Bu protokol, elektroensefalografik veriler için çoklu spektrogramlar üreten açık kaynak kodlu, derlenmiş matlab programı sağlar.
Mevcut web kaynakları, elektroensefalografik (EEG) verilerini görselleştirmek ve ölçmek için spektrogramları hesaplamak için sınırlı, kullanıcı dostu araçlar sağlar. Bu makalede, EEG multitaper spektrogramları oluşturmak için Windows tabanlı, açık kaynak kod açıklanmaktadır. Derlenen program, yazılım lisansı olmadan Windows kullanıcıları tarafından erişilebilir. Macintosh kullanıcıları için program, MATLAB yazılım lisansına sahip kullanıcılarla sınırlıdır. Program uyku ve uyanıklık devletlerin bir fonksiyonu olarak değişir EEG spektrogramlar ile gösterilmiştir, ve bu devletlerde afyon kaynaklı değişiklikler. C57BL/6J farelerin EEG’leri, intraperitoneal salin enjeksiyonu (araç kontrolü) ve morfin, buprenorfin ve fentanil antinosiseptif dozlardan sonra kablosuz olarak 4 saat boyunca kaydedildi. Spektrogramlar, fentanil intifa edildikten sonra 1−3 Hz ve 8−9 Hz. Spektrogramlarda buprenorfin ve morfinin EEG gücünde benzer değişikliklere neden olduğunu göstermiştir. Spektrogramlar EEG frekansı ve gücü üzerindeki yanlış diferansiyel afyon etkileri. Bu bilgisayar tabanlı yöntemler uyuşturucu sınıfları arasında genelleştirilebilir ve çok çeşitli ritmik biyolojik sinyalleri ölçmek ve görüntülemek için kolayca değiştirilebilir.
EEG verileri, davranışsal ve nörofizyolojik uyarılma düzeylerini karakterize etmek için frekans etki alanında verimli bir şekilde analiz edilebilir1. Multitaper spektrogramları EEG dalga formunu zaman ve frekans etki alanlarında dönüştürür ve dinamik sinyal gücünün zaman içinde farklı frekanslarda görüntülenmesiyle sonuçlanır. Multitaper spektrogram spektral yoğunluk tahminleri üretmek için Fourier analizi kullanır. Spektral yoğunluk tahmini, bir dalga formunu sinyali oluşturan saf sinüzoidal dalgalara ayırır vebirprizma ile beyaz ışığın kırınımıile benzerlik gösterir ve renklerin tüm spektrumu 2’yi görür. EEG multitaper spektrogram farklı frekanslarda salınım deşarj desenleri ile nöronların birden fazla ağların kombine aktivitesini temsil eder2. Onun zaman kayması değişmez nedeniyle, Fourier dönüşümü zaman ve frekans etki alanları arasında en iyi dönüşüm olarak kabul edilir3. Fourier analizi de sınırlamalar bir dizi vardır. EEG sinyalleri nonstationary vardır. Bu nedenle, Fourier yöntemleri altında küçük değişiklikler algılanmayabilir ve analiz veri kümesinin boyutuna bağlı olarak değişebilir. Ancak, sabit olmayan bir sinyale Fourier dönüşümü uygulanırken pencereleme kullanılır. Bu, sinyalin spektrumunun kısa bir süre içinde sadece marjinal olarak değiştiğini varsayar. Spektral analiz için alternatif bir yöntem beyin hastalığı tespit etmek için daha uygun olabilir dalgacık dönüşümü3.
Fonksiyonel açıdan bakıldığında, EEG sinyali nden oluşan farklı salınımlar alt düzey, üst düzey özellik fenotipleri, uyku ve uyanıklık gibi devlet fenotipleri2, ya da genel anesteziklerin neden olduğu uyanıklık kaybı4,5,6. Uyku ve uyanıklık durumları ile ilgili olarak, spektrogram açıkça uyku endojen oluşturulan ritimleri sürekli ve dinamik olduğunu göstermektedir7. Uyku ve uyanıklık durumlarının nicel açıklamaları geleneksel olarak, EEG kaydının özel olarak tanımlanmış her bir çağına (örneğin, 10 s) bir uyku veya uyandırma sınıflandırması atayan bir binning işlemini içermiştir. Bu durum kutuları daha sonra zamanın bir fonksiyonu olarak çizilir. Zaman ders veri arsalar, genellikle hipnogram olarak anılacaktır, hastalık tarafından bozulur uyku normal uyku ayırt etmek için kullanılır, ilaç yönetimi, sirkadiyen ritimdeğişiklikleri, vardiya lı çalışma, vb. Hipnogram çizimlerinin bir sınırlaması, uyarılma durumlarını kare dalga formları olarak ifade ederek EEG sinyallerini yanlış tanıtmalarıdır. Hipnogram çizim uyarılma durumları2 bir ayrışma içerir ve ara veya geçiş aşamaları ince taneli ekran izin vermez. Ayrıca, 10 s puanlama çağlar zaman ölçeğinde bir alt sınır empoze ederek zaman ayrıştırma üretmek. Hem devlet hem de zamanın ayrışmasının sonucu, bilinç durumları arasındaki dinamik etkileşim ene ilişkin nörofizyolojik bilgikaybıdır 2 ve bu durumların uyuşturucuya bağlı bozulması4. Örneğin, farklı anestezik ajanlar farklı moleküler hedefler ve sinir ağları üzerinde hareket. Bu sinir ağlarının farmakolojik manipülasyon güvenilir ilaç, doz ve uygulama4rota benzersiz spektrogramlar üretir.
