Name: 使用电子地图的光映射数据的高通量分析 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-06-04T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 36 s
Description: 了解如何使用ElectroMap对心脏光映射数据进行高通量分析。该MATLAB开源软件可量化动作电位持续时间和传导速度，支持多种实验模型，帮助研究人员提升电生理数据分析效率。

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本工作由EPSRC博士生奖学金（Sci-Phy-4-Health博士培训中心L016346）资助D.P.、K.R.和L.F.；D.P.还获得惠康信托种子奖（109604/Z/15/Z）以及英国心脏基金会基金（PG/17/55/33087、RG/17/15/33106）的支持；P.K.和L.F.获得欧盟资助（资助协议编号633196 [CATCH ME]）以及英国心脏基金会基金（FS/13/43/30324）的支持；P.K.和A.H.获得英国心脏基金会基金（PG/17/30/32961）的支持；P.K.还获得勒杜克基金会资助。J.W.由英国心脏基金会（FS/16/35/31952）资助。

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<li>Herron, T. J., Lee, P., Jalife, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+imaging+of+voltage+and+calcium+in+cardiac+cells+%26+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation+Research%22%5BJournal%5D)">Optical imaging of voltage and calcium in cardiac cells & tissues.</a> Circulation Research. 110, 609-623 (2012).</li>
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<li>Syeda, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PITX2+Modulates+Atrial+Membrane+Potential+and+the+Antiarrhythmic+Effects+of+Sodium-Channel+Blockers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+College+of+Cardiology%22%5BJournal%5D)">PITX2 Modulates Atrial Membrane Potential and the Antiarrhythmic Effects of Sodium-Channel Blockers.</a> Journal of the American College of Cardiology. 68, 1881-1894 (2016).</li>
<li>Winter, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sympathetic+nervous+regulation+of+cardiac+alternans+in+the+intact+heart%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Physiology%22%5BJournal%5D)">Sympathetic nervous regulation of cardiac alternans in the intact heart.</a> Frontiers in Physiology. 9, 1-12 (2018).</li>
<li>Faggioni, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Suppression+of+spontaneous+ca+elevations+prevents+atrial+fibrillation+in+calsequestrin+2-null+hearts%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation%3A+Arrhythmia+and+Electrophysiology%22%5BJournal%5D)">Suppression of spontaneous ca elevations prevents atrial fibrillation in calsequestrin 2-null hearts.</a> Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 7, 313-320 (2014).</li>
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<li>Yu, T. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+mapping+design+for+murine+atrial+electrophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22Computer+Methods+in+Biomechanics+and+Biomedical+Engineering%3A+Imaging+%26+Visualization%22%5BJournal%5D)">Optical mapping design for murine atrial electrophysiology.</a> Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering: Imaging & Visualization. 5, 368-378 (2017).</li>
<li>Laughner, J. I., Ng, F. S., Sulkin, M. S., Arthur, R. M., Efimov, I. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Processing+and+analysis+of+cardiac+optical+mapping+data+obtained+with+potentiometric+dyes%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physiology.+Heart+and+Circulatory+Physiology%22%5BJournal%5D)">Processing and analysis of cardiac optical mapping data obtained with potentiometric dyes.</a> American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 303, H753-H765 (2012).</li>
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<li>Entcheva, E., Bub, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((All-optical+control+of+cardiac+excitation%3A+Combined+high-resolution+optogenetic+actuation+and+optical+mapping%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physiology%22%5BJournal%5D)">All-optical control of cardiac excitation: Combined high-resolution optogenetic actuation and optical mapping.</a> The Journal of Physiology. 9, 2503-2510 (2016).</li>
<li>O’Shea, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ElectroMap%3A+High-throughput+open-source+software+for+analysis+and+mapping+of+cardiac+electrophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">ElectroMap: High-throughput open-source software for analysis and mapping of cardiac electrophysiology.</a> Scientific Reports. 9, 1-13 (2019).</li>
<li>Yu, T. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+automated+system+using+spatial+oversampling+for+optical+mapping+in+murine+atria.+Development+and+validation+with+monophasic+and+transmembrane+action+potentials%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Biophysics+and+Molecular+Biology%22%5BJournal%5D)">An automated system using spatial oversampling for optical mapping in murine atria. Development and validation with monophasic and transmembrane action potentials.</a> Progress in Biophysics and Molecular Biology. 115, 340-348 (2014).</li>
