Denne protokollen gir en åpen kildekode, kompilert MATLAB program som genererer multitaper spektrogrammer for elektroencefalografiske data.
Nåværende webressurser gir begrenset, brukervennlige verktøy for å beregne spektrogrammer for visualisering og kvantifisere elektroencefalografiske (EEG) data. Dette papiret beskriver en Windows-basert, åpen kildekode-kode for å lage EEG multitaper spektrogrammer. Det kompilert program er tilgjengelighet å Vinduer brukernes uten programvarelisensiering. For Macintosh-brukere er programmet begrenset til de med en MATLAB programvarelisens. Programmet er illustrert via EEG spektrogrammer som varierer som en funksjon av tilstander av søvn og våkenhet, og opiat-indusert endringer i disse statene. Den EEGs av C57BL/6J mus ble trådløst innspilt for 4 h etter intraperitoneal injeksjon av saltvann (kjøretøy kontroll) og antinociceptive doser av morfin, buprenorfin, og fentanyl. Spektrogrammer viste at buprenorfin og morfin forårsaket liknende endringer i EEG-kraft ved 1 − 3 Hz og 8 − 9 Hz. Spektrogrammer etter administrering av fentanyl avslørte maksimalt gjennomsnittlig effekt bånd ved 3 Hz og 7 Hz. Den spektrogrammer avslørt differensial opiat effekter på EEG frekvens og makt. Disse datamaskin-baserte metoder er generaliserings på tvers av narkotika klasser og kan lett endres for å kvantifisere og vise et bredt spekter av rytmiske biologiske signaler.
EEG data kan være produktivt analysert i frekvens domene for å karakterisere nivåer av atferdsmessige og nevrofysiologiske opphisselse1. Multitaper spektrogrammer transformere EEG bølgeform i tid og frekvens domener, noe som resulterer i visualisering av dynamisk signal kraft på ulike frekvenser over tid. Multitaper Spektrogram bruker Fourier-analyse for å produsere estimater for Spectral Density. En Spectral Density estimering skiller en bølgeform inn i de rene sinusformet bølgene bestående av signalet og er analogt med Diffraksjon av hvitt lys gjennom et prisme for å se hele spekteret av farger2. Den multitaper Spektrogram av EEG representerer den kombinerte aktiviteten til flere nettverk av neurons med utslipp mønstre som svinge på ulike frekvenser2. På grunn av sin tidsforskyvning invariant, er Fourier Transform regnes som den beste transformasjonen mellom tid og frekvens domener3. Fourier-analyse har også en rekke begrensninger. EEG-signalene er nonstationary. Derfor kan små endringer ikke oppfattes under Fourier-metoder og analysen kan endres avhengig av størrelsen på datasettet. Men vindaugesystemet brukes når du søker en Fourier Transform til en nonstationary signal. Dette forutsetter at spekteret av signalet endres bare marginalt over korte tidsperioder. En alternativ metode for Spectral analyse er wavelet transformere som kan være mer hensiktsmessig for å oppdage hjernen sykdom3.
Fra et funksjonelt perspektiv, de ulike svingninger bestående av en EEG-signal er lavere nivå, trekk fenotyper karakteristisk for høyere nivå, statlige fenotyper som søvn og våkenhet2, eller tap av våkenhet forårsaket av generell anestesi4,5,6. Når det gjelder tilstander av søvn og våkenhet, den Spektrogram tydelig illustrerer at endogenously genererte rytme i søvn er kontinuerlig og dynamisk7. Kvantitative beskrivelser av tilstander av søvn og våkenhet har tradisjonelt involvert en binning prosess som tildeler en søvn eller vekke klassifisering til hver spesifikt definert epoke (for eksempel 10 s) av EEG-opptaket. Disse tilstands hyllene blir deretter plottet som en funksjon av tid. Tid kurs data tomter, ofte referert til som hypnograms, brukes til å differensiere normal søvn fra søvn som er forstyrret av sykdom, narkotika administrasjon, endringer i døgn rytmer, skiftarbeid, etc. En begrensning av hypnogram plott er at de uriktige opplysninger EEG signaler ved å uttrykke opphisselse stater som firkantede bølgeformer. Hypnogram plotting innebærer en Diskretiseringsmetoder av opphisselse stater2 og tillater ikke en fint kornet visning av mellomliggende eller overgangs etapper. Videre, 10 s scoring epoker produsere en Diskretiseringsmetoder tid ved å innføre en nedre grense på tidsskalaen. Resultatet av Diskretiseringsmetoder av både stat og tid er tap av nevrofysiologiske informasjon om dynamisk samspill mellom tilstander av bevissthet2 og narkotika-indusert avbrudd av disse statene4. For eksempel ulike bedøvelse agenter opptre på ulike molekylære mål og nevrale nettverk. Farmakologisk manipulasjon av disse nevrale nettverk produserer pålitelig spektrogrammer unik for stoffet, dose, og rute for administrasjon4.
