이 프로토콜은 심장 광학 매핑 데이터 분석을 위한 MATLAB 기반 오픈 소스 소프트웨어 플랫폼인 ElectroMap의 설정 및 사용에 대해 설명합니다. ElectroMap은 광범위한 심장 실험 모델에서 광학 매핑 전압 및 칼슘 데이터 세트를 분석하기 위한 다목적 고처리량 도구를 제공합니다.
광학 매핑은 다세포 제제에서 심장 전기 생리학의 높은 spatio 시간적 해상도 연구를 위한 확립된 기술입니다. 여기서 우리는 단계별 가이드에서 광학 매핑에 의해 획득 된 고해상도 전압 및 칼슘 데이터 세트의 분석, 정량화 및 매핑을 위한 ElectroMap의 사용을 제시합니다. ElectroMap 분석 옵션은 다양한 주요 전기 생리학적 파라미터를 포괄하며, 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 전처리 및 파라미터 정의를 간단하게 수정할 수 있으므로 ElectroMap은 다양한 범위의 실험 모델. 내장된 주파수 감지 및 신호 세분화를 통해 전체 실험 기록, 급성 응답 및 단일 비트 대 비트 가변성에 대한 높은 처리량 분석을 허용하는 방법을 보여줍니다. 또한 ElectroMap은 노이시데이터 세트의 신호 품질을 개선하기 위해 자동화된 멀티 비트 평균을 통합하고 있으며, 이 기능을 통해 단일 데이터 세트를 사용할 때 감지되지 않을 수 있는 전기 생리학적 변화를 설명하는 방법을 보여 줍니다. 비트 분석. 여기에 설명된 바와 같이 전도, 단일 파일 분석 및 변경에 대한 자세한 조사를 위해 사용자 지정 모듈이 소프트웨어에 포함되어 있습니다. 이 소프트웨어 플랫폼은 복잡한 심장 전기 생리학의 처리, 분석 및 매핑을 가능하게하고 가속화하는 데 사용할 수 있습니다.
광학 매핑은 전압 및/또는 칼슘 농도의 형광 리포터를 사용하여 기존의 것보다 더 큰 공간 해상도로 다세포 제제에서 심장 전기 생리학(EP) 및 칼슘 처리를 심문합니다. 기술1,2,3. 따라서,광학 매핑은 심장3,4,5의 생리적 및 병리생리학적 전기 적 행동에 대한 핵심 통찰력을 제공하는 중요하고 점점 더 활용되는 기술로 부상하고 있습니다. ,6,7,8. 광학 매핑 실험에서 얻은 데이터의 효과적인 처리 및 분석은 여러 가지 요인에 의해 복잡합니다. 광학 매핑 데이터 세트의 높은 시간별 해상도 특성으로 인해 수천 개의 이미지 프레임으로 구성된 원시 비디오 파일이 각각 여러 개의 개별 픽셀로 구성되어 높은 처리량과 자동화가 필요한 대용량 데이터 파일이 생성됩니다. 처리9. 작은 픽셀 크기, 불량하고 고르지 않은 염료 로딩 및 형광의 작은 분수 변화는 낮은 신호 대 잡음 비 (SNR)를 가진 광 신호의 결과, 효과적인 분석이 달성되기 전에 전처리가 필요합니다10. 처리 및 분석은 빛을 이용하여 활성화를 개시하는 광유전학 적 진도 프로토콜의 사용에 의해 더욱 복잡해질 수 있으며, 잠재적으로 형광센서(11,12)로부터기록된 신호를 왜곡시킬 수 있다. 또한 데이터가 처리되면 실험 설정, 모델 및 질문 2에 따라 가장 적용 가능한 기술이 변경되어 관심 있는 매개 변수를측정하기 위해 몇 가지 일관되지 않은 기술과 정의를 적용할 수 있습니다. 10,13. 이러한 제한은 기술의 추가 섭취를 방지하고 진정한 객관적인 분석을 방해합니다.
이러한 한계를 극복하기 위해 여러 연구 그룹은 실험 모델, 질문 및하드웨어 7,14,15,16에맞게 맞춤 처리 파이프 라인을 설계했습니다. 다른 사람들은 기본 알고리즘이 액세스하기 어려울 수있습니다 상용 독점 소프트웨어를 활용 4,17. 그 결과, 광학 매핑 데이터의 처리 및 분석을 위해 자유롭게 사용할 수 있는 오픈 소스 소프트웨어 플랫폼에 대한 명확한 필요성이 있습니다. 이 소프트웨어는 오픈 소스, 사용하기 쉬운, 매개 변수 조정에 유연, 뚜렷한 EP 특성을 가진 실험 모델의 범위에 적용 하고 결정적으로 심장 의 범위의 간단하고 조정 가능한 정량화를 허용하는 것이 중요합니다 광학 매핑을 사용하여 연구할 수 있는 매개 변수입니다.
우리는 최근에 간행하고 심장 광학 매핑 데이터 세트의 높은 전체, 반자동 처리, 분석 및 매핑을위한 포괄적 인 소프트웨어 플랫폼, ElectroMap을 발표했다13. 여기서는 ElectroMap의 활용을 위한 비디오 매뉴얼을 제시하고 여러 광학 매핑 데이터 세트를 처리, 분석 및 매핑하는 데 사용할 수 있는 방법을 보여 줍니다. 우리는 표준 EP 및 칼슘 처리 변수를 정량화하고 독립형 전도 속도, 단일 파일 분석 및 alternans 모듈의 사용을 입증하기 위해 ElectroMap의 사용에 중점을 둡니다.