<li>Jaimes, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+response+of+the+isolated%2C+perfused+normoxic+heart+to+pyruvate+dehydrogenase+activation+by+dichloroacetate+and+pyruvate%5BTitle%5D)+AND+%22Pflugers+Archiv%22%5BJournal%5D)">Functional response of the isolated, perfused normoxic heart to pyruvate dehydrogenase activation by dichloroacetate and pyruvate.</a> Pflugers Archiv. 468, 131-142 (2016).</li>
<li>Wang, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cardiac+tissue+slices%3A+preparation%2C+handling%2C+and+successful+optical+mapping%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physiology.+Heart+and+Circulatory+Physiology%22%5BJournal%5D)">Cardiac tissue slices: preparation, handling, and successful optical mapping.</a> American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 308, H1112-H1125 (2015).</li>
<li>Parrish, D. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transient+denervation+of+viable+myocardium+after+myocardial+infarction+does+not+alter+arrhythmia+susceptibility%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physiology.+Heart+and+Circulatory%22%5BJournal%5D)">Transient denervation of viable myocardium after myocardial infarction does not alter arrhythmia susceptibility.</a> American Journal of Physiology. Heart and Circulatory. , (2017).</li>
<li>Ihara, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrophysiological+Assessment+of+Murine+Atria+with+High-Resolution+Optical+Mapping%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Electrophysiological Assessment of Murine Atria with High-Resolution Optical Mapping.</a> Journal of Visualized Experiments. (132), e56478(2018).</li>
<li>Holmes, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Regional+Reduction+in+Ito+and+IKACh+in+the+Murine+Posterior+Left+Atrial+Myocardium+Is+Associated+with+Action+Potential+Prolongation+and+Increased+Ectopic+Activity%5BTitle%5D)+AND+%22Plos+One%22%5BJournal%5D)">A Regional Reduction in Ito and IKACh in the Murine Posterior Left Atrial Myocardium Is Associated with Action Potential Prolongation and Increased Ectopic Activity.</a> Plos One. 11, e0154077(2016).</li>
<li>Lang, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Arrhythmogenic+remodeling+of+%CE%B2%3Cinf%3E2%3C%2Finf%3E+versus+%CE%B2%3Cinf%3E1%3C%2Finf%3E+adrenergic+signaling+in+the+human+failing+heart%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation%3A+Arrhythmia+and+Electrophysiology%22%5BJournal%5D)">Arrhythmogenic remodeling of β<inf>2</inf> versus β<inf>1</inf> adrenergic signaling in the human failing heart.</a> Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 8, 409-419 (2015).</li>
<li>Kang, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+Organotypic+Cultured+Cardiac+Slices%3A+New+Platform+For+High+Throughput+Preclinical+Human+Trials%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Human Organotypic Cultured Cardiac Slices: New Platform For High Throughput Preclinical Human Trials.</a> Scientific Reports. 6, 1-13 (2016).</li>
<li>Wen, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transverse+cardiac+slicing+and+optical+imaging+for+analysis+of+transmural+gradients+in+membrane+potential+and+Ca2%2B+transients+in+murine+heart%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physiology%22%5BJournal%5D)">Transverse cardiac slicing and optical imaging for analysis of transmural gradients in membrane potential and Ca2+ transients in murine heart.</a> The Journal of Physiology. 596, 3951-3965 (2018).</li>
<li>Houston, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterisation+of+re-entrant+circuit+%28or+rotational+activity%29+in+vitro+using+the+HL1-6+myocyte+cell+line%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Molecular+and+Cellular+Cardiology%22%5BJournal%5D)">Characterisation of re-entrant circuit (or rotational activity) in vitro using the HL1-6 myocyte cell line.</a> Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 119, 155-164 (2018).</li>
<li>Yu, T. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+mapping+design+for+murine+atrial+electrophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22Computer+Methods+in+Biomechanics+and+Biomedical+Engineering%3A+Imaging+and+Visualization%22%5BJournal%5D)">Optical mapping design for murine atrial electrophysiology.</a> Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering: Imaging and Visualization. 5, 368-376 (2017).</li>
