Dit protocol biedt een open source, gecompileerd MATLAB-programma dat multitaper-spectrogrammen genereert voor elektroencephalografische gegevens.
De huidige webresources bieden beperkte, gebruiksvriendelijke hulpmiddelen voor het berekenen van spectrogrammen voor het visualiseren en kwantificeren van elektroencefalografische (EEG) gegevens. Dit artikel beschrijft een Windows-gebaseerde, open source code voor het maken van EEG multitaper spectrogrammen. Het gecompileerde programma is toegankelijk voor Windows-gebruikers zonder softwarelicenties. Voor Macintosh-gebruikers is het programma beperkt tot die met een MATLAB-softwarelicentie. Het programma wordt geïllustreerd via EEG-spectrogrammen die variëren als een functie van toestanden van slaap en wakkerheid, en opiaat-geïnduceerde veranderingen in die Staten. De EEGs van C57BL/6J muizen werden draadloos geregistreerd voor 4 h na intraperitoneale injectie van zoutoplossing (voertuigcontrole) en antinociceptive doses van Morfine, buprenorfine en fentanyl. Spectrogrammen toonden aan dat buprenorfine en morfine vergelijkbare veranderingen in EEG-vermogen veroorzaakten bij 1 − 3 Hz en 8 − 9 Hz. spectrogrammen na toediening van fentanyl onthulde maximale gemiddelde vermogens banden bij 3 Hz en 7 Hz. De spectrogrammen ontmaskerd differentiële opiaat effecten op EEG frequentie en vermogen. Deze computergebaseerde methoden zijn generaliseerbaar over de geneesmiddelen klassen en kunnen gemakkelijk worden aangepast om een breed scala aan ritmische biologische signalen te kwantificeren en weer te geven.
EEG-gegevens kunnen productief worden geanalyseerd in het frequentiedomein om de niveaus van gedrags-en neurofysiologische opwinding1te karakteriseren. Multitaper-spectrogrammen transformeren de EEG-golfvorm in tijd-en frequentie domeinen, wat resulteert in de visualisatie van het dynamische signaal vermogen bij verschillende frequenties in de tijd. Het multitaper-Spectrogram maakt gebruik van Fourier-analyse om spectrale dichtheids schattingen te maken. Spectrale dichtheids schatting scheidt een golfvorm in de zuivere sinusvormige golven die het signaal omvatten en is analoog aan de diffractie van wit licht door een prisma om het hele spectrum van kleuren2te zien. Het multitaper Spectrogram van het EEG vertegenwoordigt de gecombineerde activiteit van meerdere netwerken van neuronen met ontladings patronen die oscilleren bij verschillende frequenties2. Vanwege de tijdverschuivings invariant wordt de Fourier-transformatie beschouwd als de beste transformatie tussentijd-en frequentie domeinen3. Fourier-analyse heeft ook een aantal beperkingen. EEG-signalen zijn niet-stationair. Daarom kunnen kleine wijzigingen niet worden waargenomen onder Fourier-methoden en de analyse kan veranderen afhankelijk van de grootte van de gegevensset. Windowing wordt echter gebruikt bij het toepassen van een Fourier-transformatie op een niet-stationair signaal. Hierbij wordt verondersteld dat het spectrum van het signaal slechts marginaal verandert gedurende korte perioden. Een alternatieve methode voor spectrale analyse is wavelet Transform die geschikter kan zijn voor het opsporen van hersenziekte3.
