Этот протокол обеспечивает открытый исходный код, составленную программу MATLAB, которая генерирует многотапонные спектрограммы для электроэнцефалографических данных.
Современные веб-ресурсы предоставляют ограниченные, удобные для пользователя инструменты для вычисления спектрограмм для визуализации и количественной оценки электроэнцефалографических (ЭЭГ) данных. В этом документе описывается Windows на основе, с открытым исходным кодом для создания ЭЭГ мультитапер спектрограмм. Компилированная программа доступна пользователям Windows без лицензирования программного обеспечения. Для пользователей Macintosh программа ограничена теми, у кого есть лицензия на программное обеспечение MATLAB. Программа иллюстрируется с помощью спектрограмм ЭЭГ, которые варьируются в зависимости от состояния сна и бодрствования, и опиатных изменений в этих состояниях. EEGs из C57BL/6J мышей были беспроводной записи в течение 4 ч после интраперитонеальной инъекции солей (управление транспортным средством) и антиноцицептивные дозы морфина, бупренорфина и фентанила. Спектрограммы показали, что бупренорфин и морфин вызвали аналогичные изменения в мощности ЭЭГ на уровне 1х3 Гц и 8-9 Гц. Спектрограммы после введения фентанила выявили максимальные средние диапазоны мощности на 3 Гц и 7 Гц. Спектрограммы разоблаченные дифференциальные опиаты влияют на частоту и мощность ЭЭГ. Эти компьютерные методы обобщаются в различных классах наркотиков и могут быть легко изменены для количественной оценки и отображения широкого спектра ритмических биологических сигналов.
Данные ЭЭГ могут быть продуктивно проанализированы в частотной области, чтобы охарактеризовать уровни поведенческого и нейрофизиологического возбуждения1. Мультитапировые спектрограммы преобразуют форму эЭГ в области времени и частоты, что приводит к визуализации динамической мощности сигнала на разных частотах во времени. Мультитапирспектрная спектрограмма использует анализ Фурье для получения оценки спектральной плотности. Оценка спектральной плотности отделяет форму волны в чистые синусоидальные волны, включающие сигнал, и аналогична дифракции белого света через призму, чтобы увидеть весь спектр цветов2. Мультитапир спектрограмма ЭЭГ представляет собой комбинированную активность нескольких сетей нейронов с образцами разряда, которые колеблются на разных частотах2. Из-за своего инвариантного изменения времени, преобразование Фурье считается лучшим преобразованием между временем и частотой доменов3. Анализ Фурье также имеет ряд ограничений. Сигналы ЭЭГ нестационарны. Таким образом, небольшие изменения не могут быть восприняты в методах Фурье, и анализ может меняться в зависимости от размера набора данных. Однако оконное окно используется при применении преобразования Фурье к нестационарного сигнала. Это предполагает, что спектр сигнала изменяется лишь незначительно в течение коротких периодов времени. Альтернативным методом для спектрального анализа является волнообразное преобразование, которое может быть более подходящим для обнаружения болезни мозга3.
С функциональной точки зрения, различные колебания, включающие сигнал ЭЭГ, являются более низкого уровня, фенотипы черт, характерные для более высокого уровня, государственные фенотипы, такие как сон и бодрствование2, или потеря бодрствования, вызванного общей анестезией4,5,6. Что касается состояний сна и бодрствования, спектрограмма ясно иллюстрирует, что эндогенно генерируемые ритмы сна непрерывны и динамичны7. Количественные описания состояний сна и бодрствования традиционно включали в себя связывающий процесс, который присваивает классификацию сна или бодрствования каждой конкретно определенной эпохе (например, 10 с) записи ЭЭГ. Эти ячейки состояния затем начисляются как функция времени. Графики данных курса времени, часто называют гипнограммами, используются для дифференцирования нормального сна от сна, который нарушается болезнью, введением наркотиков, изменениями в циркадных ритмах, сменной работой и т.д. Ограничение гипнограммы участков является то, что они искажают сигналы ЭЭГ, выражая возбуждение государств, как квадратные формы волны. Гипнограмма построения включает в себя дискретизацию возбуждения состояний2 и не позволяет мелко зернистых отображения промежуточных или переходных стадий. Кроме того, 10 с скоринг эпох и производят дискретизацию времени, налагая более низкий предел на шкалу времени. Результатом дискретизации как состояния, так и времени является потеря нейрофизиологической информации о динамическом взаимоотношении между состояниями сознания2 и вызванным наркотиками нарушением этих состояний4. Например, различные анестетические агенты действуют на различные молекулярные цели и нейронные сети. Фармакологические манипуляции этих нейронных сетей надежно производит спектрограммы, уникальные для препарата, дозы и маршрута введения4.