<li>Laughner, J. I., Ng, F. S., Sulkin, M. S., Arthur, R. M., Efimov, I. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Processing+and+analysis+of+cardiac+optical+mapping+data+obtained+with+potentiometric+dyes%5BTitle%5D)+AND+%22AJP%3A+Heart+and+Circulatory+Physiology%22%5BJournal%5D)">Processing and analysis of cardiac optical mapping data obtained with potentiometric dyes.</a> AJP: Heart and Circulatory Physiology. 303, H753-H765 (2012).</li>
<li>Bayly, P. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimation+of+Conduction+Velocity+Vector+Fields+from+Epicardial+Mapping+Data%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Bio-Medical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Estimation of Conduction Velocity Vector Fields from Epicardial Mapping Data.</a> IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering. 45, 563-571 (1998).</li>
<li>Jaimes, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+technical+review+of+optical+mapping+of+intracellular+calcium+within+myocardial+tissue%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physiology.+Heart+and+Circulatory+Physiology%22%5BJournal%5D)">A technical review of optical mapping of intracellular calcium within myocardial tissue.</a> American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 310, H1388-H1401 (2016).</li>
<li>Wang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+mapping+of+sarcoplasmic+reticulum+Ca2%2B+in+the+intact+heart%3A+Ryanodine+receptor+refractoriness+during+alternans+and+fibrillation%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation+Research%22%5BJournal%5D)">Optical mapping of sarcoplasmic reticulum Ca2+ in the intact heart: Ryanodine receptor refractoriness during alternans and fibrillation.</a> Circulation Research. 114, 1410-1421 (2014).</li>
<li>Winter, J., Shattock, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Geometrical+considerations+in+cardiac+electrophysiology+and+arrhythmogenesis%5BTitle%5D)+AND+%22Europace%22%5BJournal%5D)">Geometrical considerations in cardiac electrophysiology and arrhythmogenesis.</a> Europace. , (2016).</li>
<li>Mironov, S., Jalife, J., Tolkacheva, E. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Role+of+conduction+velocity+restitution+and+short-term+memory+in+the+development+of+action+potential+duration+alternans+in+isolated+rabbit+hearts%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation%22%5BJournal%5D)">Role of conduction velocity restitution and short-term memory in the development of action potential duration alternans in isolated rabbit hearts.</a> Circulation. 118, 17-25 (2008).</li>
<li>Khwaounjoo, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image-Based+Motion+Correction+for+Optical+Mapping+of+Cardiac+Electrical+Activity%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Image-Based Motion Correction for Optical Mapping of Cardiac Electrical Activity.</a> Annals of Biomedical Engineering. 43, 1235-1246 (2014).</li>
<li>Christoph, J., Luther, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Marker-Free+Tracking+for+Motion+Artifact+Compensation+and+Deformation+Measurements+in+Optical+Mapping+Videos+of+Contracting+Hearts%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Physiology%22%5BJournal%5D)">Marker-Free Tracking for Motion Artifact Compensation and Deformation Measurements in Optical Mapping Videos of Contracting Hearts.</a> Frontiers in Physiology. 9, (2018).</li>
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<li>Tomii, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+Algorithm+of+Phase+Singularity+Using+Phase+Variance+Analysis+for+Epicardial+Optical+Mapping+Data%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Detection Algorithm of Phase Singularity Using Phase Variance Analysis for Epicardial Optical Mapping Data.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 63, 1795-1803 (2016).</li>
<li>Cantwell, C. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Techniques+for+automated+local+activation+time+annotation+and+conduction+velocity+estimation+in+cardiac+mapping%5BTitle%5D)+AND+%22Computers+in+Biology+and+Medicine%22%5BJournal%5D)">Techniques for automated local activation time annotation and conduction velocity estimation in cardiac mapping.</a> Computers in Biology and Medicine. 65, (2015).</li>
</ol>

