Computer-based Multitaper Spectrogram Program for Electroencephalographic Data

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

doi:10.3791/60333

תוכנית ספקטרוגרמה מרובת להתחל במחשב לקבלת נתונים אלקטרונצלוגרפיים

JoVE Journal
Neuroscience

This content is Free Access.

JoVE Journal Neuroscience

Computer-based Multitaper Spectrogram Program for Electroencephalographic Data

תוכנית ספקטרוגרמה מרובת להתחל במחשב לקבלת נתונים אלקטרונצלוגרפיים

Full Text

12,868 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.

פרוטוקול זה מספק מקור פתוח, הידור תוכנית MATLAB שמייצר ספקטרוגרמות רב להתחדד עבור נתוני אלקטרונצלוגרפיה.

פרוטוקול זה הוא משמעותי מכיוון שהוא מאפשר למשתמשים לפתח ספקטרוגרמים רב-תכליתיים הניתנים להתאמה אישית ללא ידע קודם בעיבוד אותות. היתרון הטכני העיקרי של התוכנית הוא העיצוב הידידותי למשתמש של התוכנית והיכולת ליצור ספקטרוגרמים מרובי טפרים באמצעות מחשבים ללא רישוי MATLAB. שבעה עד עשרה ימים לאחר ניתוח השתלת האלקטרודה, להגדיר את מערכת רכישת הנתונים כדי להקליט את כל האותות במילי-וולט, ולקבל הקלטות EEG למשך הניסוי הרצוי.

הגבר והפוך את אותות ה- EEG הלא מסונים לדיגיטליים באמצעות המכשור והתוכנה המתאימים לרכישת נתונים. לאחר מכן יש שני אנשים שונים באופן עצמאי ציון כל סל 10 שניות של EEG דיגיטלי, עקבות כחולים, ו EMG, עקבות שחורים, הקלטות כמו ערנות, שנת REM, או שאינם REM שינה בתוכנה מתאימה ניקוד שינה. הורד את תוכנית הספקטרוגרם מרובת התיוגים המהודרת.

עבור חישוב ספקטרוגרמה, השג נתוני EEG גולמיים ולא מתוכנתים בתבנית קובץ EDF או CSV, והצב את הקובץ באותו מיקום שבו נמצא קובץ התוכנית המהודר, וה הפעל את תוכנית הספקטרוגרם. פעל בהתאם לבקשות המוקפצים ובחר בתבנית הקובץ המתאימה. הזינו את שם קובץ ה- EEG כולו ובחרו בפרמטרים לחישוב הספקטרוגרמה.

הזן כותרות הן עבור הספקטרוגרמה והן עבור EEG. לאחר מכן, לחץ על קובץ ושמור כדי לשמור את הספקטרוגרמה ועקבות EEG המתקבלות בתבנית הקובץ הרצויה. נתון זה מראה קווי דמיון מייצגים והבדלים ב- EEG קליפת המוח במהלך ערנות, שינה שאינה REM ושינה ב- REM.

היפנוגרמה זו שימשה כדי להתוות את הארגון הזמני של מצבי השינה והתעוררות בהתבסס על הערכות של הקלטות EEG ו- EMG. בניגוד להיפנוגרמה הדיסקרטית, ניתן להשתמש בספקטרוגרם כדי להמחיש שינויים דינמיים מאוד בתדירות ובעוצמה של EEG כפונקציה של זמן ולהדגיש את הדמיון בין אות ה- EEG קליפת המוח במהלך ערנות לשינה REM. ספקטרוגרמות מרובות דוגמאות אלה מסכמות כל אחת ארבע שעות של הקלטות EEG לאחר ניהול מערכתי של מלוחים, מורפיום, בופרנורפין או פנטניל.

איור זה מראה את השימוש בספקטרוגרמים כדי לדמיין את ההשפעות של אופיאטים שונים על כוח EEG קליפת המוח. פעילות הגל האיטי הקיימת במצב מלוחים מסולקת על ידי מורפיום ובופרנורפין. לאחר ניהול פנטניל, כוח דלתא גל איטי ניתן לראות.

שינויי EEG המאוירים על ידי הספקטרוגרמים יכולים להיות מכומתים עוד יותר ומתבטאים כעוצמה הספקטרלית השולטת הממוצעת בכל תדר למחצה. לדוגמה, כפי שמודגם בגרף זה, ממוצע הכוח הספקטרלי בתוך רצועות תדר EEG ספציפיות גילה כי בטווח התדרים 0.5 עד 4 הרץ, כוח EEG היה הרבה יותר גבוה עם טיפול מלוחים מאשר עם buprenorphine. עכברים עם אלקטרודות EEG ו- EMG מושתלים כרונית נשארים בריאים במשך חודשים רבים, ומאפשרים מחקרים חדשניים של תגובות בין תרופתיות ומינהל תרופות כרוני.

בנוסף, טכניקות אלה יכולות לספק תובנות חדשות על המאמצים לפתח אמצעי נגד כימיים לדיכאון נשימתי הנגרם על ידי אופיום.