هذا البروتوكول يوفر مصدر مفتوح ، برنامج MATLAB المترجمة التي تولد الطيفية متعددة التفتق للبيانات الكهربية الدماغية.
توفر موارد الويب الحالية أدوات محدوده وسهله الاستخدام لحساب الطيف الطيفي لتصور وقياس بيانات الدماغ الكهربي. تصف هذه الورقة رمز المصدر المفتوح المستند إلى Windows لإنشاء الطيف الطيفي متعدد التفتق لتخطيط الدماغ. البرنامج المترجمة متاح لمستخدمي Windows بدون ترخيص البرامج. بالنسبة لمستخدمي ماكنتوش ، يقتصر البرنامج علي الأشخاص الذين لديهم ترخيص برامج MATLAB. يتم توضيح البرنامج عن طريق الطيف الطيفي لتخطيط الدماغ الذي يختلف كداله لدول النوم واليقظة ، والتعديلات المستحثة بالمواد الافيونيه في تلك الولايات. تم تسجيل الاجهزه الكترونيه من الفئران C57BL/6J لاسلكيا لمده 4 ساعات بعد الحقن داخل المحلول الملحي (التحكم في المركبة) وجرعات المورفين المخدرة ، البوبرينورفين ، والشيفتشنكو. وأظهرت الطيفية ان البوبرينورفين والمورفين تسببا في تغييرات مماثله في طاقة الدماغ في 1 − 3 هرتز و 8 − 9 هرتز. الطيفية بعد أداره الفنتانيل كشفت القصوى متوسط نطاقات السلطة في 3 هرتز و 7 هرتز. الطيف الطيفي غير المقنع اثار المواد الافيونيه التفاضلية علي تردد الدماغ والسلطة. هذه الأساليب المستندة إلى الكمبيوتر قابله للتعميم عبر فئات المخدرات ويمكن تعديلها بسهوله لقياس وعرض مجموعه واسعه من الإشارات البيولوجية الايقاعيه.
يمكن تحليل بيانات تخطيط الدماغ بشكل مثمر في مجال الترددات لتوصيف مستويات الاستثارة السلوكية والعصبية الفسيولوجية1. الطيفية المتعددة التفتق تحويل الموجي تخطيط الدماغ إلى مجالات الزمن والتردد ، مما ادي إلى التصور من قوه الاشاره الديناميكية في ترددات مختلفه عبر الزمن. ويستخدم الطيف الطيفي متعدد التفتق تحليل Fourier لإنتاج تقديرات الكثافة الطيفية. ويفصل تقدير الكثافة الطيفية الموجي في الموجات الحلقية النقية التي تتالف منها الاشاره ويماثل انكسار الضوء الأبيض من خلال المنشور لرؤية طيف كامل من ألوان2. الطيف الطيفي متعدد التفتق لتخطيط الدماغ يمثل النشاط المشترك لشبكات متعددة من الخلايا العصبية مع أنماط التفريغ التي تتارجح في ترددات مختلفه2. نظرا لتحول الوقت الثابتة ، ويعتبر تحويل Fourier أفضل التحول بين الوقت والتردد المجالات3. تحليل fourier لديه أيضا عدد من القيود. إشارات تخطيط الدماغ غير ثابته. لذلك ، قد لا يتم النظر إلى التغييرات الصغيرة ضمن أساليب Fourier وقد يتغير التحليل اعتمادا علي حجم مجموعه البيانات. ومع ذلك ، يتم استخدام الإطارات عند تطبيق تحويل Fourier إلى اشاره غير ثابته. وهذا يفترض ان طيف الاشاره يتغير بشكل هامشي فقط علي مدي فترات قصيرة من الزمن. طريقه بديله للتحليل الطيفي هي تحويل المويجات الذي قد يكون أكثر ملاءمة للكشف عن امراض المخ3.