P.K. 接受多家从事心房颤动治疗的药物和器械公司的研究资助，并从其中多家公司获得过酬金。L.F. 获得过欧洲联盟（EU）、英国心脏基金会（BHF）、医学研究理事会（MRC）、德国研究基金会（DFG）和吉利德公司（Gilead）的机构研究资助。&#160;P.K. 和 L.F. 是伯明翰大学持有的两项专利的发明人（心房颤动治疗专利 WO 2015140571，心房颤动生物标志物专利 WO 2016012783）。

其他所有作者均声明不存在潜在的利益冲突。

本文提供了一个逐步指南，用于使用开源软件 ElectroMap 对心脏光学标测数据集进行灵活且多变量的分析。要成功使用 ElectroMap，成像数据必须为 .tif 或 .MAT 格式。ElectroMap 包含多个可修改的用户设置。如图 2A所示，由于不同实验模型与成像硬件之间存在广泛异质性，这些设置的调整十分必要。这意味着软件中的默认设置并不总是最优的，因此使用该软件的一个关键步骤是用户需根据其特定的实验条件调整参数。这些参数包括相机设置和时间尺度，如图 2B所示。一旦找到最佳设置，用户可通过选择配置文件将其保存，并在后续使用时重新加载。
自动化的CL测量和信号分割功能是该软件的关键优势。这些功能可实现对实验记录中急性反应的分析，并将分析范围从孤立的单次搏动扩展到更广泛的数据。在完成所需的分割后，单文件分析模块可对每个独立片段（包括单次搏动）进行自动化分析，从而实现对整个记录过程中多个变量的高通量分析，并将结果输出至单个.csv文件中。同时，ElectroMap可自动对分组峰信号进行集合平均处理，这是提高噪声信号质量的有效方法。然而，集合平均并非在所有情况下均有益，例如在研究搏动间变异性时。因此，ElectroMap集成了单次搏动分割功能以避免集合平均，提供了多种替代处理选项（如空间和时间滤波）以改善信噪比（SNR），并包含交替波分析模块，用于进一步研究和绘制搏动间变异性图谱。
光学标测数据常出现基线漂移和运动伪影等伪迹。同时，由于像素尺寸小、曝光时间短以及荧光变化比例低等因素，所获得的信号质量可能较差2。这些因素会阻碍对潜在电生理行为的有效且准确的分析。如前所述，ElectroMap 提供了多种数据处理策略以克服这些问题。然而，若将这些算法应用于本质上质量差或严重失真的数据，仍无法实现有效分析。因此，信噪比（SNR）是 ElectroMap 中测量并显示的参数之一。同样，用户可通过 Pixel Info 和 Compare 模块选择并比较样本中特定区域的信号，从而识别如 图5 所示的运动伪影等现象，并对相关数据进行合理剔除。
目前，ElectroMap 尚不支持以基线校正相同的方式从原始数据中去除运动伪影。因此，软件未来可能的发展方向之一是引入通过计算方法去除运动伪影的功能，此类方法已有文献报道31,32。此外，ElectroMap 目前仅限于单一光学信号的研究。然而，对于比率型染料以及电压和钙染料的同时使用27，需要对两个波长通道进行同步处理。因此，整合双信号分析功能将是软件一项重要的未来扩展。增加适用于心律失常数据集的分析选项，例如相位奇点追踪，也将进一步拓展软件的应用范围33,34。最后，文中描述的若干分析功能也可用于电极标测数据的分析。事实上，尽管电生理信号波形存在差异，ElectroMap 已被用于分析电极标测数据20,35，进一步优化将扩大其在此类模态中的应用。

