Computer-based Multitaper Spectrogram Program for Electroencephalographic Data

Christopher  B. O'Brien; Helen  A. Baghdoyan; Ralph Lydic

doi:10.3791/60333

المستندة إلى الكمبيوتر الطيفية Multitaper برنامج للبيانات الكهربية الدماغية

JoVE Journal
Neuroscience

This content is Free Access.

JoVE Journal Neuroscience

Computer-based Multitaper Spectrogram Program for Electroencephalographic Data

المستندة إلى الكمبيوتر الطيفية Multitaper برنامج للبيانات الكهربية الدماغية

Full Text

12,869 Views

04:13 min

November 13, 2019

DOI: 10.3791/60333-v

Christopher B. O'Brien¹, Helen A. Baghdoyan^1,2,3, Ralph Lydic^1,2,3

¹Department of Psychology,University of Tennessee, ²Department of Anesthesiology,University of Tennessee, ³Oak Ridge National Laboratory

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This protocol describes an open-source MATLAB program that generates multitaper spectrograms for analyzing electroencephalographic (EEG) data. It enables users to create customizable spectrograms without requiring prior knowledge of signal processing.

Key Study Components

Area of Science

Electrophysiology
Signal processing
Neuroscience

Background

Electroencephalography (EEG) is used to monitor brain activity.
Multitaper techniques enhance spectral analysis of EEG data.
Understanding the effects of various substances on EEG dynamics is crucial.
Common opiates show significant impacts on cortical EEG patterns.

Purpose of Study

To provide a user-friendly method for generating multitaper spectrograms.
To analyze the dynamic changes in EEG frequency and power.
To visualize the effects of different opiates on cortical EEG power.

Methods Used

The study employs a compiled MATLAB program for spectrogram computation.
The biological model involves chronic implantation of EEG and EMG electrodes in mice.
EEG data must be collected in millivolts approximately 7-10 days post-surgery.
Participants score EEG data using appropriate software to categorize sleep states.
Important files must be in EDF or CSV format for compatibility with the program.

Main Results

The program successfully visualizes EEG dynamics and compares effects of various opiates.
Notable spectral power changes were observed following morphine and buprenorphine administration.
EEG power levels were higher with saline treatment compared to buprenorphine in the 0.5 to 4 Hz frequency range.
Chronic electrode implantation facilitated long-term studies on substance effects.

Conclusions

This study demonstrates the utility of the MATLAB program for EEG data analysis.
The program’s open-source nature allows for broader accessibility in neuroscience research.
Insights gained may elucidate the impacts of opiates on brain activity, aiding in drug-related research.

Frequently Asked Questions

What are the advantages of using the MATLAB program?

The program is open source and user-friendly, requiring no prior signal processing knowledge, making it accessible for various research applications.

How is the EEG data collected?

EEG data is collected from mice with implanted electrodes, typically 7-10 days after surgery, recording signals in millivolts over the desired experimental period.

What type of data can be obtained using this method?

Users can obtain detailed spectrograms that illustrate EEG frequency and power dynamics, allowing for the study of the effects of substances on brain activity.

Can the method be adapted for different research needs?

Yes, the program allows customization of spectrogram parameters, enabling researchers to tailor the analysis to their specific experimental designs.

Are there any limitations to this protocol?

The main limitation is that it requires some familiarity with managing file formats and basic understanding of EEG data interpretation.

What type of scoring is done on the EEG data?

Each 10-second bin of the EEG data is independently scored for wakefulness, REM sleep, or non-REM sleep using specialized software.

هذا البروتوكول يوفر مصدر مفتوح ، برنامج MATLAB المترجمة التي تولد الطيفية متعددة التفتق للبيانات الكهربية الدماغية.

هذا البروتوكول مهم لأنه يمكّن المستخدمين من تطوير الطيفية متعددة المهام القابلة للتخصيص دون معرفة مسبقة بمعالجة الإشارات. الميزة التقنية الرئيسية للبرنامج هو تصميم البرنامج سهل الاستخدام والقدرة على إنشاء الطيفية متعددة المهام باستخدام أجهزة الكمبيوتر دون ترخيص MATLAB. بعد سبعة إلى 10 أيام من جراحة زرع القطب الكهربائي، قم بتكوين نظام الحصول على البيانات لتسجيل جميع الإشارات بالميليفولت، والحصول على تسجيلات EEG للمدة التجريبية المطلوبة.