Bu protokol, opioidlerinuykuyudeğiştirme mekanizmaları ile ilgili araştırmaları kolaylaştırmak için geliştirilmiştir 8 , solunum9, nosisepsiyon10, ve beyin nörokimyası11. Bu protokol, eeg analizleri için özel mülk yazılım veya MATLAB lisansı olmayan bir sistem kullanılarak tamamlanabilen çok bantlı bir spektrogram oluşturmak için gereken adımları açıklar. C57BL/6J (B6) fareler, bu bilgisayar tabanlı yöntemin normal, rahatsız edilmemiş uyku ve uyanıklık durumlarında ve opiatların sistemik uygulamasından sonra yeni EEG spektrogramları oluşturma yeteneğini doğrulamak için kullanıldı. Analizlerin güvenilirliği ve geçerliliği, B6 farelere intraperitoneal salin (araç kontrolü) ve morfin, buprenorfin ve fentanil antinosiseptif dozlar verildikten sonra EEG spektrogramları arasındaki farkların sistematik karşılaştırmaları ile doğrulandı.
Neonatal fare EEG dinamiğinin nicel çalışmaları, yenidoğan insan EEG12’nindaha iyi anlaşılmasını amaçlayan çalışmalar için bir model sunarak çevirisel olarak anlamlıdır. EEG dinamiklerinin ölçülmesi sadece açıklayıcı değildir ve eeg verilerine dayanarak uyarılmayı kısmen tahmin edebilen makine öğrenimi yaklaşımlarına katkıda bulunabilir13. Bu raporun amacı, fare EEG’deki uyuşturucu kaynaklı değişiklikleri karakterize eden multitaper spektrogramları hesaplamak için yaygın olarak erişilebilir, kullanıcı dostu bir kod sağlayarak çeviri bilimini teşvik etmektir.
Burada açıklanan program protokol bölüm 3, Spectrogram Hesaplama özetlenen dokuz adım kullanılarak bir spektrogram oluşturmak için geliştirilmiştir. Bu adımlar, spektrogram programını edinmeyi, doğru dosya biçimini sağlamayı ve benzersiz kullanıcı spektrogramlarının oluşturulması için hesaplama parametrelerini değiştirmeyi içerir. Kullanıcılar kavramsal sorular ve deneysel tasarımlar bir dizi uyarlanmış spektrogramlar oluşturabilirsiniz. Bu geliştirme sürecinin kolaylığını ve verimliliğini artırmak için, ham EEG verilerinin yukarıda açıklanan kısıtlamalara göre doğru dosya biçiminde sağlanması esastır. Fare EEG verileri için örnek sinyaller sağlanmış olsa da, spektrogram programı sinyal işleme sınırlamaları içermeyen insan ve insan dışı EEG verileri için kolayca uygulanabilir.
Sorun giderme ve yöntem değişikliği için önerilen yaklaşım, küçük bir veri kümesini çözümleyerek başlamaktır. Dikkate alınması gereken büyük program çıkışları filtrelenmiş EEG’nin çizimlerinin yanı sıra spektrogramı da içerir. Konik spektrogramın çekici bir yönü, çok çeşitli periyodik biyolojik sinyallere uygulanabiliyor olmasıdır. Çeşitli uzun süreli sirkadiyen (24 saat) ritimleri17 gibi çok hızlı ritimleri arasında değişmektedir 1,000 Bir Renshaw hücre18Hz deşarj oranları .
Veri biçimlendirme bu spektrogram protokolünün bir kısıtlamasıdır. Avrupa veri formatı (EDF) EEG verileri ile yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, diğer birçok biçimlendirme seçeneği vardır. Bu nedenle, kullanıcının dosya biçimini değiştirmek istediği durumlarda ham kod dosyası (yukarıdaki 3.2’ye bakın) eklenmiştir. Ham program dosyası ile ilgili olarak, başka bir sınırlama amacıyla dosya biçimini değiştirmek için bilgisayar programlama dili ile deneyim ihtiyacıdır. Tüm müfettişler inözel yazılıma ve eklentilerin tamamına erişemez. Bu protokol, yazılım lisansı olmadan WINDOWS tabanlı bir aygıtta çalışan derlenmiş bir program sağlayarak bu sorunu aşmak için geliştirilmiştir. Bu, derlenen programa dahil olan ve kullanıcı tarafından herhangi bir yazılım kaydı gerektirmeyen RUNTIME eklentisi aracılığıyla elde edilir.
Bu EEG spektrogram rutini, kullanıcıların geniş bir veri yelpazesinden kişiselleştirilmiş, çok eşli spektrogramlar oluşturmasına olanak tanıyan yeni, açık kaynak kodlu, bilgisayar tabanlı bir programdır. Kullanıcı spektrogram üretimi tüm hesaplama yönleri üzerinde tam kontrole sahiptir. Önceden sinyal işleme ve bilgisayar programlama bilgisi olmadan, spektrogramlar oluşturmak zor olabilir. Burada açıklanan protokol spektrogram üretimini kolaylaştıracak. Daha fazla sinyal işleme okumaları ve multitaper spektrogram kılavuzu için ek malzeme bölümüne bakın.
Tamamlayıcı Malzeme
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.
Bu çalışma kısmen NIH hibe HL-65272 tarafından desteklenmiştir. Yazarlar Zachary T. Glovak ve Clarence E. Locklear’a bu projeye katkılarından dolayı teşekkür eder.
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 |