光学标测利用电压和/或钙浓度的荧光报告分子，在多细胞样本中研究心脏电生理学（EP）和钙处理，其空间分辨率高于传统技术1,2,3。因此，光学标测已成为一项重要且日益广泛应用的技术，为心脏的生理和病理生理电活动提供了关键见解3,4,5,6,7,8。然而，光学标测实验所获得数据的有效处理与分析受到多种因素的复杂影响。由于光学标测数据集具有高时空分辨率的特性，原始视频文件通常包含数千帧图像，每帧由大量独立像素组成，导致数据量庞大，必须依赖高通量和自动化的处理方法9。微小的像素尺寸、染料加载不均或效率低下以及荧光信号的微小相对变化，会导致光学信号信噪比（SNR）较低，因此在有效分析前需进行预处理10。此外，若采用光遗传学起搏方案，即利用光照引发细胞激活，可能干扰荧光传感器记录的信号，进一步增加数据处理与分析的复杂性11,12。再者，数据处理完成后，研究者常采用多种不统一的技术和定义来测量感兴趣的参数，而最合适的方法往往因实验设置、模型和科学问题的不同而异2,10,13。这些局限性阻碍了该技术的进一步推广，并限制了真正客观分析的实现。
为了克服这些局限性，多个研究团队已针对各自的实验模型、研究问题和硬件设备设计了定制化的数据处理流程7,14,15,16。另一些研究者则使用商业化的专有软件，但其底层算法可能难以获取4,17。因此，迫切需要一个可免费获取的开源软件平台，用于光学标测数据的处理与分析。该软件应为开源形式，易于使用，可灵活调整参数，适用于具有不同电生理特性的多种实验模型，并且关键的是，能够对光学标测技术可研究的心脏参数范围进行直接且可调节的量化分析。
我们近期发表并发布了一个综合性的软件平台ElectroMap，用于高通量、半自动地处理、分析和绘制心脏光学标测数据集13。本文中，我们提供了一个关于ElectroMap使用的视频操作指南，并展示了如何利用该平台处理、分析和绘制多个光学标测数据集。我们重点介绍使用ElectroMap量化标准电生理（EP）和钙处理参数的方法，并演示独立的传导速度、单文件分析和交替性（alternans）模块的应用。

<table><tbody><tr><td>MATLAB 和 Simulink R2018a</td><td>Mathworks, Inc, Natick, MA</td><td></td><td>MATLAB 软件</td></tr></tbody></table>

使用 electromap 进行光学标测数据的高通量分析

High-Throughput Analysis of Optical Mapping Data Using ElectroMap

光学标测是一种成熟的技术，可用于在多细胞组织样本中以高时空分辨率研究心脏电生理学。本文以逐步指导的方式，介绍如何使用 ElectroMap 对光学标测获得的高分辨率电压和钙信号数据集进行分析、量化和标测。ElectroMap 提供多种关键电生理参数的分析选项，其图形用户界面支持对预处理步骤和参数定义进行简便修改，使其适用于多种实验模型。我们展示了内置的起搏频率检测和信号分段功能如何实现对完整实验记录、急性反应以及单次心跳间变异性的高通量分析。此外，ElectroMap 包含自动多心跳平均功能，可提升噪声数据集的信号质量；本文演示了该功能如何帮助揭示在单心跳分析中可能被忽略的电生理变化。软件内置了用于传导分析、单列分析和交替性（alternans）研究的自定义模块，本文对此进行了展示。该软件平台可用于促进并加速复杂心脏电生理数据的处理、分析与标测。

