IntelliSleepScorer, pakiet oprogramowania z graficznym interfejsem użytkownika do automatycznego oceniania fazy snu myszy
8 listopada 2024
Prezentujemy pakiet oprogramowania z graficznym interfejsem użytkownika dla badaczy bez doświadczenia w kodowaniu, aby ocenić fazy snu u myszy za pomocą prostego pobrania i obsługi.
Opracowaliśmy łatwe w użyciu oprogramowanie z graficznym interfejsem użytkownika, IntelliSleepScorer, do automatycznego oceniania faz snu u myszy. Naszym celem jest sprostanie wyzwaniu, jakim jest pracochłonne ręczne ocenianie, i poprawa dostępności dla badaczy bez dużego doświadczenia w kodowaniu. IntelliSleepScorer osiąga 95,2% dokładności w automatycznej ocenie faz snu u myszy i udowodnił możliwość uogólnienia na dwóch innych publicznie dostępnych niezależnych zestawach danych.
Graficzny interfejs użytkownika zawiera funkcję ręcznej korekty, która pozwala użytkownikom modyfikować punktowaną fazę snu dla dowolnej epoki. Udostępniamy również wizualizacje wartości SHAP w celu wyjaśnienia decyzji dotyczących oceniania modelu. Doświadczeni użytkownicy mogą również dostroić nasz model pre-tree za pomocą własnych danych, ponieważ wszystkie niezbędne pliki i skrypty do ekstrakcji są dostępne na GitHub.
Nasze badania koncentrują się na przełożeniu pojawiającej się genetyki na biologię i umożliwieniu terapii nowej generacji w leczeniu chorób psychicznych. Pracowaliśmy nad genami, których dysfunkcja została związana z tymi chorobami, przy użyciu metod molekularnych, komórkowych i elektrofizjologicznych, zarówno in vitro, jak i na zwierzętach. Aby rozpocząć, przekonwertuj format pliku na EDF i uporządkuj je w modele LightGBM 2EEG i LightGBM 1EEG.
Następnie pobierz oprogramowanie IntelliSleepScorer, zgodnie z systemem operacyjnym. W systemie Windows pobierz plik wykonywalny za pośrednictwem strony Pan Group Research. W przypadku systemu macOS lub Linux pobierz kod źródłowy z repozytorium GitHub.
Pobierz dwa przykładowe zestawy danych zapisane jako pliki EDF za pośrednictwem repozytorium GitHub. Następnie pobierz modele. zip, rozpakuj go i skopiuj wyodrębniony folder modeli do repozytorium IntelliSleepScorer.
Aby uruchomić oprogramowanie IntelliSleepScorer w systemie Windows, kliknij dwukrotnie IntelliSleepScorer. exe w folderze głównym. W przypadku systemu macOS lub Linux otwórz emulator terminala.
Zmień katalog na folder główny i wprowadź polecenie. W interfejsie oprogramowania kliknij Wybierz EDF lub EDF+files, aby wybrać pliki do oceny. Wybierz żądaną długość epoki za pomocą menu rozwijanego.
Wybierz spośród czterech, 10 lub 20 sekund dla punktacji fazy snu. Następnie wybierz model do oceny stanu uśpienia na podstawie struktury plików. Wybierz LightGBM-2EEG dla plików danych z dwoma kanałami EEG i jednym kanałem EMG.
Zaznacz pole wyboru Uruchom lub Drukuj SHAP, aby uwzględnić obliczenia SHAP przed uruchomieniem przewidywania. Następnie kliknij Score All Files (Punktuj wszystkie pliki), aby ocenić wybrane pliki EDF lub EDF+. Model automatycznie oceni pliki i obliczy wartości SHAP Global i Epoch w celu zinterpretowania decyzji dotyczących oceniania.