من منظور وظيفي ، والتذبذبات المختلفة التي تتالف منها اشاره تخطيط الدماغ هي المستوي الأدنى ، سمه الأنماط الظاهرية سمه من المستوي الأعلى ، والأنماط الظاهرية الدولة مثل النوم واليقظة2، أو فقدان اليقظة الناجمة عن التخدير العام4،5،6. وفيما يتعلق بدول النوم واليقظة ، فان الطيف الطيفي يوضح بوضوح ان إيقاعات النوم المتولدة بشكل اندوجينوسلي مستمرة وديناميكية7. الأوصاف الكمية لدول النوم واليقظة وقد شملت تقليديا عمليه التسلق الذي يعين النوم أو الاستيقاظ تصنيف لكل حقبه محدده تحديدا (علي سبيل المثال ، 10 ق) من تسجيل تخطيط الدماغ. ثم يتم رسم صناديق الدولة هذه كداله للوقت. وتستخدم مخططات بيانات الدورات الزمنيه ، التي غالبا ما يشار اليها بالمنومات ، للتفريق بين النوم الطبيعي والنوم الذي يعطله المرض ، وأداره المخدرات ، والتغيرات في إيقاعات الساعة البيولوجية ، والعمل المتناوب ، الخ. ومن القيود المفروضة علي المؤامرات المنومة انها تشوه إشارات تخطيط الدماغ عن طريق التعبير عن حالات الاستثارة كاشكال موجية مربعه. ينطوي التامر بالتنويم المغناطيسي علي التقديرية للدول الاستثارة2 ولا يسمح عرض الحبيبات ناعما من المراحل المتوسطة أو الانتقالية. وعلاوة علي ذلك ، فان عشرات العهود المسجلة في 10 ليالي تنتج الوقت بفرض حد ادني علي المقياس الزمني. نتيجة التقديرية لكل من الدولة والوقت هو فقدان المعلومات الفسيولوجية العصبية فيما يتعلق بالتفاعل الديناميكي بين الدول من الوعي2 والمخدرات الناجمة عن تعطيل هذه الدول4. علي سبيل المثال ، تعمل عوامل التخدير المختلفة علي الأهداف الجزيئية المختلفة والشبكات العصبية. المعالجة الدوائية لهذه الشبكات العصبية تنتج بشكل موثوق الطيفية فريدة من نوعها للدواء, جرعه, ومسار الاداره4.
وقد وضع هذا البروتوكول لتيسير البحوث المتعلقة باليات التي المواد الافيونيه يغير النوم8، والتنفس9، إحساس10، والأعصاب الدماغ11. يصف هذا البروتوكول الخطوات المطلوبة لإنشاء مجموعه طيفيه متعددة المدبب لتحليلات تخطيط الدماغ التي يمكن إكمالها باستخدام البرمجيات الاحتكارية أو النظام الذي لا يملك ترخيص MATLAB. تم استخدام الفئران C57BL/6J (B6) للتحقق من قدره هذا الأسلوب القائم علي الكمبيوتر لإنشاء الطيف الطيفي لتخطيط الدماغ اثناء العادية ، والدول دون عائق من النوم واليقظة وبعد الاداره الجهازية من المواد الافيونيه. وأكدت موثوقيه وصحة التحاليل من خلال مقارنات منهجيه للاختلافات بين الطيف الطيفي لتخطيط الدماغ بعد ان تلقت الفئران B6 حقن داخل الصفاق من المحلول الملحي (التحكم في المركبات) وجرعات التطعيم من المورفين ، البوبرينورفين ، والشيفتشنكو.
الدراسات الكمية لديناميات التخطيط الدماغي للفئران حديثي الولادة لها اهميه انتقاليه من خلال توفير نموذج للدراسات التي تهدف إلى تحقيق فهم أفضل لتخطيط الدماغ البشري12الوليد. ان القياس الكمي لديناميكيات تخطيط الدماغ ليس وصفيا فحسب ويمكن ان يساهم في نهج التعلم الألى التي يمكن ان تتنبا بالاستثارة التي تستند جزئيا إلى بيانات تخطيط الدماغ13. والهدف من هذا التقرير هو تعزيز العلوم الانتقالية عن طريق توفير شفره سهله المنال وسهله الاستعمال لحوسبة الطيف الطيفي المتعدد التفتق الذي يميز التغيرات الناجمة عن المخدرات في تخطيط الدماغ بالماوس.