本研究中开展的所有工作均遵循英国《1986年动物（科学程序）法》以及欧洲议会《关于用于科学目的动物保护的2010/63/EU指令》所规定的伦理准则。实验已获得英国政府主管部门（小鼠：PPL 30/2967 和 PFDAAF77F，豚鼠：PPL PF75E5F7F）以及伯明翰大学（小鼠）和伦敦国王学院（豚鼠）机构审查委员会的批准。本文所分析原始数据的详细采集方法见于我们此前发表的文献5,6,14,19。
对 ElectroMap 进行控制的主要界面如图 1A所示。分析数据集所需的主要步骤由加载图像、处理图像和生成图谱按钮控制，在图 1A中分别以绿色、蓝色和红色高亮显示。图 1B-D展示了选择每个按钮后执行的操作。加载图像应用用户选定的图像阈值化选项（图 1B），而处理图像（图 1C）则进行滤波和基线校正。最后，生成图谱将首先根据时间窗口和分段设置对数据进行平均（除非选择单次搏动分段），然后执行上述分析。
ElectroMap 的一个关键特性是其在相机类型和实验模型方面的灵活性。由于广泛使用的模型之间存在明显的心脏电生理（EP）和解剖学差异，这种灵活性对于光学标测软件的实用性至关重要。图2A 例如展示了使用电压敏感染料记录的小鼠心房与豚鼠心室的动作电位形态，相关方法此前已有报道6,14。尽管动作电位形态存在显著差异，并且使用了两台具有不同帧率和像素尺寸的独立光学标测相机，ElectroMap 仍可用于成功分析这两组数据。然而，这需要在用户界面中对某些参数进行调整（图2B）。需要注意的是，由于豚鼠动作电位持续时间较长，因此需要设置更大的时间窗口。此外，为防止top-hat基线校正对光学记录信号产生非生理性修饰，必须增加其时间长度，使其超过动作电位的持续时间。
ElectroMap 提供了多种处理选项，有助于提高光学记录信号的信噪比（SNR），这对于有效恢复动作电位（EP）参数可能是必需的。例如，在数据分割后对峰信号进行自动集合平均。图3A-C 展示了在孤立的小鼠左心房样本（n = 13）中，采用集合平均法相较于其他方法如何提升信噪比。该方法可减少测量的异质性以及分析失败的可能性（图3D）。例如，当未进行集合平均时，起搏频率从 3 Hz 改变为 10 Hz 并未引起动作电位时程50（APD50）的变化；然而，当使用集合平均后的数据进行测量时，则观察到在 10 Hz 起搏下 APD50 出现预期的下降29（图3E）。
图4展示了ElectroMap提供的自动起搏频率检测与分割功能的有效性和实用性。在此实验中，小鼠左心耳组织（n = 5）以120 ms的周期长度起搏，并将周期长度每次递减10 ms，直至达到50 ms。ElectroMap自动识别出起搏周期长度，并据此对组织平均峰值进行分组（图4A）。该方法在所有数据集中均实现了高精度识别（图4B）。通过对数据进行自动分割，可简便且高效地分析随起搏频率增加（周期缩短）而出现的传导速度减慢现象（图4C,D）。同时，动作电位时程APD50（图4E）和舒张期间期（图4F）均缩短。光学测量所得峰值的幅度降低，而达峰时间延长（图4G,H）。这些结果再次反映了心脏组织中预期的恢复动力学反应29,30，因此，使用ElectroMap有助于阐明在药物干预、基因修饰或疾病状态下，心脏组织对起搏频率变化的响应机制。
使用 ElectroMap 等软件时，一个重要的考虑因素是原始数据中是否存在伪迹。图5 例如表明，运动伪迹（组织运动引起的光学记录信号失真）可能妨碍在 ElectroMap 中对激活尤其是复极化过程进行准确测量。更多讨论请参见“讨论”部分。
<img alt="ElectroMap 界面示意图，展示图像阈值化、信号处理和图谱分析步骤。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig1.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 1"> 
