IntelliSleepScorer, חבילת תוכנה עם ממשק משתמש גרפי לעכברים ניקוד אוטומטי של שלב השינה

Summary

אנו מציגים חבילת תוכנה עם ממשק משתמש גרפי לחוקרים ללא ניסיון בקידוד כדי לדרג שלבי שינה בעכברים עם הורדה ותפעול פשוטים.

Abstract

ניקוד שלב השינה במכרסמים הוא תהליך זיהוי שלושת השלבים: שינה עם תנועות עיניים לא מהירות (NREM), שנת תנועות עיניים מהירות (REM) והתעוררות. ניקוד שלב השינה הוא חיוני לחקר מדדים והשפעות ספציפיים לשלב השינה.

דפוסי השינה במכרסמים שונים מאלה שבבני אדם, ומאופיינים באפיזודות קצרות יותר של NREM ו-REM המשולבות זו בזו על ידי ערות, והניקוד הידני המסורתי של שלבי השינה על ידי מומחים אנושיים גוזל זמן. כדי להתמודד עם בעיה זו, מחקרים קודמים השתמשו בגישות מבוססות למידת מכונה כדי לפתח אלגוריתמים לסיווג אוטומטי של שלבי שינה, אך מודלים בעלי ביצועים גבוהים עם יכולת הכללה רבה לרוב אינם זמינים לציבור / ללא עלות או ידידותיים למשתמש עבור חוקרי שינה שאינם מיומנים.

לכן, פיתחנו אלגוריתם LightGBM מבוסס למידת מכונה שאומן עם מערך נתונים גדול. כדי להפוך את המודל לזמין לחוקרי שינה ללא ניסיון בקידוד, פותח כלי תוכנה בשם IntelliSleepScorer (גרסה v1.2- הגרסה החדשה ביותר) המבוסס על המודל, הכולל ממשק משתמש גרפי קל לשימוש. בכתב יד זה, אנו מציגים הוראות שלב אחר שלב לשימוש בתוכנה כדי להדגים כלי ניקוד אוטומטי נוח ויעיל של שלב השינה בעכברים לחוקרי שינה.

Introduction

ניקוד שלב השינה במכרסמים הוא ההליך לזיהוי שלושת השלבים: שינה ללא תנועת עיניים מהירה (NREM), שנת תנועות עיניים מהירות (REM) והתעוררות². במכרסמים, NREM מאופיין בפעילות שרירים מופחתת, נשימה איטית וסדירה, ירידה בקצב הלב ותנודות בתדר נמוך של גלי המוח. REM במכרסמים, בדומה לבני אדם, מראה אטוניה של שרירים, הפעלת EEG ותנועות עיניים מהירות, אם כי המופע של חלימה חיה פחות ברור במכרסמים בהשוואה לבני אדם ^2,3. מצב ה"ערות" אצל מכרסמים מתאפיין בפעילות מוחית לא מסונכרנת עם גלים בתדירות גבוהה, באמפליטודה נמוכה, טונוס שרירים מוגבר והתנהגות פעילה, כגון טיפוח וחקירה

Protocol

מחקר זה השתמש בנתונים שנאספו מניסויי in vivo בעכברים. במחקר לא נערכו ניסויים בבני אדם. כל הניסויים בבעלי חיים אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים במכון ברוד. כל הניסויים בוצעו בהתאם להנחיות ולתקנות הרלוונטיות. הנחיות ARRIVE אינן ישימות למחקר זה מכיוון שהמוקד של מחקר זה הוא לפתח מודלים של למידת מכונה במקום להשוות בין קבוצות טיפול שונות.

1. הכנת נתונים

הערה: תאימות נתונים: הנתונים המוקלטים יכולים להיות בעלי קצב דגימה גבוה מ- 40 הרץ. אין צורך לסנן את האות מכיוון שהתוכנה מסננת את אותות ה- EEG וה- EMG בשלב הראשון. דגמי LightGBM פותחו ונבדקו באמ....

תוצאות

ישנן שלוש חלקות (רק העלילה העליונה אם ערכי SHAP לא הופעלו) שנוצרו בממשק המשתמש הגרפי לאחר ניקוד שלב השינה: העלילה העליונה מציגה ערוצי EEG ו- EMG עם היפנוגרמה של חיזוי שלב השינה. העלילה האמצעית מציגה ערכי SHAP של תקופה. התרשים התחתון מציג ערכי SHAP גלובליים (איור 1).

.......

Discussion

מאמר זה מציג כיצד להשתמש בממשק המשתמש הגרפי IntelliSleepScorer (v1.2) כדי לדרג באופן אוטומטי את שלבי השינה של עכברים וכיצד למנף ערכים/תרשימים של SHAP כדי להבין טוב יותר את ציוני שלב השינה שנוצרו על-ידי המודל.

שיקול חשוב בעת השימוש בתוכנה הוא תאימות נתונים. הנתונים הפנימ.......

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Canonical Unbuntu 18.04	Canonical	https://releases.ubuntu.com/18.04/	Supporting Operating System for the software IntelliSleep Scorer: Windows, Mac, or Linux
Intel Core i7-8550U CPU @ 1.80 GHz 1.99 GHz; RAM: 24 GB	Intel Corp	https://www.intel.com/content/www/us/en/products/details/processors/core-ultra.html	Hardware requirment for the software: Both Inte Core listed here have been used to process the data. It takes around 10 min to process 12 h of recording sampled at 1000 Hz for both hardwares. Any similar or superior hardware would yield comparable or better performance.
Intel Core i7-10610U CPU @1.80 GHz 2.30 GHz; RAM: 16 GB	Intel Corp	https://www.intel.com/content/www/us/en/products/details/processors/core-ultra.html	Hardware requirment for the software: Both Inte Core listed here have been used to process the data. It takes around 10 min to process 12 h of recording sampled at 1000 Hz for both hardwares. Any similar or superior hardware would yield comparable or better performance.
LightGBM	Microsoft	https://lightgbm.readthedocs.io/en/latest/index.html	Machine learning-based algorithm that was used to train the software.
MacBook Pro	Apple	https://www.apple.com/in/macbook-pro/	Supporting Operating System for the software IntelliSleep Scorer: Windows, Mac, or Linux
Windows	Microsoft	https://www.microsoft.com/en-in/windows/?r=1	Supporting Operating System for the software IntelliSleep Scorer: Windows, Mac, or Linux