Detta protokoll ger en öppen källkod, kompilerat MATLAB program som genererar multikona spektrogram för elektroencefalographic data.
Aktuella webbresurser ger begränsade, användarvänliga verktyg för att beräkna spektrogram för visualisering och kvantifiering av elektroencefalographic (EEG) data. Denna uppsats beskriver en Windows-baserad, öppen källkod för att skapa EEG multitaper spektrogram. Det kompilerade programmet är tillgängligt för Windows-användare utan program licensiering. För Macintosh-användare är programmet begränsat till de som har en MATLAB-programvarulicens. Programmet illustreras via EEG-spektrogram som varierar som en funktion av tillstånd av sömn och vakenhet, och opiat-inducerad förändringar i dessa stater. De EEGs av C57BL/6j möss spelades in trådlöst för 4 h efter intraperitoneal injektion av saltlösning (fordon kontroll) och och doser av morfin, buprenorfin, och fentanyl. Spektrogrammen visade att buprenorfin och morfin orsakade liknande förändringar i EEG-effekt vid 1 − 3 Hz och 8 − 9 Hz. spektrogram efter administrering av fentanyl visade maximal genomsnittlig effekt frekvens vid 3 Hz och 7 Hz. Spektrogrammen avslöjade differentiella opiateffekter på EEG-frekvens och effekt. Dessa datorbaserade metoder är generaliserbara i olika läkemedelsklasser och kan lätt modifieras för att kvantifiera och visa ett brett spektrum av rytmiska biologiska signaler.
EEG-data kan produktivt analyseras i frekvensområdet för att karakterisera nivåer av beteendemässig och neurofysiologisk upphetsning1. Multitaper-Spektrogrammen förvandlar EEG-vågformen till tids-och frekvensområden, vilket resulterar i visualisering av den dynamiska signal kraften vid olika frekvenser över tid. Multitaper-spektrogrammet använder Fourieranalys för att framställa spektraldensitetsskattningar. Spektraldensitet uppskattning separerar en vågform i den rena sinusformade vågor bestående av signalen och är analog med diffraktion av vitt ljus genom ett prisma för att se hela spektrumet av färger2. Multitaper-spektrogrammet av EEG representerar den kombinerade aktiviteten hos flera nätverk av nervceller med urladdnings mönster som oscillerar vid olika frekvenser2. På grund av dess tidsförskjutning invariant, Fourier Transform anses vara den bästa omvandlingen mellantid och frekvens domäner3. Fourieranalyser har också ett antal begränsningar. EEG-signaler är icke-stationära. Därför kan små förändringar inte uppfattas enligt Fouriermetoder och analysen kan ändras beroende på storleken på datamängden. Däremot används fönster vid applicering av en Fouriertransformering till en icke-stationär signal. Detta antar att spectrumen av signalera ändrar endast marginellt över kort perioder av tid. En alternativ metod för spektralanalys är wavelet Transform som kan vara lämpligare för att upptäcka hjärnsjukdom3.
Ur ett funktionellt perspektiv, de olika svängningar som består av en EEG-signal är lägre nivå, drag fenotyper karakteristiska för högre nivå, statliga fenotyper såsom sömn och vakenhet2, eller förlusten av vakenhet orsakad av narkos4,5,6. När det gäller tillstånd av sömn och vakenhet, visar spektrogrammet tydligt att endogent genererade rytmer av sömn är kontinuerliga och dynamiska7. Kvantitativa beskrivningar av tillstånd av sömn och vakenhet har traditionellt inneburit en binning process som tilldelar en sömn eller vakna klassificering till varje specifikt definierad epok (t. ex., 10 s) av EEG-inspelning. Dessa tillståndslager platser ritas sedan som en funktion av tiden. Tid kurs data tomter, ofta kallad hypnogram, används för att skilja normal sömn från sömn som störs av sjukdom, läkemedelsadministration, förändringar i dygnsrytm, skiftarbete, etc. En begränsning av hypnogramtomter är att de förvränger EEG-signaler genom att uttrycka upphetsning stater som kvadratiska vågformer. Hypnogram plottning innebär en diskretisering av upphetsning stater2 och inte tillåter en finkornig visning av mellanliggande eller övergångs stadier. Dessutom ger 10 s scoring epoker en diskret tid genom att införa en lägre gräns på tidsskalan. Resultatet av den diskretisering av både stat och tid är förlusten av neurofysiologisk information om det dynamiska samspelet mellan medvetandetillstånd2 och läkemedelsinducerad störning av dessa stater4. Till exempel, olika bedövningsmedel agera på olika molekylära mål och neurala nätverk. Farmakologisk manipulation av dessa neurala nätverk ger tillförlitligt spektrogram som är unika för läkemedlet, dosen och administreringsvägen4.
