We presenteren een softwarepakket met een grafische gebruikersinterface voor onderzoekers zonder codeerervaring om slaapstadia bij muizen te scoren met een eenvoudige download en bediening.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
We presenteren een softwarepakket met een grafische gebruikersinterface voor onderzoekers zonder codeerervaring om slaapstadia bij muizen te scoren met een eenvoudige download en bediening.
Het scoren van de slaapfase bij knaagdieren is het proces van het identificeren van de drie fasen: slaap zonder snelle oogbewegingen (NREM), slaap met snelle oogbewegingen (REM) en waken. Het scoren van slaapfasen is cruciaal voor het bestuderen van slaapfasespecifieke maatregelen en effecten.
Slaappatronen bij knaagdieren verschillen van die bij mensen, gekenmerkt door kortere episodes van NREM en REM met tussenruimte tussen het ontwaken, en traditionele handmatige slaapfasescores door menselijke experts zijn tijdrovend. Om dit probleem aan te pakken, hebben eerdere studies op machine learning gebaseerde benaderingen gebruikt om algoritmen te ontwikkelen om slaapfasen automatisch te categoriseren, maar goed presterende modellen met een grote generaliseerbaarheid zijn vaak niet openbaar beschikbaar/gratis of gebruiksvriendelijk voor niet-opgeleide slaaponderzoekers.
Daarom hebben we een op machine learning gebaseerd LightGBM-algoritme ontwikkeld dat is getraind met een grote dataset. Om het model beschikbaar te maken voor slaaponderzoekers zonder codeerervaring, werd op basis van het model een softwaretool ontwikkeld met de naam IntelliSleepScorer (v1.2- nieuwste versie), die een gebruiksvriendelijke grafische gebruikersinterface heeft. In dit manuscript presenteren we stapsgewijze instructies voor het gebruik van de software om een handige en effectieve automatische tool voor het scoren van slaapfasen bij muizen voor slaaponderzoekers te demonstreren.
Het scoren van slaapfasen bij knaagdieren is de procedure om de drie fasen te identificeren: slaap zonder snelle oogbewegingen (NREM), slaap met snelle oogbewegingen (REM) en wakkerworden 2. Bij knaagdieren wordt NREM gekenmerkt door verminderde spieractiviteit, langzame en regelmatige ademhaling, verlaagde hartslag en laagfrequente oscillaties van de hersengolven. REM bij knaagdieren, vergelijkbaar met mensen, vertoont spieratonie, EEG-activering en snelle oogbewegingen, hoewel het optreden van levendige dromen minder duidelijk is bij knaagdieren in vergelijking met mensen 2,3. De "waak"-toestand bij knaagdieren wordt gekenmerkt door gedesynchroniseerde hersenactiviteit met hoogfrequente golven met lage amplitude, verhoogde spierspanning en actief gedrag, zoals verzorging en verkenning4. Deze drie fasen kunnen worden geïdentificeerd door elektro-encefalogram (EEG) en elektromyogram (EMG) signalen te inspecteren5.
Er is grote behoefte aan de modellen voor het automatisch scoren van de slaapfase bij knaagdieren. Ten eerste is het handmatig scoren van de slaapfase door menselijke experts arbeidsintensief en tijdrovend. Ten tweede verschillen de slaappatronen bij knaagdieren van die bij mensen en hebben ze meer gefragmenteerde episodes van NREM en REM met tussenruimte tussen het ontwaken, ongeveer 10 minuten, in tegenstelling tot 60-120 minuten bij mensen6. Daarom is het een uitdaging om deze korte perioden tijdens handmatig scoren te identificeren. Sinds de jaren 60 zijn er veel pogingen gedaan om een automatisch scoresysteem van slaapgegevens van knaagdieren te ontwikkelen7. Hoewel er veel geautomatiseerde methoden voor het scoren van de slaap van knaagdieren bestaan, variëren hun prestaties 8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. Belangrijk is dat de meeste goed presterende modellen met een hoge generaliseerbaarheid niet openbaar beschikbaar zijn (sommige hebben speciale verzoeken van ontwikkelaars nodig) of niet gratis zijn voor slaaponderzoekers.