تضخيم و رقمنة إشارات تخطيط الكهربئية غير المصفاة باستخدام أجهزة وبرمجيات الحصول على البيانات المناسبة. ثم اثنين من الأفراد المختلفة بشكل مستقل يسجل كل بن 10 ثانية من EEG الرقمية، التتبع الأزرق، وEMG، تتبع السوداء، والتسجيلات واليقظة، النوم REM، أو النوم غير REM في برنامج تسجيل النوم المناسبة. قم بتنزيل برنامج الطيف الطيفي متعدد المهام المترجمة.

لحساب الطيفية، الحصول على الخام، غير المجهزة بيانات تخطيط الانبعاثات في تنسيق ملف EDF أو CSV، ووضع الملف في نفس الموقع مثل ملف البرنامج المترجمة، وبدء تشغيل برنامج الطيف. اتبع المطالبات المنبثقة، وحدد تنسيق الملف المناسب. أدخل اسم ملف تخطيط تخطيط الكهربى بالكامل، وحدد المعلمات لحساب الطيف.

أدخل عناوين لكل من الطيفي وEEG. ثم انقر فوق ملف وحفظ لحفظ الطيفية الناتجة وتتبع تخطيط الدماغ في تنسيق الملف المطلوب. هذا الرقم يظهر التشابه التمثيلي والاختلافات في هرمونات الكهربية القشرية خلال اليقظة، النوم غير REM، والنوم REM.

تم استخدام هذا المخطط المغناطيسي لرسم التنظيم الزمني لحالة النوم واليقظة على أساس تقييمات تسجيلات EEG و EMG. على النقيض من التنويم المغناطيسي discretized، يمكن استخدام مخطط الطيف لتوضيح التغيرات الحيوية للغاية في تردد الطاقة الكهربائية كدالة للوقت وتسليط الضوء على أوجه التشابه بين إشارة تخطيط الدماغ القشرية أثناء اليقظة والنوم REM. هذه الطيفية متعددة المهام كل تلخيص أربع ساعات من تسجيلات تخطيط الانبعاثات الخيّر بعد الإدارة النظامية للملوحة، المورفين، البوبرينورفين، أو الفنتانيل.

ويبين هذا الشكل استخدام المطيافات لتصور آثار المواد الأفيونية المختلفة على قوة تخطيط الدماغ القشرية. يتم التخلص من نشاط الموجة البطيئة الموجودة في الحالة المالحة عن طريق المورفين والبوبرينورفين. بعد إدارة الفنتانيل، يمكن ملاحظة قوة دلتا الموجة البطيئة.

ويمكن قياس تغييرات تخطيط الكهربقط التي توضحها المطيافية كمياً أكثر كما يمكن التعبير عنها كمياً كمتوسط القوة الطيفية السائدة لكل نصف تردد. على سبيل المثال، كما هو موضح في هذا الرسم البياني، كشف متوسط القوة الطيفية ضمن نطاقات تردد EEG محددة أنه في نطاق تردد 0.5 إلى أربعة هرتز، كانت طاقة EEG أعلى بكثير مع المعالجة المالحة مقارنة بالبوكرينورفين. الفئران مع زرع مزمن EEG وEMG أقطاب لا تزال صحية لعدة أشهر، وتمكين دراسات جديدة للتفاعلات المخدرات والمخدرات وإدارة المخدرات المزمنة.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن توفر هذه التقنيات رؤى جديدة في الجهود المبذولة لوضع تدابير كيميائية مضادة للاكتئاب التنفسي الناجم عن المواد الأفيونية.

Explore More Videos

العلوم العصبية الإصدار 153 العلوم العصبية الفنتانيل المورفين البوبرينورفين النوم التهديدات الكيميائية