Vanuit functioneel oogpunt zijn de verschillende oscillaties bestaande uit een EEG signaal lager niveau, eigenschap fenotypes karakteristiek van hoger niveau, staat fenotypes zoals slaap en wakkerheid2, of het verlies van wakkerheid veroorzaakt door algemene anesthetica4,5,6. Wat toestanden van slaap en wakkerheid betreft, illustreert het Spectrogram duidelijk dat endogeen gegenereerde ritmes van slaap continu en dynamisch zijn7. Kwantitatieve beschrijvingen van toestanden van slaap en wakkerheid hebben van oudsher een binning proces dat een slaap of wakker classificatie toewijst aan elk specifiek gedefinieerde Epoch (bv, 10 s) van EEG-opname. Deze status opslaglocaties worden vervolgens getekend als een functie van de tijd. Tijd cursus data plots, vaak aangeduid als hypnograms, worden gebruikt om de normale slaap te differentiëren uit de slaap die wordt verstoord door ziekte, Drug Administration, veranderingen in circadiane ritmes, ploegenarbeid, enz. Een beperking van hypnogram plots is dat ze EEG signalen verkeerd voorstellen door het uitdrukken van opwinding toestanden als vierkante golfvormen. Hypnogram plotten impliceert een discretisatie van opwinding Staten2 en staat niet toe dat een fijnkorrelige weergave van tussenliggende of overgangs stadia. Bovendien, 10 s scoren tijdperken produceren een discretisatie van tijd door het opleggen van een lagere limiet op de tijdschaal. Het resultaat van de discretisatie van zowel de staat en de tijd is het verlies van neurofysiologische informatie over de dynamische samenspel tussen staten van bewustzijn2 en drugs-geïnduceerde verstoring van deze Staten4. Bijvoorbeeld, verschillende anesthetica agenten handelen op verschillende moleculaire doelen en neurale netwerken. Farmacologische manipulatie van deze neurale netwerken produceert betrouwbaar spectrogrammen die uniek zijn voor het geneesmiddel, de dosis en de toedieningsweg4.
Het huidige protocol is ontwikkeld om onderzoek te vergemakkelijken met betrekking tot de mechanismen waarmee opioïden de slaap8, ademhaling9, nociception10en hersen neurochemie11veranderen. Dit protocol beschrijft de stappen die nodig zijn voor het maken van een multitaps Spectrogram voor EEG-analyses die kunnen worden voltooid met behulp van propriëtaire software of een systeem dat geen MATLAB-licentieverlening heeft. C57BL/6J (B6) muizen werden gebruikt om het vermogen van deze computergebaseerde methode te valideren om nieuwe EEG-spectrogrammen te maken tijdens normale, ongestoorde toestanden van slaap en wakkerheid en na systemische toediening van opiaten. De betrouwbaarheid en geldigheid van de analyses werden bevestigd door systematische vergelijkingen van verschillen tussen EEG-spectrogrammen nadat B6 muizen intraperitoneale injecties met zoutoplossing (voertuigcontrole) en antinociceptive doses van Morfine, buprenorfine en fentanyl kregen.
Kwantitatieve studies van neonatale muizen EEG-dynamiek hebben translationele relevantie door een model te bieden voor studies die gericht zijn op het bereiken van een beter begrip van neonatale humane EEG12. Kwantificerende EEG-dynamiek is niet alleen beschrijvend en kan bijdragen tot machine learning benaderingen die opwinding op basis van gedeeltelijk op EEG data13kunnen voorspellen. Het doel van dit verslag is het bevorderen van translationele wetenschap door het verstrekken van een breed toegankelijke, gebruiksvriendelijke code voor het berekenen van multitaper spectrogrammen die door de drug veroorzaakte veranderingen in muis EEG karakteriseren.
Het programma beschreven hier werd ontwikkeld om een Spectrogram te maken met behulp van de negen stappen die worden beschreven in Protocol sectie 3, Spectrogram Computation. Deze stappen omvatten het verwerven van het Spectrogram programma, het waarborgen van het juiste bestandsformaat en het wijzigen van de computationele parameters voor het genereren van unieke gebruikers spectrogrammen. Gebruikers kunnen spectrogrammen maken die zijn toegesneden op een reeks conceptuele vragen en experimentele ontwerpen. Om het gemak en de efficiëntie van dit ontwikkelingsproces te vergroten, is het essentieel om de onbewerkte EEG-gegevens in de juiste bestandsindeling op te geven, genoemd volgens de hierboven beschreven beperkingen. Hoewel voorbeeld signalen zijn verstrekt voor muis EEG-gegevens, het Spectrogram programma is gemakkelijk toepasbaar op menselijke en niet-menselijke EEG gegevens die vrij van signaalverwerking beperkingen zijn.