Настоящий протокол был разработан для облегчения исследований в отношении механизмов, с помощью которых опиоиды изменяют сон8,дыхание9, nociception10, и нейрохимии мозга11. В этом протоколе описаны шаги, необходимые для создания многоступенчатой спектрограммы для анализа ЭЭГ, которые могут быть завершены с помощью несвободных программ или системы, не имеющего лицензирования MATLAB. Мыши C57BL/6J (B6) использовались для проверки способности этого компьютерного метода создавать новые спектрограммы ЭЭГ во время нормальных, ненарушенных состояний сна и бодрствования и после системного введения опиатов. Надежность и достоверность анализов были подтверждены систематическим сравнением различий между спектрограммами ЭЭГ после того, как мыши В6 получали интраперитонеальные инъекции солей (управление транспортным средством) и антиноцицептивные дозы морфина, бупренорфина и фентанила.
Количественные исследования динамики ЭЭГ неонатальной мыши имеют переводческую актуальность, предоставляя модель для исследований, направленных на достижение лучшего понимания неонатального ЭЭГ12. Количественная динамика ЭЭГ не просто описательна и может способствовать машинному обучению, которые могут предсказывать возбуждение, частично основанное на данных ЭЭГ13. Цель настоящего доклада заключается в содействии переводческой науки путем предоставления широко доступных, удобных для пользователя кода для вычисления многотапировых спектрограмм, которые характеризуют изменения, вызванные наркотиками в ЭЭГ мыши.
Программа, описанная здесь, была разработана для создания спектрограммы с использованием девяти шагов, изложенных в разделе протокола 3 Spectrogram Computation. Эти шаги включают в себя приобретение программы спектрограммы, обеспечение правильного формата файла и изменение вычислительных параметров для генерации уникальных пользовательских спектрограмм. Пользователи могут создавать спектрограммы, которые адаптированы к целому ряду концептуальных вопросов и экспериментальных конструкций. Для повышения простоты и эффективности этого процесса разработки необходимо предоставить необработанные данные ЭЭГ в правильном формате файла, названном в соответствии с ограничениями, описанными выше. Хотя для данных ЭЭГ мыши были предоставлены примерные сигналы, программа спектрограммлегкого использования легко применима к данным ЭЭГ человека и нечеловека, которые свободны от ограничений обработки сигналов.
Рекомендуемый подход к устранению неполадок и модификации метода должен начаться с анализа небольшого набора данных. Основные результаты программы, которые следует рассмотреть, включают участки отфильтрованного ЭЭГ, а также спектрограмму. Привлекательным аспектом конической спектрограммы является то, что она может быть применена к широкому спектру периодических, биологических сигналов. Разнообразие колеблется от длительной продолжительности циркадных (24 ч) ритмов17 до очень быстрых ритмов, таких как 1000 Гц разряда ставки клетки Реншоу18.
Форматирование данных является ограничением этого протокола спектрограммы. Европейский формат данных (EDF) широко используется с данными ЭЭГ. Тем не менее, есть много других вариантов форматирования. По этой причине был включен необработанный файл кода (см. 3.2 выше) в случае, если пользователь хотел бы изменить формат файла. Что касается необработанного файла программы, то еще одним ограничением является необходимость опыта работы с языком программирования для изменения формата файла. Не все исследователи имеют доступ к несвободным программам и полному спектру плагинов. Этот протокол был разработан, чтобы обойти эту проблему, предоставляя компилированную программу, которая работает на устройстве на базе WINDOWS без лицензирования программного обеспечения. Это достигается с помощью плагина RUNTIME, который включен в компилированную программу и не требует регистрации программного обеспечения пользователем.
Эта спектрограмма ЭЭГ представляет собой новую, компьютерную программу с открытым исходным кодом, которая позволяет пользователям создавать персонализированные, многофункциональные спектрограммы из широкого спектра данных. Пользователь имеет полный контроль над всеми вычислительными аспектами генерации спектрограмм. Без предварительной обработки сигнала и компьютерного программирования, спектрограммы могут быть трудно генерировать. Описанный здесь протокол облегчит генерацию спектрограмм. Пожалуйста, ознакомьтесь с дополнительным материалом раздел для дальнейшей обработки сигнала чтения и многотапонные спектрограммы руководства.
Дополнительный материал
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.
Эта работа частично поддерживается грантом NIH HL-65272. Авторы благодарят Закари Т. Гловак и Кларенса Э. Локлира за их вклад в этот проект.
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 |