを作成するために開発されました。これらの手順では、スペクトログラム プログラムの取得、正しいファイル形式の確保、および一意のユーザースペクトログラムの生成に関する計算パラメータの変更が含まれます。ユーザーは、概念的な質問や実験的な設計の範囲に合わせたスペクトログラムを作成することができます。この開発プロセスの容易さと効率を高めるためには、上記の制約に従って名前を付けた正しいファイル形式で生の脳波データを提供することが不可欠です。マウス脳波データに対してシグナルの例が提供されているが、スペクトログラムプログラムは、信号処理の制限がないヒトおよび非ヒト脳波データに容易に適用可能である。
トラブルシューティングと方法の変更に推奨される方法は、まず小さなデータ セットを分析することです。考慮すべき主なプログラム出力には、フィルタリングされた脳波のプロットとスペクトログラムが含まれます。テーパスペクトログラムの魅力的な側面は、周期的な生物学的信号の多種多様に適用することができるということです。品種は、長い期間の概日(24時間)リズム17からレンショーセル18の1,000 Hz放電率などの非常に高速なリズムまで及ぶ。
データの書式設定は、このスペクトログラム プロトコルの制約です。ヨーロッパのデータ形式 (EDF) は、脳波データで広く使用されています。ただし、他にも多くの書式設定オプションがあります。このため、ユーザーがファイル形式を変更したい場合に備えて、生のコード ファイルが含まれています (上記の 3.2 を参照)。生のプログラム ファイルに関しては、もう 1 つの制限は、ファイル形式を変更するためにコンピュータ プログラミング言語の経験が必要です。すべての調査者が、プロプライエタリなソフトウェアとプラグインの完全な配列にアクセスできるわけではありません。このプロトコルは、ソフトウェア ライセンスなしで WINDOWS ベースのデバイス上で実行されるコンパイル済みプログラムを提供することで、この問題を回避するために開発されました。これは、コンパイルされたプログラムに含まれており、ユーザーによるソフトウェア登録を必要としないRUNTIMEプラグインを介して行われます。
この脳波スペクトログラムルーチンは、ユーザーがデータの広い範囲からパーソナライズされた、マルチテーパスペクトログラムを作成することを可能にする、新しいオープンソース、コンピュータベースのプログラムです。ユーザーはスペクトログラムの生成のすべての計算面を完全に制御する。事前の信号処理とコンピュータプログラミングの知識がなければ、スペクトログラムの生成が困難な場合があります。ここで説明するプロトコルは、スペクトログラム生成を容易にする。さらなる信号処理の読み取り値とマルチテーパスペクトログラムのガイダンスについては、補足資料のセクションを参照してください。
補足材料
http://chronux.org
http://www-users.med.cornell.edu/~jdvicto/pdfs/pubo08.pdf
http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/timefrequencyanalysis/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4502759/#SD3-data
The authors have nothing to disclose.
この作品は、NIH補助金HL-65272によって部分的にサポートされています。著者たちは、ザカリー・T・グロバクとクラレンス・E・ロックリアがこのプロジェクトに貢献してくれたことに感謝しています。
Dental acrylic | Lang Dental Manufacturing Co | Jet powder and liquid | |
EEG/EMG Amplifier | Data Science International | model MX2 | |
macOS Mojave | Apple | v10.14.4 | |
MATLAB | Mathworks | v9.4.0.813654 | software for spectrogram comp. |
Mouse anesthesia mask | David Kopf Instruments | model 907 | |
Neuroscore | Data Science International | v3.3.9317-1 | software for scoring sleep and wakefulness |
Ponemah | Data Science International | v5.32 | software for EEG/EMG Data Acquisition |
Stereotaxic frame | David Kopf Instruments | model 962 | |
Stereotaxic frame, mouse adapter | David Kopf Instruments | model 921 | |
Windows 10 | Microsoft | v10.0.17763.503 | |
Wireless Telemeter | Data Science International | model HD-X02 |