EEG 및 심혈관 신호를 공동으로 분석하기 위한 오픈 소스 EEGLAB 플러그인인 BrainBeats

요약

BrainBeats 도구 상자는 EEG 및 심혈관(ECG/PPG) 신호를 공동으로 분석하도록 설계된 오픈 소스 EEGLAB 플러그인입니다. 여기에는 HEP(Heartbeat-evoked Potentials) 평가, 기능 기반 분석 및 EEG 신호에서 심장 아티팩트 추출이 포함됩니다. 이 프로토콜은 두 개의 렌즈(HEP 및 기능)를 통해 뇌-심장 상호 작용을 연구하는 데 도움이 되어 재현성과 접근성을 향상시킵니다.

초록

뇌와 심혈관계 간의 상호 작용은 인체 생리학에 대한 이해를 높이고 건강 결과를 개선할 수 있는 잠재력으로 인해 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. 그러나 이러한 신호의 멀티모달 분석은 지침, 표준화된 신호 처리 및 통계 도구, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI), 대규모 데이터 세트를 처리하거나 재현성을 높이기 위한 자동화의 부재로 인해 까다롭습니다. 표준화된 EEG 및 심박변이도(HRV) 특징 추출 방법에는 또 다른 공백이 존재하여 임상 진단 또는 기계 학습(ML) 모델의 견고성을 훼손합니다. 이러한 제한 사항에 대응하여 BrainBeats 도구 상자를 소개합니다. 오픈 소스 EEGLAB 플러그인으로 구현된 BrainBeats는 세 가지 주요 프로토콜을 통합합니다: 1) 밀리초 정확도로 시간 고정 뇌-심장 상호 작용을 평가하기 위한 심장 박동 유발 전위(HEP) 및 진동(HEO); 2) 다양한 뇌 및 심장 지표 간의 연관성/차이를 조사하거나 강력한 특징 기반 ML 모델을 구축하기 위한 EEG 및 HRV 특징 추출; 3) EEG 분석을 수행하는 동안 잠재적인 심혈관 오염을 제거하기 위해 EEG 신호에서 심장 아티팩트를 자동으로 추출합니다. 이 세 가지 방법을 동시 64채널 EEG, ECG 및 PPG 신호를 포함하는 오픈 소스 데이터 세트에 적용하기 위한 단계별 자습서를 제공합니다. 사용자는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 또는 명령줄을 사용하여 고유한 연구 요구 사항에 맞게 매개변수를 쉽게 미세 조정할 수 있습니다. BrainBeats는 뇌와 심장의 상호 작용 연구에 더 쉽게 접근하고 재현할 수 있도록 해야 합니다.

서문

오랫동안 환원주의적 접근은 인간의 생리학과 인지에 대한 과학적 탐구를 지배해 왔다. 이 접근 방식에는 복잡한 신체 및 정신 과정을 더 작고 관리하기 쉬운 구성 요소로 해부하여 연구원들이 개별 시스템에 독립적으로 집중할 수 있도록 하는 것이 포함되었습니다. 이 전략은 인간의 몸과 마음의 복잡하고 상호 연결된 특성을 연구하는 데 어려움이 있었기 때문에 생겨났^{습니다 1}. 환원주의는 신경² 또는 심장³ 통신에 대한 이온 채널과 활동 전위의 역할을 설명하는 것과 같이 개별 하위 시스템을 고립되어 이해하는 데 중요한 역할을 했습니다. 그러나 이러한 고립된 시스템이 더 큰 공간적, 시간적 규모에서 어떻게 상호 작용하는지에 대한 우리의 이해에는 상당한 격차가 남아 있습니다. 다중(통합적 또는 생태적) 틀은 인체를 복잡한 다차원적 시스템으로 간주하며, 여기서 마음은 뇌의 산물이 아니라 생명체의 활동, 즉 인체의 일상 기능 내에서 뇌를 통합하는 활동으로 간주한다⁴. 멀티모달(multimodal)과 환원주의(reductionist) 접근법은 배타적이지 않은데, 이는 우리가 전체 뇌 없이 하나의 뉴런을 연구할 수 없고, 개별 뉴런의 특성을 이해....

프로토콜

각 참가자로부터 정보에 입각한 동의를 얻었고, 우랄 연방 대학 윤리 위원회는 실험 프로토콜을 승인했습니다.

1. BrainBeats 요구 사항

1. 컴퓨터에 MATLAB과 EEGLAB을 설치합니다. EEGLAB은 https://github.com/sccn/eeglab 에서 다운로드할 수 있으며 컴퓨터의 어느 곳에서나 압축을 풀거나 Git 사용자를 위해 복제할 수 있습니다. 설치에 대한 자세한 내용은 GitHub 페이지를 참조하십시오.
2. 경로 설정 버튼을 클릭하여 MATLAB의 홈 패널에 EEGLAB 폴더의 경로를 추가합니다. 압축을 푼 파일이 있는 eeglab 폴더를 선택하고 저장 > 닫기를 클릭합니다.
3. MATLAB의 명령 창에 eeglab 을 입력하여 EEGLAB을 시작합니다.
4. 파일 > EEGLAB 확장 관리를 클릭하여 BrainBeats 플러그인을 설치합니다. 검색 창에 brainbeats를 입력하고 목록에서 BrainBeats 플러그인을 선택한 다음 ....

토론

프로토콜의 중요한 단계
중요한 단계는 1.1-1.4단계에 설명되어 있습니다. 경고 및 오류 메시지는 사용자가 문제가 발생할 수 있는 이유(예: EEG 데이터에 로드되지 않은 전극 위치, 초저주파 HRV의 신뢰할 수 있는 측정값을 계산하기에 너무 짧은 파일 길이, 신뢰할 수 있는 분석을 위한 신호 품질이 너무 낮음 등)를 이해하는 데 도움이 되도록 툴박스의 다양한 위치에 구현됩니다. 각 기.......

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
EEGLAB	Swartz Center for Computational Neuroscience (SCCN)		Free/Open-source
MATLAB	The Mathworks, Inc.		Requires a license
Windows PC	Lenovo, Inc.