여기서는 심장 광학 매핑 데이터 세트의 유연하고 다중 가변 분석을 위한 오픈 소스 소프트웨어 ElectroMap의 활용을 위한 단계별 가이드를 제공합니다. ElectroMap을 성공적으로 사용하려면 .tif 또는 에 있는 이미징 데이터가 필요합니다. MAT 형식입니다. ElectroMap에는 여러 가지 수정 가능한 사용자 설정이 통합되어 있습니다. 그림 2A에서설명한 바와 같이, 이것은 실험 모델과 이미징 하드웨어 사이에 존재하는 넓은 이질성 으로 인해 필요합니다. 그러나 소프트웨어 내의 기본 설정이 항상 최적이 되는 것은 아니므로 소프트웨어를 사용하는 중요한 단계는 사용자가 특정 실험 설정에 대한 설정을 조정하는 것입니다. 여기에는 그림 2B와같이 카메라 설정 및 타임스케일이 포함됩니다. 최적의 설정이 발견되면 구성 파일을 선택하여 나중에 저장하고 다시 로드할 수 있습니다.
자동화된 CL 측정 및 신호 세분화의 통합은 소프트웨어의 주요 장점입니다. 이러한 기능을 통해 실험 기록에서 급성 반응을 분석하고 격리된 단일 비트에 초점을 맞추지 못하도록 분석을 넓힙연출할 수 있습니다. 원하는 세분화가 완료되면 단일 파일 분석 모듈을 통해 각 개별 세그먼트(단일 비트 포함)를 자동으로 분석할 수 있으므로 출력된 레코딩 에서 여러 변수에 대한 높은 처리량 분석을 실현할 수 있습니다. 단일 .csv 파일. 이와 함께 그룹화 된 피크의 앙상블 평균화는 ElectroMap에서 자동으로 수행되는 시끄러운 신호의 품질을 향상시키는 효과적인 방법입니다. 그러나 앙상블 평균화는 비트 대 비트 가변성의 연구에서 예를 들어 유비쿼터스적으로 유익하지 않습니다. 따라서 ElectroMap은 앙상블 평균화를 피하기 위해 단일 비트 세분화를 통합하여 SNR(공간 및 시간 필터링)을 개선하기 위한 대체 처리 옵션을 사용하며, 추가 조사 및 매핑을 위한 Alternans 분석 모듈을 포함합니다. 비트 – 투 – 비트 가변성.
광학 매핑 데이터 집합은 종종 기준 선드및 모션 아티팩트와 같은 아티팩트를 나타냅니다. 마찬가지로, 생성 된 신호는 작은 픽셀 크기, 짧은 노출 시간 및 낮은 분수형광 변화 2로 인해 낮은 품질일 수 있습니다. 이러한 요소는 기본 EP 동작의 효과적이고 정확한 분석을 방지합니다. 설명된 대로 ElectroMap에는 이러한 문제를 극복하기 위한 몇 가지 처리 전략이 있습니다. 그러나 이러한 알고리즘을 근본적으로 품질이 저하/왜곡된 데이터에 적용하면 효과적인 분석이 계속 되지 않습니다. 따라서 SNR은 ElectroMap에서 측정되고 표시되는 매개 변수 중 하나입니다. 마찬가지로 사용자는 픽셀 정보 및 비교 모듈을 사용하여 샘플에서 특정 영역의 신호를 선택하고 비교할 수 있으므로 그림5에 표시된 모션 아티팩트와 같은 현상을 식별할 수 있습니다. 데이터 제외.
현재 ElectroMap은 기준선 보정과 동일한 방식으로 원시 데이터에서 모션 아티팩트의 제거를 지원하지 않습니다. 따라서, 소프트웨어의 향후 개발이 가능할 수 있는 것은31,32로보고된 바와 같이 계산 방법에 의한 모션 아티팩트 제거의 포함이다. 또한, ElectroMap은 현재 하나의 광학 신호에 대한 연구로 제한됩니다. 그러나, 비율 측정 염료 및 전압 및 칼슘 염료(27)의동시 사용, 두 개의 파장 채널의 동시 처리가 필요합니다. 따라서 이중 신호 분석의 통합은 소프트웨어에 중요한 미래 추가사항입니다. 위상 특이성 추적과 같은 부정맥 데이터 세트에 적용할 수 있는 분석 옵션의 확장은 소프트웨어33,34의범위를 동일하게 확대할 것이다. 마지막으로, 설명된 몇 가지 분석 옵션은 전극 매핑 데이터의 분석에도 유용할 수 있습니다. 실제로 ElectroMap은 대조적인 일렉트로그램 파형20,35에도불구하고 전극 매핑 데이터를 분석하는 데 사용되었으며, 추가 최적화는 이러한 양상에 대한 사용을 확장할 것입니다.
The authors have nothing to disclose.
이 작품은 EPSRC 학생에 의해 투자되었다 (박사 교육 L016346에 대한 Sci-Phy-4-건강 센터) D.P.에, K.R. 및 L.F., 웰컴 트러스트 종자 상 보조금 (109604 /Z/ 15/Z) D.P., 영국 심장 재단 보조금 (PG/17/55/33087, RG/17/15/33106) D.P. , 유럽 연합 (보조금 계약 No 633196 [CATCH ME] P.K. 및 L.F.에, 영국 심장 재단 (FS/13/43/30324 P.K. 및 L.F.; PG/17/30/32961에서 P.K. 및 A.H.까지), 그리고 Leducq 재단을 P.K.로 J.W.는 영국 심장 재단(FS/16/35/31952)의 지원을 받고 있습니다.
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