Detta protokoll utvecklades för att underlätta forskning om de mekanismer genom vilka opioider Alter Sleep8, andning9, nociception10, och hjärnans neurokemi11. Detta protokoll beskriver de steg som krävs för att skapa ett multikoniskt spektrogram för EEG-analyser som kan slutföras med proprietär programvara eller ett system som inte har MATLAB-licensiering. C57BL/6J (B6) möss användes för att validera förmågan hos denna datorbaserade metod att skapa nya EEG-spektrogram under normala, ostörda tillstånd av sömn och vakenhet och efter systemisk administrering av opiater. Analysernas tillförlitlighet och validitet bekräftades genom systematiska jämförelser av skillnader mellan EEG-Spektrogrammen efter att B6-möss fått intraperitoneala injektioner av saltlösning (fordonskontroll) och antinociceptiva doser av morfin, buprenorfin och fentanyl.
Kvantitativa studier av neonatal mus EEG-dynamik har translationell relevans genom att tillhandahålla en modell för studier som syftar till att uppnå en bättre förståelse av neonatal Human EEG12. Kvantifiering av EEG-dynamik är inte bara beskrivande och kan bidra till maskininlärningsmetoder som kan förutsäga upphetsning baserat delvis på EEG-data13. Målet med denna rapport är att främja translationell vetenskap genom att tillhandahålla en allmänt tillgänglig, användarvänlig kod för databehandling multikoner spektrogram som kännetecknar läkemedelsinducerade förändringar i mus EEG.
Programmet som beskrivs här utvecklades för att skapa en spektrogram med hjälp av de nio steg som beskrivs i protokoll sektion 3, Spektrogramberäkning. Dessa steg innebär att förvärva spektrogramprogrammet, säkerställa rätt filformat och förändra beräkningsparametrarna för generering av unika användarspektrogram. Användare kan skapa spektrogram som är skräddarsydda för en rad konceptuella frågor och experimentell design. För att öka enkelheten och effektiviteten i denna utvecklingsprocess, är det viktigt att ge rå EEG-data i rätt filformat, namngivna enligt de begränsningar som beskrivs ovan. Även om exempel signaler har tillhandahållits för mus EEG-data, är spektrogramprogrammet lätt att tillämpas på mänskliga och icke-mänskliga EEG-data som är fria från signalbehandlings begränsningar.
Den rekommenderade metoden för felsökning och metodändring är att börja med att analysera en liten datauppsättning. De stora program utgångar att överväga inkluderar tomter av den filtrerade EEG samt spektrogrammet. En tilltalande aspekt av det avsmalnande spektrogrammet är att den kan appliceras på en mängd olika periodiska, biologiska signaler. Sorten varierar från lång varaktighet dygns (24 h) rytmer17 till mycket snabba rytmer såsom 1 000 Hz utlopps hastigheter av en Renshaw cell18.
Dataformatering är ett villkor för detta spektrogramprotokoll. Europeiska dataformat (EUF) används ofta med EEG-data. Det finns dock många andra formateringsalternativ. Av denna anledning har RAW-kodfilen inkluderats (se 3,2 ovan) om användaren skulle vilja ändra filformatet. När det gäller RAW-programfilen, är en annan begränsning behovet av erfarenhet av datorprogrammering språk för att ändra filformatet. Inte alla utredare har tillgång till proprietär programvara och hela utbudet av plug-ins. Detta protokoll har utvecklats för att kringgå problemet genom att tillhandahålla ett kompilerat program som körs på en WINDOWS-baserad enhet utan programlicenser. Detta uppnås genom RUNTIME plugin som ingår i det kompilerade programmet och kräver inte någon programvara registrering av användaren.
Denna EEG-spektrogramrutin är en roman, öppen källkod, datorbaserat program som tillåter användare att skapa personaliserade, multikona-spektrogram från ett brett spektrum av data. Användaren har full kontroll över alla beräkningsmässiga aspekter av spektrogramgenerering. Utan tidigare signalbehandling och datorprogrammering kunskap, kan spektrogram vara svåra att generera. Det protokoll som beskrivs här kommer att underlätta spektrogramgenerering. Se kompletterande material avsnitt för ytterligare signalbehandling avläsningar och multitaper spektrogram vägledning.
Kompletterande material
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.
Detta arbete stöds delvis av ett NIH Grant HL-65272. Författarna tackar Zachary T. Glovak och Clarence E. Locklear för deras bidrag till detta projekt.
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 |