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

뇌전도 데이터를 위한 컴퓨터 기반 멀티테이퍼 분광 프로그램

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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.

이 프로토콜은 뇌전도 데이터를 위한 다중 테이퍼 분광을 생성하는 오픈 소스, 컴파일된 MATLAB 프로그램을 제공합니다.

이 프로토콜은 사용자가 사전 신호 처리 지식없이 사용자 정의 가능한 멀티 테이퍼 분광기를 개발할 수 있기 때문에 중요합니다. 이 프로그램의 주요 기술적 장점은 프로그램의 사용자 친화적 인 디자인과 MATLAB 라이센스없이 컴퓨터를 사용하여 멀티 테이퍼 분광기를 만들 수있는 기능입니다. 전극 이식 수술 후 7~10일, 모든 신호를 밀리볼트로 기록하도록 데이터 수집 시스템을 구성하고 원하는 실험 기간 동안 EEG 기록을 획득한다.

적절한 데이터 수집 계측 및 소프트웨어를 사용하여 필터링되지 않은 EEG 신호를 증폭하고 디지털화합니다. 그런 다음 두 명의 다른 개인이 적절한 수면 점수 소프트웨어 프로그램에서 디지털 EEG, 블루 트레이스 및 EMG, 블랙 트레이스, 깨어, REM 수면 또는 비 REM 수면의 각각 10초 빈을 독립적으로 점수를 획득하게 한다. 컴파일된 멀티 테이퍼 분광기 프로그램을 다운로드합니다.

분광보 계산의 경우 EDF 또는 CSV 파일 형식으로 원시, 처리되지 않은 EEG 데이터를 가져오고 컴파일된 프로그램 파일과 동일한 위치에 파일을 배치하고 Spectrogram 프로그램을 시작합니다. 팝업 프롬프트를 따르고 적절한 파일 형식을 선택합니다. 전체 EEG 파일 이름을 입력하고 분광도 계산에 대한 매개 변수를 선택합니다.

분광기와 EEG 모두에 대한 제목을 입력합니다. 그런 다음 파일을 클릭하고 저장하여 결과 분광및 EEG 추적을 원하는 파일 형식으로 저장합니다. 이 수치는 깨어있는 동안 피질 EEG의 대표적인 유사성 및 차이를 보여줍니다, 비 REM 수면, 및 REM 수면.

이 최면은 EEG 및 EMG 기록의 평가에 근거를 둔 수면과 깨어의 상태의 시간적 조직을 플롯하는 데 사용되었다. 이산 최면과는 달리, 분광사진은 시간의 함수로서 EEG 주파수 및 전력의 매우 역동적인 변화를 설명하고 절전 및 REM 수면 중 피질 EEG 신호 사이의 유사성을 강조하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 멀티 테이퍼 분광기는 각각 식염수, 모르핀, 부프레노르핀 또는 펜타닐의 전신 투여 후 4시간의 EEG 레코딩을 요약합니다.

이 그림은 피질 EEG 전력에 다른 아편의 효과를 시각화하기 위해 분광사진을 사용하는 것을 보여줍니다. 식염수 상태에 존재하는 느린 파 활동은 모르핀과 부프레노르핀에 의해 제거됩니다. 펜타닐 투여 후, 슬로우 웨이브 델타 전력을 관찰할 수 있습니다.

분광에 의해 도시된 EEG 변화는 각 반 주파수의 평균 지배 스펙트럼 전력으로 더 정량화되고 표현될 수 있다. 예를 들어, 본 그래프에 설명된 바와 같이, 특정 EEG 주파수 대역 내에서 스펙트럼 전력을 평균화하면 0.5~4헤르츠 주파수 범위에서, EEG 전력은 부프레노르핀보다 식염수 처리로 훨씬 높았다. 만성 이식 된 EEG 및 EMG 전극을 가진 마우스는 몇 달 동안 건강하게 유지되어 약물 - 약물 상호 작용 및 만성 약물 투여에 대한 새로운 연구를 가능하게합니다.

또한, 이러한 기술은 아편 유도 호흡 우울증에 화학 대책을 개발 하는 노력에 새로운 통찰력을 제공할 수 있습니다.

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