图 1：ElectroMap 主要处理步骤。（A）ElectroMap 的图形用户界面，其中 加载图像（绿色）、处理图像（蓝色）和 生成图谱（红色）按钮已突出显示。（B）选择 加载图像 后可应用的图像阈值化选项。（C）用户可用的信号处理选项，包括空间和时间滤波以及基线校正，可通过点击 处理图像 应用于图像序列。（D）通过选择 生成图谱 激活的集成平均和参数量化功能（图中显示为动作电位时程测量）。该图改编自 O’Shea 等，201913。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="比较小鼠和豚鼠的静态平衡图；实验设置和参数设置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 2"> 
图 2：使用 ElectroMap 分析小鼠和豚鼠数据。（A）从小鼠心房和豚鼠心室光学记录的动作电位，以及这些信号的一阶导数（df/dt）和二阶导数（d2f/dt2）。图中高亮显示了 ElectroMap 中可采用的激活时间和复极化时间的各种定义。（B）ElectroMap 界面中图像和信号处理设置的截图。红色框标出了在分析小鼠与豚鼠数据之间需要调整的设置。该图改编自 O’Shea 等，201913。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="心脏成像结果；信噪比、APD50数据分析；图表显示起搏频率的影响。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig3.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图3"> 
图3：通过集成平均法解析APD变化。（A）单次搏动光学动作电位的APD50图谱及单像素信号示例。（B）通过对连续10次搏动进行集成平均（峰值法）生成的光学动作电位的APD50图谱及单像素信号示例。（C）单次搏动信号与10次搏动平均信号的信噪比（SNR）比较。（D）单次搏动与10次搏动平均APD50图谱的APD50异质性（i）和测量失败次数（ii）随信噪比（SNR）的变化关系。（E）从单次搏动和10次搏动图谱测得的3 Hz和10 Hz起搏频率下的APD50值。（数据以均值±标准误表示，n = 13个左心房，****p &lt; 0.001，经学生配对t检验）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="ElectroMap 起搏分析；包括激活图、周期长度图和传导速度图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig4.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 4"> 
图 4：使用 ElectroMap 研究心肌组织对起搏频率的响应。（A）ElectroMap 对起搏频率识别与分割的示例截图。（B）已知起搏周期长度与 ElectroMap 测量值的比较。（C）在 120 ms 和 60 ms 起搏周期长度下的激活图。（D–H）随着起搏周期长度从 120 ms 以 10 ms 递减至 60 ms，传导速度（D）、动作电位时程 APD50（E）、舒张期间期（F）、动作电位振幅（G）和达峰时间（H）的分组数据。 （数据以均值 ± 标准误表示，n = 5 个左心房） <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<img alt="APD50 和激活图，带有时间信号图的心脏电生理学示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig5.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Figure 5"> 
图5：运动伪影的影响。 （A）APD50 图。 （B）激活图。 （C）来自 APD 图和激活图上标记位置（十字标记）的示例信号。在以红色十字标记的组织区域，收缩未能成功解耦，导致测得的光学信号发生畸变。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