Om de huidige technologische kloof op te vullen, hebben we daarom een op machine learning gebaseerd model ontwikkeld met behulp van een grote dataset van 5776 uur EEG- en EMG-signalen van 519 opnames op 124 muizen met het LightGBM-algoritme1. De lightGBM maakt gebruik van een gradiëntverhogende benadering om beslissingsbomen te construeren19. In Wang et al., 2023, behaalde het LightGBM-model (bestaande uit meer dan 8000 beslissingsbomen) een algehele nauwkeurigheid van 95,2% en een Cohen's kappa van 0,91, die beter presteerde dan twee veelgebruikte basismodellen, zoals het logistische regressiemodel (nauwkeurigheid = 93,3%) en het random forest-model (nauwkeurigheid = 94,3%, kappa = 0,89). De algehele prestaties van het model vertoonden ook een vergelijkbare prestatie als die van menselijke experts. Het belangrijkste is dat is bewezen dat het model generaliseerbaar is en niet te veel is afgestemd op de oorspronkelijke trainingsgegevens1: 1) Het presteerde goed (nauwkeurigheid > 89%) op twee andere openbaar beschikbare onafhankelijke datasets, van Miladinovic en collega's11, met verschillende bemonsteringsfrequenties en epoch-lengtes; 2) De prestaties van het model worden niet beïnvloed door de licht/donker-cyclus van muizen; 3) Een gemodificeerd LightGBM-model presteerde goed op gegevens die slechts één EEG- en één EMG-elektrode bevatten met kappa-≥ 0,89; 4) Zowel wildtype als gemuteerde muizen werden gebruikt voor het testen en de prestaties van het model waren beide nauwkeurig. Dit suggereert dat het model slaapstadia kan scoren voor muizen met verschillende genetische achtergronden.
Om dit model toegankelijk te maken voor slaaponderzoekers die misschien geen codeerexpertise hebben, ontwikkelden we IntelliSleepScorer, een gebruiksvriendelijke softwaretool met een visueel intuïtieve interface. De software kan de procedure voor het scoren van slaap bij muizen volledig automatiseren. Het produceert interactieve visualisaties van de signalen, hypnogrammen en Shapley Additieve uitlegingen (SHAP)-waarden van een Europees gegevensformaat (EDF)/EDF+ bestandsinvoer. De SHAP-waardebenadering, gebaseerd op coöperatieve speltheorie, verbetert de interpreteerbaarheid van machine learning-modellen20. Het model biedt SHAP-waarden op zowel globaal als epoch-niveau, waardoor wordt onthuld hoe verschillende functiewaarden bijdragen aan de scorebeslissing van het model in het algemeen en voor elk tijdperk. Dit geavanceerde programma vermindert de tijd en moeite die nodig is voor het scoren van de slaapfase bij muizen aanzienlijk, terwijl het ervoor zorgt dat stroomafwaartse analyse kan vertrouwen op zeer nauwkeurige resultaten. In dit manuscript presenteren we het stapsgewijze gebruik van IntelliSleepScorer (v1.2) met verschillende updates op versie 1.0, waaronder een optie om SHAP-analyse los van slaappatroonvoorspelling uit te voeren, een door de gebruiker instelbare epoch-lengte voor het scoren van slaapfasen en een handmatige correctiefunctie voor slaapfasen die is geïntegreerd in de GUI.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Deze studie maakte gebruik van gegevens die waren verzameld uit in vivo experimenten bij muizen. Er waren geen menselijke experimenten betrokken bij het onderzoek. Alle experimenten met dieren werden goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee van het Broad Institute. Alle experimenten zijn uitgevoerd in overeenstemming met de relevante richtlijnen en voorschriften. De ARRIVE-richtlijnen zijn niet van toepassing op dit onderzoek, omdat de focus van dit onderzoek ligt op het ontwikkelen van machine learning-modellen in plaats van het vergelijken van verschillende behandelingsgroepen.
1. Voorbereiding van de gegevens
OPMERKING: Gegevenscompatibiliteit: de opgenomen gegevens kunnen een bemonsteringsfrequentie hebben die hoger is dan 40 Hz. Het is niet nodig om het signaal te filteren met een bandpass, omdat de softwarebandpass de EEG- en EMG-signalen bij de eerste stap filtert. De LightGBM-modellen zijn ontwikkeld en getest met behulp van gegevens van muizen. Er is geen bewijs beschikbaar met betrekking tot de prestaties van de LightGBM-modellen in andere soorten proefdieren. De opname-elektroden moeten op de frontale en de pariëtale cortex worden geplaatst, of op een van beide plaatsen als er slechts één EEG-kanaal is opgenomen.