Den nåværende protokollen ble utviklet for å lette forskningen om mekanismene der opioider endrer søvn8, pusting9, Nociception10og Brain neurochemistry11. Denne protokollen beskriver fremgangsmåten som kreves for å opprette en multitapered-Spektrogram for EEG-analyser som kan fullføres ved hjelp av proprietær programvare eller et system som ikke har MATLAB-lisensiering. C57BL/6J (B6) mus ble brukt til å validere evnen til denne datamaskin-basert metode for å lage romanen EEG spektrogrammer under normale, uforstyrret tilstander av søvn og våkenhet og etter systemisk administrasjon av opiater. Påliteligheten og gyldigheten av analysene ble bekreftet av systematiske sammenligninger av forskjeller mellom EEG spektrogrammer etter B6 mus fikk intraperitoneal injeksjoner av saltvann (kjøretøy kontroll) og antinociceptive doser av morfin, buprenorfin, og fentanyl.
Kvantitative studier av nyfødte mus EEG dynamikk har translational relevans ved å tilby en modell for studier som tar sikte på å oppnå en bedre forståelse av nyfødt menneske EEG12. Kvantifisere EEG dynamikk er ikke bare beskrivende og kan bidra til maskinlæring tilnærminger som kan forutsi opphisselse basert delvis på EEG data13. Målet med denne rapporten er å fremme translational vitenskap ved å tilby en allment tilgjengelig, brukervennlig kode for databehandling multitaper spektrogrammer som karakteriserer narkotika-indusert endringer i musen EEG.
Programmet er beskrevet her ble utviklet for å lage en Spektrogram ved hjelp av ni trinn skissert i protokollen § 3, Spektrogram beregning. Disse trinnene innebærer å anskaffe Spektrogram programmet, sikre riktig filformat, og endre beregningsorientert parametere for generering av unike bruker spektrogrammer. Brukere kan opprette spektrogrammer som er skreddersydd til en rekke konseptuelle spørsmål og eksperimentelle design. For å forsterke den enkle og effektive av denne utviklingsprosessen, er det viktig å gi rå EEG data i riktig filformat, oppkalt etter de begrensningene som er beskrevet ovenfor. Selv om eksempel signaler har blitt gitt for mus EEG data, Spektrogram programmet er lett tilgjengelig for menneskelige og ikke-menneskelige EEG data som er fri for signalbehandling begrensninger.
Den anbefalte fremgangsmåten for feilsøking og metode endring er å begynne med å analysere et lite datasett. De store programmet utganger for å vurdere inkludere tomter av filtrert EEG samt Spektrogram. Et tiltalende aspekt av den koniske Spektrogram er at den kan brukes på en rekke periodiske, biologiske signaler. Variasjonen spenner fra lang varighet døgn (24 h) rytmer17 til svært raske rytmer som 1 000 Hz utladnings rater på en Renshaw celle18.
Data formatering er en begrensning i denne Spektrogram protokollen. European data format (EDF) er mye brukt med EEG data. Det finnes imidlertid mange andre formateringsalternativer. Av denne grunn har den rå kode filen blitt inkludert (se 3,2 ovenfor) i tilfelle brukeren ønsker å endre filformatet. Med hensyn til det ømt punkt program arkiv, en annen begrensningen er behovet for erfaring med det computer programmerer omgangsspråk for at endre filen formatter. Ikke alle undersøkere har tilgang til den proprietære programvaren og hele utvalget av plug-ins. Denne protokollen ble utviklet for å omgå dette problemet ved å tilby et kompilert program som kjører på en WINDOWS-basert enhet uten programvarelisensiering. Dette oppnås gjennom RUNTIME plugin som er inkludert i den kompilerte programmet og krever ikke noen programvareregistrering av brukeren.
Dette EEG Spektrogram rutine er en roman, åpen kildekode, datamaskin-basert program som lar brukerne lage personlige, multitaper spektrogrammer fra et bredt spekter av data. Brukeren har full kontroll over alle beregningsorientert aspekter ved Spektrogram generasjon. Uten tidligere signalbehandling og kunnskap om programmering, kan spektrogrammer være vanskelig å generere. Protokollen som beskrives her, vil forenkle Spektrogram generering. Vennligst se supplerende Material seksjonen for ytterligere signal behandlings avlesninger og multitaper Spektrogram veiledning.
Supplerende materiale
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.
Dette arbeidet støttes delvis av en NIH Grant HL-65272. Forfatterne takker Zachary T. Glovak og Clarence E. Locklear for deres bidrag til dette prosjektet.
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 |