Computer-based Multitaper Spectrogram Program for Electroencephalographic Data

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

doi:10.3791/60333

JoVE Journal
Neuroscience

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JoVE Journal Neuroscience

Computer-based Multitaper Spectrogram Program for Electroencephalographic Data

脳波データのためのコンピュータベースのマルチテーパースペクトログラムプログラム

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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.

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。

このプロトコルは、ユーザが事前の信号処理知識なしにカスタマイズ可能なマルチテーパスペクトログラムを開発することができるので、重要です。プログラムの主な技術的な利点は、プログラムのユーザーフレンドリーな設計とMATLABライセンスなしでコンピュータを使用してマルチテーパスペクトログラムを作成する機能です。電極注入手術後7~10日後、ミリボルトで全ての信号を記録するようにデータ取得システムを構成し、所望の実験期間の脳波記録を取得した。

適切なデータ収集計測器とソフトウェアを使用して、フィルタリングされていないEEG信号を増幅し、デジタル化します。その後、2人の異なる個人が独立してデジタルEEG、青いトレース、およびEMG、黒いトレース、覚醒、レム睡眠、または適切な睡眠スコアリングソフトウェアプログラムで非レム睡眠として記録を得点する。コンパイル済みマルチテーパスペクトログラムプログラムをダウンロードします。

スペクトログラム計算の場合は、未処理の未処理の EEG データを EDF または CSV ファイル形式で取得し、コンパイル済みプログラムファイルと同じ場所にファイルを配置し、スペクトログラムプログラムを起動します。ポップアッププロンプトに従って、適切なファイル形式を選択します。EEG ファイル名全体を入力し、スペクトログラム計算のパラメータを選択します。

スペクトログラムと EEG の両方のタイトルを入力します。次に、[ファイルと保存] をクリックして、生成されたスペクトログラムと EEG トレースを目的のファイル形式で保存します。この図は、覚醒、非レム睡眠、レム睡眠中の皮質脳波の代表的な類似点と違いを示しています。

この催眠は、EEGおよびEMGの記録の評価に基づいて睡眠および覚醒の状態の時間的組織をプロットするために使用された。分離催眠とは対照的に、スペクトログラムは、時間の関数として脳波周波数と電力の非常に動的な変化を示し、覚醒とレム睡眠中の皮質脳波信号の類似点を強調するために使用することができます。これらのマルチテーパースペクトログラムは、生理食症、モルヒネ、ブプレノルフィン、またはフェンタニルの全身投与後の4時間の脳G記録を要約する。

この図は、異なるアヘンが皮質脳管力に及ぼす影響を可視化するためのスペクトログラムの使用を示している。生理食前の状態に存在する遅波活性は、モルヒネとブプレノルフィンによって排除される。フェンタニル投与後、低速波デルタ電力が観察できる。

スペクトログラムによって示されるEEG変化は、さらに定量化し、各半周波数の平均優勢なスペクトルパワーとして表現することができる。例えば、このグラフに示すように、特定のEEG周波数帯域内のスペクトルパワーを平均すると、0.5〜4ヘルツ周波数範囲において、EEGパワーはブプレノルフィンよりも生理食音処理ではるかに高いことが明らかになった。慢性に埋め込まれたEEGおよびEMG電極を有するマウスは何ヶ月も健康であり、薬物相互作用および慢性薬物投与の新しい研究を可能にする。

さらに、これらの技術は、アヘン誘発性呼吸抑制への化学的対策を開発するための取り組みに関する新しい洞察を提供することができます。