تم تطوير البرنامج الموصوف هنا لإنشاء طيف باستخدام الخطوات التسع الموضحة في القسم 3 من البروتوكول ، حساب الطيف الطيفي. وتشمل هذه الخطوات الحصول علي برنامج الطيف ، وضمان تنسيق الملف الصحيح ، وتغيير المعلمات الحسابية لتوليد الطيف الطيفي للمستخدم فريدة من نوعها. يمكن للمستخدمين إنشاء الطيف الطيفي التي تم تصميمها لمجموعه من الاسئله المفاهيمية والتصاميم التجريبية. من أجل تعزيز سهوله وكفاءه هذه العملية التنموية ، من الضروري توفير بيانات التخطيط الكهربي الدماغي الخام في تنسيق الملف الصحيح ، المسمي وفقا للقيود المذكورة أعلاه. علي الرغم من انه تم توفير إشارات علي سبيل المثال لبيانات تخطيط الدماغ بالماوس ، فان برنامج الطيف الطيفي ينطبق بسهوله علي بيانات التخطيط الكهربي الدماغي البشرية وغير البشرية الخالية من قيود معالجه الإشارات.
النهج الموصي به لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها وتعديل الأسلوب هو البدء بتحليل مجموعه بيانات صغيره. وتشمل المخرجات الرئيسية للبرنامج النظر في قطع الدماغ المصفاة وكذلك الطيف الطيفي. وهناك جانب جذاب من الطيف الطيفي المدبب هو انه يمكن تطبيقه علي مجموعه واسعه من الإشارات البيولوجية الدورية. نطاقات متنوعة من الساعة البيولوجية طويلة المدة (24 ح) إيقاعات17 إلى إيقاعات سريعة جدا مثل معدلات التفريغ 1,000 هرتز من خليه renshaw18.
تنسيق البيانات هو قيد لهذا البروتوكول الطيفي. ويستخدم شكل البيانات الاوروبيه علي نطاق واسع مع بيانات تخطيط الدماغ. ومع ذلك ، هناك العديد من خيارات التنسيق الأخرى. لهذا السبب ، تم تضمين ملف التعليمات البرمجية الخام (انظر 3.2 أعلاه) في حاله المستخدم ترغب في تغيير تنسيق الملف. وفيما يتعلق بملف البرنامج الخام ، هناك قيد آخر هو الحاجة إلى الخبرة مع لغة برمجه الكمبيوتر من أجل تغيير تنسيق الملف. ليس كل المحققين الوصول إلى البرمجيات الملكية ومجموعه كامله من المكونات الاضافيه. تم تطوير هذا البروتوكول للالتفاف حول هذه المشكلة عن طريق توفير برنامج المترجمة التي يتم تشغيلها علي جهاز يستند إلى WINDOWS بدون ترخيص البرامج. ويتحقق ذلك من خلال البرنامج المساعد وقت التشغيل الذي يتم تضمينه في البرامج المترجمة ولا يتطلب اي تسجيل البرامج من قبل المستخدم.
يعد هذا الروتين الطيفي لتخطيط الدماغ برنامجا مبتكرا ومفتوح المصدر وقائما علي الكمبيوتر يسمح للمستخدمين بإنشاء طيفات طيفيه شخصيه ومتعددة التفتق من مجموعه واسعه من البيانات. المستخدم لديه السيطرة الكاملة علي جميع الجوانب الحسابية للجيل الطيفي. دون معالجه الإشارات السابقة والمعرفة برمجه الكمبيوتر ، يمكن ان يكون من الصعب توليد الطيف. سيسهل البروتوكول الموصوف هنا توليد الطيف الطيفي. يرجى الاطلاع علي قسم المواد التكميلية لمزيد من قراءات معالجه الإشارات والتوجيه الطيفي متعدد التفتق.
المواد التكميلية
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 البيانات
The authors have nothing to disclose.
ويدعم هذا العمل جزئيا منحه المعاهد القومية للصحة HL-65272. ويشكر المؤلفان زاري ت. غلوفاك وكلارنس e. Locklear علي مساهماتهما في هذا المشروع.
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 |