本方案描述了 ElectroMap 的设置与使用方法。ElectroMap 是一个基于 MATLAB 的开源软件平台，用于分析心脏光学标测数据。ElectroMap 提供了一种多功能、高通量的工具，可用于分析多种心脏实验模型中的光学标测电压和钙数据集。

使用 ElectroMap 进行光学标测数据的高通量分析

光学成像是多细胞心脏组织中用于高时空分辨率研究心脏电生理学的一种成熟技术。本文中……

多阵列和光学标测技术在心脏研究中的应用正在不断拓展。然而，目前尚缺乏用于电生理数据处理的可靠、高通量的开源软件。为此，我们开发了一款名为 ElectroMap 的新型软件，以帮助研究人员开展数据分析工作。ElectroMap 整合了多种新方法与成熟方法，用于分析心脏标测数据，这些数据可通过多种不同的相机、多种不同的荧光染料，以及包括光学标测和多电极阵列系统在内的不同采集模式，从任意物种中获取。除了测量动作电位时程、传导分析和形态学等标准动作电位参数外，ElectroMap 还能够分析并量化电活动。首先，从 GitHub 代码仓库下载 ElectroMap 最新源代码版本中的所有文件。将下载的文件解压至目标位置。打开 MATLAB，导航至包含 ElectroMap 源代码的文件夹，然后打开文件 electromap。米，并在编辑器中点击运行以启动 ElectroMap 用户界面。接下来，要加载图像，请点击选择文件夹，并导航至待分析数据文件所在的位置。在界面中选择要加载的文件，然后点击加载图像。加载后，第一帧将显示，红色轮廓将指示图像的自动阈值设定。如有需要，可通过更改图像中“阈值”下拉菜单的选项，将阈值设定为基于信号时间过程幅度的阈值。请注意，一旦选定阈值设定，该设定将应用于整个图像堆栈。如有需要，可将阈值选项更改为手动模式，以激活滑块来手动调整图像阈值。此外，通过在阈值选项下方选择相应的复选框，可自定义分析的兴趣区域。请注意，可通过顶部菜单中的“兴趣区域选择”获取更高级的选项，例如区域数量等。应用适当的阈值后，点击“处理图像”以执行图像处理。此时，请确保已正确输入相机设置参数，包括帧率（kilohertz）、像素尺寸（微米）以及信号处理选项，如时间窗范围、空间滤波和时间滤波。文件处理完成后，检查组织平均信号中标记为红色圆圈的峰值。根据检测到的峰对信号进行分段。点击“分段信号”。如需要，可通过放大至感兴趣的时间区域并选择“分段信号”，对信号应用自定义分段。图像处理完成后，“生成图谱”按钮将变为可用状态。点击“生成图谱”以应用动作电位时程、激活时间、传导速度和信噪比分析。从列表框中选择所需的片段，以对每个片段应用相应的分析。接下来，选择“获取像素信息”以查看图像中任意像素信号的详细显示，并可比较像素，在同一图表中绘制最多六个位置的信号。如需进行更详细的传导速度分析，请点击“传导”按钮，然后选择“单向量法”以分析传导，该方法通过计算两点间失活时间的延迟来获得梯度向量。最后，按下局部向量按钮，以应用多向量方法，并使用与主界面设置相匹配的参数。按下激活曲线按钮，绘制随时间变化的组织激活百分比曲线。若要使用 ElectroMap 量化其他参数，请从显示图上方的下拉菜单中选择所需的其他分析选项。单击“单文件分析”以打开专用模块，用于对文件中每个已识别片段进行高通量的动作电位时程和传导分析。可在整幅图像或选定的兴趣区域或兴趣点上执行分析。如需从 ElectroMap 导出数据，请单击“导出数值”，以保存主用户界面中当前显示图谱的数值。然后点击导出地图，弹出当前显示的地图窗口，可将其保存为多种图像格式。如有需要，可通过选择色标图标添加颜色标尺。通过选择编辑，然后选择颜色映射，设置比例尺。最后，按下激活视频按钮以生成激活序列的动画，该动画可保存为动态GIF文件。此动画展示了先前报道中使用电压敏感染料记录的小鼠心房与豚鼠心室动作电位形态的对比。尽管动作电位形态存在明显差异，且两组数据采用不同帧率和像素尺寸的独立光学标测相机获取，但通过选择适当的参数，ElectroMap仍可成功用于分析这两组数据集。使用集合平均法替代其他方法可改善从小鼠左心房分离出的信号的信噪比。当未采用集合平均时，起搏频率从3赫兹增加到10赫兹并未改变动作电位时程（APD）；然而，在使用集合平均数据进行测量时，观察到了10赫兹起搏下APD预期的缩短。此外，对小鼠左心房以120毫秒的周长进行起搏，并将周长逐步缩短10毫秒，直至达到50毫秒。ElectroMap 可自动识别起搏周期长度，并相应地对组织平均峰值进行分组。动作电位时程和舒张间期缩短。光学测量峰值的幅度降低，而达峰时间延长。本方案展示了如何安装并设置 ElectroMap 中的参数，以快速分析动作电位时程、传导速度、峰峰值变异性，以及如何进行信号叠加平均以提高信噪比。我们希望这款免费软件的发布能够帮助研究人员满足其分析需求，并推动心脏研究领域取得一些重要发现。我们将持续集成所开发的各类算法，同时也鼓励其他研究者协助我们进一步拓展 ElectroMap 的功能。

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