Po zakończeniu procesu oceny snu kliknij Wizualizuj wybrany plik, aby wyświetlić sygnały EEG i EMG oraz hipnogram wyrównany z sygnałami. Aby zmienić liczbę wyświetlanych epok, kliknij menu rozwijane obok opcji wybierz liczbę epok do wyświetlenia i wybierz żądaną wartość. Użyj przycisków nawigacyjnych, aby poruszać się do przodu i do tyłu przez różne dane epoki.
Aby wyświetlić wartości SHAP na poziomie epoki, kliknij prawym przyciskiem myszy określoną epokę, aby wykreślić dane SHAP. Użyj różowego przezroczystego paska po lewej stronie hipnogramu, aby wskazać aktualną lokalizację epoki. Aby przełączyć się na inną epokę, kliknij lewym przyciskiem myszy na hipnogram lub kliknij Przejdź do epoki i wprowadź numer epoki.
Jeśli opcja Obliczanie SHAP jest włączona, kliknij prawym przyciskiem myszy wybraną epokę, aby wygenerować jej wykres SHAP epoki. Aby ręcznie skorygować przewidywaną fazę snu, kliknij lewym przyciskiem myszy EPOCH na wykresie przewidywania fazy snu, aby ją wybrać. Po prawej stronie pojawi się przewidywany etap modelu dla wybranej epoki.
Kliknij widżet i wybierz nowy etap z opcji Wake, NREM i REM z menu rozwijanego. Na koniec, aby ponownie otworzyć poprzednio zapisany plik z punktacją, upewnij się, że długość epoki i wybrany model są zgodne z ustawieniami używanymi podczas początkowego przetwarzania.
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia IntelliSleepScorer, łatwe w obsłudze oprogramowanie z graficznym interfejsem użytkownika (GUI), zaprojektowane dla badaczy w celu automatycznego oceniania faz snu u myszy bez konieczności posiadania umiejętności programowania. Oprogramowanie wykazuje wysoką dokładność oceniania na poziomie 95,2% i umożliwia wprowadzanie ręcznych korekt oraz wizualizację wartości SHAP w celu wyjaśnienia decyzji dotyczących oceniania.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Badania nad snem
- Bioinformatyka
Wstęp
- Ręczne punktowanie faz snu u myszy jest pracochłonne i wymagające.
- Istnieje zapotrzebowanie na dostępne narzędzia dla badaczy z ograniczonym doświadczeniem w programowaniu.
- Oprogramowanie to odpowiada na te potrzeby, zapewniając automatyzację i elastyczność.
Cel badania
- Opracowanie pakietu oprogramowania, który upraszcza proces oceny faz snu u myszy.
- Zwiększenie dostępności narzędzia dla badaczy nieposiadających umiejętności programowania.
- Umożliwienie oceny z wysoką dokładnością oraz zapewnienie narzędzi do manualnej korekty.
Zastosowane metody
- Oprogramowanie umożliwia badaczom ocenę faz snu z wykorzystaniem plików w formacie EDF.
- Jako model biologiczny wykorzystano myszy, koncentrując się na analizie faz snu.
- Funkcje programu obejmują manualne korekty oraz interpretację wyników z wykorzystaniem wartości SHAP.
- Etapy przetwarzania danych obejmują konwersję formatów plików oraz zastosowanie wytrenowanych modeli.
- Użytkownicy mogą pobrać i zainstalować oprogramowanie w wielu systemach operacyjnych, w tym Windows, macOS oraz Linux.
Główne wyniki
- IntelliSleepScorer osiąga dokładność oceny faz snu u myszy na poziomie 95,2%.
- Program oferuje opcje ręcznej edycji, aby użytkownicy mogli zapewnić dokładność punktacji.
- Wizualizacje wartości SHAP w oprogramowaniu pomagają wyjaśnić decyzje modelu dotyczące oceny.
Wnioski
- Badanie wykazuje, że IntelliSleepScorer skutecznie ułatwia ocenę faz snu u myszy.
- Przyjazny dla użytkownika interfejs zwiększa dostępność narzędzia dla badaczy zajmujących się snem.