De aanbevolen aanpak voor het oplossen van problemen en methode wijzigingen is om te beginnen met het analyseren van een kleine gegevensset. De belangrijkste programma-uitgangen om te overwegen omvatten plots van de gefilterde EEG en het Spectrogram. Een aantrekkelijk aspect van het taps toelopende Spectrogram is dat het kan worden toegepast op een breed scala aan periodieke, biologische signalen. De variëteit varieert van lange duur circadiane (24 h) ritmes17 tot zeer snelle ritmes zoals 1.000 Hz ontlading tarieven van een Renshaw cel18.
Gegevensopmaak is een beperking van dit Spectrogram-protocol. European Data Format (EDF) wordt veel gebruikt met EEG-gegevens. Er zijn echter veel andere opmaakopties. Om deze reden is het RAW-code bestand opgenomen (zie 3,2 hierboven) voor het geval de gebruiker het bestandsformaat wil wijzigen. Met betrekking tot het RAW-programma bestand is een andere beperking de noodzaak van ervaring met de programmeertaal van de computer om de bestandsindeling te wijzigen. Niet alle onderzoekers hebben toegang tot de propriëtaire software en de volledige reeks plug-ins. Dit protocol is ontwikkeld om dit probleem te omzeilen door een gecompileerd programma te leveren dat wordt uitgevoerd op een WINDOWS-apparaat zonder softwarelicenties. Dit wordt bereikt door de RUNTIME plugin die is opgenomen in het gecompileerde programma en vereist geen software registratie door de gebruiker.
Deze EEG Spectrogram routine is een nieuwe, open source, computer-based programma dat gebruikers in staat stelt om gepersonaliseerde, multitaper spectrogrammen uit een breed scala van gegevens te creëren. De gebruiker heeft volledige controle over alle Computationele aspecten van Spectrogram generatie. Zonder voorafgaande signaalverwerking en computer programmeerkennis, kunnen spectrogrammen moeilijk te genereren. Het protocol dat hier wordt beschreven, vergemakkelijkt de aanmaak van spectrogrammen. Zie de aanvullende materiaal sectie voor verdere signaalverwerking lezingen en multitaper Spectrogram begeleiding.
Aanvullend materiaal
http://chronux.org
http://www-users.med.cornell.edu/~jdvicto/pdfs/pubo08.pdf
http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/timefrequencyanalysis/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4502759/#SD3-data
The authors have nothing to disclose.
Dit werk wordt deels ondersteund door een NIH Grant HL-65272. De auteurs danken Zachary T. Glovak en Clarence E. Locklear voor hun bijdragen aan dit project.
Dental acrylic | Lang Dental Manufacturing Co | Jet powder and liquid | |
EEG/EMG Amplifier | Data Science International | model MX2 | |
macOS Mojave | Apple | v10.14.4 | |
MATLAB | Mathworks | v9.4.0.813654 | software for spectrogram comp. |
Mouse anesthesia mask | David Kopf Instruments | model 907 | |
Neuroscore | Data Science International | v3.3.9317-1 | software for scoring sleep and wakefulness |
Ponemah | Data Science International | v5.32 | software for EEG/EMG Data Acquisition |
Stereotaxic frame | David Kopf Instruments | model 962 | |
Stereotaxic frame, mouse adapter | David Kopf Instruments | model 921 | |
Windows 10 | Microsoft | v10.0.17763.503 | |
Wireless Telemeter | Data Science International | model HD-X02 |