Este protocolo fornece um programa MATLAB compilado de código aberto que gera espectrogramas multitaper para dados eletroencefalográficos.
Os recursos atuais da web fornecem ferramentas limitadas e amigáveis ao usuário para calcular espectrogramas para visualizar e quantificar dados eletroencefalográficos (EEG). Este artigo descreve um código de código aberto baseado no Windows para a criação de espectrogramas multitaper do EEG. O programa compilado é acessível aos usuários do Windows sem licenciamento de software. Para os usuários do Macintosh, o programa é limitado àqueles com uma licença de software MATLAB. O programa é ilustrado através de espectrogramas de EEG que variam em função dos estados de sono e vigília, e alterações induzidas por opiáceos nesses estados. Os EEGs de camundongos C57BL/6J foram registrados sem fio por 4 h após injeção intraperitoneal de soro fisiológico (controle de veículo) e doses antinociceptivas de morfina, buprenorfina e fentanil. Os espectrogramas mostraram que a buprenorfina e a morfina causaram mudanças semelhantes na potência do EEG em 1-3 Hz e 8-9 Hz. Spectrograms após a administração do fentanil revelaram faixas de potência médias máximas em 3 Hz e 7 Hz. Os espectrogramas desmascarados efeitos diferenciais de opiáceos na frequência e potência do EEG. Estes métodos baseados em computador são generalizáveis em todas as classes de drogas e podem ser facilmente modificados para quantificar e exibir uma ampla gama de sinais biológicos rítmicos.
Os dados do EEG podem ser analisados produtivamente no domínio da frequência para caracterizar os níveis de excitação comportamental e neurofisiológica1. Os espectrogramas multitaper transformam a forma de onda EEG em domínios de tempo e frequência, resultando na visualização do poder de sinal dinâmico em diferentes frequências ao longo do tempo. O espectrograma multitaper utiliza a análise Fourier para produzir estimativas de densidade espectral. Estimação densidade espectral separa uma forma de onda para as ondas sinusoidal puro que compreende o sinal e é análogo à difração da luz branca através de um prisma para ver todo o espectro de cores2. O espectrograma multitaper do EEG representa a atividade combinada de múltiplas redes de neurônios com padrões de descarga que oscilam em diferentes frequências2. Devido à sua invariant mudança de tempo, a transformação fourier é considerada a melhor transformação entre o tempo e os domínios de frequência3. A análise de Fourier também tem uma série de limitações. Os sinais de EEG não são estacionários. Portanto, pequenas alterações podem não ser percebidas nos métodos Fourier e a análise pode mudar dependendo do tamanho do conjunto de dados. No entanto, janelas é usado ao aplicar uma transformação Fourier para um sinal não estacionário. Isto supõe que o espectro do sinal muda somente marginal durante curtos períodos de tempo. Um método alternativo para a análise espectral é a transformação da onda que pode ser mais apropriada para detectar a doença3do cérebro.
Do ponto de vista funcional, as diferentes oscilações que compreendem um sinal de EEG são fenótipos de nível inferior, fenótipos de traços característicos de fenótipos estaduais de nível superior, como sono e vigília2,ou a perda de vigília causada pela anestesia geral4,5,6. Em relação aos estados de sono e vigília, o espectroilustrado ilustra claramente que os ritmos de sono gerados endógenamente são contínuos e dinâmicos7. Descrições quantitativas de estados de sono e vigília tradicionalmente envolveram um processo de binning que atribui uma classificação de sono ou vigília a cada época especificamente definida (por exemplo, 10 s) de gravação de EEG. Estes escaninhos do estado são traçados então em função do tempo. Parcelas de dados do curso do tempo, muitas vezes referidas como hipnogramas, são usadas para diferenciar o sono normal do sono que é interrompido por doença, administração de medicamentos, mudanças nos ritmos circadianos, trabalho por turnos, etc. Uma limitação de parcelas de hipnograma é que eles deturpam sinais de EEG, expressando estados de excitação como formas de onda quadradas. Hipnograma plotagem envolve uma discretização de excitar estados2 e não permite uma exibição finamente granulada de estágios intermediários ou de transição. Além disso, 10 s que marcam épocas produzem uma discretização do tempo impondo um limite mais baixo na escala de tempo. O resultado da discretização do estado e do tempo é a perda de informações neurofisiológicas sobre a interação dinâmica entre estados de consciência2 e ruptura induzida por drogas desses estados4. Por exemplo, diferentes agentes anestésicos atuam em diferentes alvos moleculares e redes neurais. Manipulação farmacológica dessas redes neurais produz espectrogramas de forma confiável exclusivo para a droga, dose e rota da administração4.