- Narzędzie to pogłębia zrozumienie zachowań związanych ze snem i wspomaga przyszłe badania.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Zautomatyzowana, wysokoprecyzyjna ocena faz snu w modelach gryzoni jest kluczowa dla neuronauki translacyjnej oraz odkrywania leków neuropsychiatrycznych. IntelliSleepScorer umożliwia skalowalną i powtarzalną kwantyfikację architektury snu, wspierając ograniczanie ryzyka mechanistycznego oraz walidację punktów uchwytu w badaniach przedklinicznych. Przystępny interfejs oraz wyjaśnialne wyniki ułatwiają wdrożenie w różnych zespołach funkcjonalnych oraz standaryzację danych w całym portfolio.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia rzetelną analizę fenotypów związanych ze snem w genetycznie zmodyfikowanych modelach mysich.
- Wspiera funkcjonalną walidację celów poprzez wysokodokładną kwantyfikację stanów NREM, REM oraz czuwania.
- Ułatwia redukcję ryzyka mechanistycznego poprzez powiązanie zaburzeń genetycznych ze zmianami w architekturze snu.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Przygotowuje zwalidowane, ilościowe wyniki oceny snu do dalszych badań przesiewowych w zakresie farmakologii.
- Standaryzuje klasyfikację faz snu, co poprawia powtarzalność wyników pomiędzy różnymi badaniami i zespołami.
- Umożliwia szybką i skalowalną analizę dużych zbiorów danych, eliminując wąskie gardła związane z ręcznym ocenianiem.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Umożliwia zestawienie fenotypowania snu gryzoni ze strategiami poszukiwania biomarkerów translacyjnych w badaniach neuropsychiatrycznych.
- Zapewnia ciągłość procesu od odkryć genetycznych po przedkliniczne badania skuteczności i bezpieczeństwa.
- Dostarcza wyjaśnialne wyniki modeli (wartości SHAP), aby zwiększyć pewność predykcyjną w modelach translacyjnych.
Integracja rurociągu i przepływu pracy
IntelliSleepScorer integruje się z kontinuum przedklinicznych odkryć, od wczesnej walidacji celu, poprzez identyfikację wiodących związków, aż po badania translacyjne w neurobiologii.
- Biologia odkrywcza: Automatyzacja testowania hipotez dotyczących fenotypów snu w modelach mysich istotnych dla danej jednostki chorobowej.
- Przesiewanie: Dostarczanie powtarzalnych, ilościowych danych o fazach snu do oceny związków chemicznych.
- Analityka: Zapewnienie interpretowalnych wyników i funkcji manualnej korekty w celu wsparcia rygorystycznego przeglądu danych.
- Badania translacyjne: Łączenie wyników przedklinicznych ze strategiami biomarkerów klinicznych w zaburzeniach snu i neuropsychiatrycznych.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferowanie wielokrotnego użytku, otwartej platformy do oceny snu w wielu projektach i zespołach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i zmniejsza niejednoznaczność w walidacji celów związanych ze snem.
- Wartość operacyjna: Optymalizuje procesy robocze, ogranicza nakład pracy ręcznej i zwiększa powtarzalność.
- Wartość strategiczna: Poprawia jakość decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) oraz efektywność kapitałową w portfolio neuropsychiatrycznym.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację celów i modeli z uwzględnieniem ryzyka w oparciu o rzetelne fenotypowanie snu.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie akwizycji i interpretacji danych EEG/EMG u gryzoni.
- Wymaga kompatybilnej aparatury do generowania plików EDF i wprowadzania danych do modelu.
- Wymaga międzyzespołowej standaryzacji formatów danych i parametrów punktacji.
- Umożliwia adaptację do różnych modeli myszy i planów doświadczalnych.
- Ręczna korekta i jakość danych pozostają kluczowe dla uzyskania optymalnej dokładności punktacji.