2. IntelliSleepScorer downloaden voor Windows-, Mac- en Linux-gebruikers
3. Workflow en lancering en werking van het programma
4. Navigeren door de gescoorde resultaten
5. Interpretatie van het hypnogram van de gescoorde slaapstadia
OPMERKING: Er zijn 4 rijen in het hypnogram (Figuur 2). De bovenste rij zijn de voorspelde resultaten. De onderste 3 rijen zijn onbewerkte gegevens van respectievelijk 2 EEG- en 1 EMG-kanalen. Op de bovenste rij suggereert oranje de Wake-fase , blauw de NREM-fase en rood de REM-fase in elk tijdperk.
6. Handmatige correctie van de voorspelde slaapfasen op GUI (optioneel)
OPMERKING: als er geen anomalie wordt waargenomen of als er geen extreem hoge nauwkeurigheid vereist is voor de voorspelling van de REM-fase, is handmatige verificatie niet nodig.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Er zijn drie grafieken (alleen de bovenste grafiek als er geen SHAP-waarden zijn uitgevoerd) die in de GUI worden gegenereerd na het scoren van de slaapfase: de bovenste grafiek presenteert EEG- en EMG-kanalen met een hypnogram van de voorspelling van de slaapfase. De middelste grafiek geeft de SHAP-waarden van de epoch weer. De onderste grafiek geeft de globale SHAP-waarden weer (Figuur 1).
Er worden 4 soorten gegevens gepresente...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
In dit artikel wordt uitgelegd hoe u de grafische gebruikersinterface van IntelliSleepScorer (v1.2) kunt gebruiken om de slaapfasen van muizen automatisch te scoren en hoe u SHAP-waarden/grafieken kunt gebruiken om de slaapfasescores die door het model worden gegenereerd beter te begrijpen.
Een belangrijke overweging bij het gebruik van de software is de compatibiliteit van gegevens. De interne gegevens die in deze studie werden gebruikt, waren beperkt tot ele...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren dat er geen sprake is van belangenverstrengeling.
We danken Kerena Yan en Jingwen Hu voor het handmatig scoren van slaapstadia en Eunah en Soonwiik voor de opnames.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Canonical Unbuntu 18.04 | Canonical | https://releases.ubuntu.com/18.04/ | Ondersteunend besturingssysteem voor de software IntelliSleep Scorer: Windows, Mac of Linux |
| Intel Core i7-8550U CPU @ 1.80 GHz 1.99 GHz; RAM: 24 GB | Intel Corp | https://www.intel.com/content/www/us/en/products/details/processors/core-ultra.html | Hardware vereiste voor de software: Beide Inte Core die hier zijn vermeld, zijn gebruikt om de gegevens te verwerken. Het duurt ongeveer 10 minuten om 12 uur opname te verwerken die met 1000 Hz is bemonsterd voor beide hardwares. Elk vergelijkbaar of superieur hardware zou vergelijkbare of betere prestaties opleveren. |
| Intel Core i7-10610U CPU @1.80 GHz 2.30 GHz; RAM: 16 GB | Intel Corp | https://www.intel.com/content/www/us/en/products/details/processors/core-ultra.html | Hardware vereiste voor de software: Beide Inte Core die hier zijn vermeld, zijn gebruikt om de gegevens te verwerken. Het duurt ongeveer 10 minuten om 12 uur opname te verwerken die met 1000 Hz is bemonsterd voor beide hardwares. Elk vergelijkbaar of superieur hardware zou vergelijkbare of betere prestaties opleveren. |
| LightGBM | Microsoft | https://lightgbm.readthedocs.io/en/latest/index.html | Machine learning-gebaseerd algoritme dat werd gebruikt om de software te trainen. |
| MacBook Pro | Apple | https://www.apple.com/in/macbook-pro/ | Ondersteunend besturingssysteem voor de software IntelliSleep Scorer: Windows, Mac of Linux |
| Windows | Microsoft | https://www.microsoft.com/en-in/windows/?r=1 | Ondersteunend besturingssysteem voor de software IntelliSleep Scorer: Windows, Mac of Linux |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.