O protocolo atual foi desenvolvido para facilitar a pesquisa a respeito dos mecanismos por que os opioids alteram o sono8,respirando9,nociception10,e neurochemistry11do cérebro. Este protocolo descreve as etapas necessárias para criar um espectrograma multifitado para análises de EEG que podem ser concluídas usando software proprietário ou um sistema que não tenha licenciamento MATLAB. Os camundongos C57BL/6J (B6) foram usados para validar a capacidade deste método baseado em computador de criar novos espectrogramas de EEG durante estados normais e imperturbáveis de sono e vigília e após a administração sistêmica de opiáceos. A confiabilidade e validade das análises foram confirmadas por comparações sistemáticas das diferenças entre os espectrogramas de EEG após camundongos B6 receberam injeções intraperneal de soro fisiológico (controle do veículo) e doses antinociceptivas de morfina, buprenorfina e fentanil.
Estudos quantitativos da dinâmica neonatal do EEG de camundongos têm relevância translacional, fornecendo um modelo para estudos com o objetivo de alcançar uma melhor compreensão do EEG humano neonatal12. A quantificação da dinâmica do EEG não é meramente descritiva e pode contribuir para abordagens de aprendizado de máquina que podem prever a excitação com base em parte nos dados do EEG13. O objetivo do presente relatório é promover a ciência translacional, fornecendo um código amplamente acessível e amigável para a computação de espectrogramas multitaper que caracterizam alterações induzidas por drogas no EEG do mouse.
O programa descrito aqui foi desenvolvido para criar um espectrograma usando as nove etapas descritas na seção 3 do protocolo, computação do spectrogram. Essas etapas envolvem a aquisição do programa de espectrograma, a garantia do formato de arquivo correto e a alteração dos parâmetros computacionais para a geração de espectrogramas de usuário exclusivos. Os usuários podem criar espectrogramas que são adaptados a uma série de questões conceituais e projetos experimentais. A fim de aumentar a facilidade e eficiência deste processo de desenvolvimento, é essencial fornecer os dados brutos do EEG no formato de arquivo correto, nomeado de acordo com as restrições descritas acima. Embora os sinais de exemplo tenham sido fornecidos para dados de EEG do mouse, o programa de espectrograma é facilmente aplicável a dados de EEG humanos e não humanos que estão livres de limitações de processamento de sinal.
A abordagem recomendada para solução de problemas e modificação do método deve começar por analisar um pequeno conjunto de dados. As principais saídas do programa a considerar incluem parcelas do EEG filtrado, bem como o espectrograma. Um aspecto atraente do espectrograma cônico é que ele pode ser aplicado a uma grande variedade de sinais biológicos periódicos. A variedade varia de ritmos circadianos de longa duração (24 h)17 a ritmos muito rápidos, como taxas de descarga de 1.000 Hz de uma célula Renshaw18.
A formatação de dados é uma restrição deste protocolo de espectrograma. O formato de dados europeu (FED) é amplamente utilizado com dados do EEG. No entanto, existem muitas outras opções de formatação. Por esta razão, o arquivo de código bruto foi incluído (ver 3.2 acima) no caso de o usuário gostaria de alterar o formato de arquivo. No que diz respeito ao arquivo do programa bruto, outra limitação é a necessidade de experiência com a linguagem de programação de computador, a fim de alterar o formato de arquivo. Nem todos os investigadores têm acesso ao software proprietário e à gama completa de plug-ins. Este protocolo foi desenvolvido para contornar esse problema fornecendo um programa compilado que é executado em um dispositivo baseado em WINDOWS sem licenciamento de software. Isso é conseguido através do plugin RUNTIME, que está incluído no programa compilado e não requer qualquer registro de software pelo usuário.
Esta rotina de espectrograma EEG é um novo programa de código aberto e baseado em computador que permite aos usuários criar espectrogramas personalizados e multitaper a partir de uma ampla gama de dados. O usuário tem controle total sobre todos os aspectos computacionais da geração de espectrogramas. Sem processamento prévio de sinal e conhecimento de programação de computador, os espectrogramas podem ser difíceis de gerar. O protocolo descrito aqui facilitará a geração de espectrogramas. Consulte a seção de material suplementar para mais leituras de processamento de sinal e orientação de espectrograma multitaper.
Material suplementar
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.
Este trabalho apoiado em parte por uma concessão nih HL-65272. Os autores agradecem a Zachary T. Glovak e Clarence E. Locklear por suas contribuições para este projeto.
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 |