Name: high-throughput analysis of optical mapping data using electromap
Uploaded: 2019-06-04T15:00:00
Duration: 7 min 36 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about High-Throughput Analysis of Optical Mapping Data Using ElectroMap at JoVE.com

Dette arbeidet ble finansiert av EPSRC studentship (sci-PHY-4-Health Centre for doktorgrads trening L016346) til DP, K.R. og L.F., Wellcome Trust Seed Award Grant (109604/Z/15/Z) til DP, British Heart Foundation Grants (PG/17/55/33087, RG/17/15/33106) til DP , EU (Grant avtalen ingen 633196 [CATCH ME] til P.K. og L.F.), British Heart Foundation (FS/13/43/30324 til P.K. og L.F.; PG/17/30/32961 til P.K. og A.H.), og Leducq Foundation til P.K.. JW støttes av British Heart Foundation (FS/16/35/31952).

<ol>
	<li>Efimov, I. R., Nikolski, V. P., Salama, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+Imaging+of+the+Heart.">Optical Imaging of the Heart.</a> Circulation Research. 94, 21-33 (2004).</li><li>Herron, T. J., Lee, P., Jalife, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+imaging+of+voltage+and+calcium+in+cardiac+cells+&amp;+tissues.">Optical imaging of voltage and calcium in cardiac cells &amp; tissues.</a> Circulation Research. 110, 609-623 (2012).</li><li>Boukens, B. J., Efimov, I. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+century+of+optocardiography.">A century of optocardiography.</a> IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 7, 115-125 (2014).</li><li>Myles, R. C., Wang, L., Kang, C., Bers, D. M., Ripplinger, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Local+&#946;-adrenergic+stimulation+overcomes+source-sink+mismatch+to+generate+focal+arrhythmia.">Local &#946;-adrenergic stimulation overcomes source-sink mismatch to generate focal arrhythmia.</a> Circulation Research. 110, 1454-1464 (2012).</li><li>Syeda, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PITX2+Modulates+Atrial+Membrane+Potential+and+the+Antiarrhythmic+Effects+of+Sodium-Channel+Blockers.">PITX2 Modulates Atrial Membrane Potential and the Antiarrhythmic Effects of Sodium-Channel Blockers.</a> Journal of the American College of Cardiology. 68, 1881-1894 (2016).</li><li>Winter, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sympathetic+nervous+regulation+of+cardiac+alternans+in+the+intact+heart.">Sympathetic nervous regulation of cardiac alternans in the intact heart.</a> Frontiers in Physiology. 9, 1-12 (2018).</li><li>Faggioni, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Suppression+of+spontaneous+ca+elevations+prevents+atrial+fibrillation+in+calsequestrin+2-null+hearts.">Suppression of spontaneous ca elevations prevents atrial fibrillation in calsequestrin 2-null hearts.</a> Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 7, 313-320 (2014).</li><li>Sato, P. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Loss+of+Plakophilin-2+Expression+Leads+to+Decreased+Sodium+Current+and+Slower+Conduction+Velocity+in+Cultured+Cardiac+Myocytes.">Loss of Plakophilin-2 Expression Leads to Decreased Sodium Current and Slower Conduction Velocity in Cultured Cardiac Myocytes.</a> Circulation Research. 105, 523-526 (2009).</li><li>Yu, T. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+mapping+design+for+murine+atrial+electrophysiology.">Optical mapping design for murine atrial electrophysiology.</a> Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering: Imaging &amp; Visualization. 5, 368-378 (2017).</li><li>Laughner, J. I., Ng, F. S., Sulkin, M. S., Arthur, R. M., Efimov, I. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Processing+and+analysis+of+cardiac+optical+mapping+data+obtained+with+potentiometric+dyes.">Processing and analysis of cardiac optical mapping data obtained with potentiometric dyes.</a> American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 303, H753-H765 (2012).</li><li>Crocini, C., Ferrantini, C., Pavone, F. S., Sacconi, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetics+gets+to+the+heart:+A+guiding+light+beyond+defibrillation.">Optogenetics gets to the heart: A guiding light beyond defibrillation.</a> Progress in Biophysics and Molecular Biology. 130, 132-139 (2017).</li><li>Entcheva, E., Bub, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=All-optical+control+of+cardiac+excitation:+Combined+high-resolution+optogenetic+actuation+and+optical+mapping.">All-optical control of cardiac excitation: Combined high-resolution optogenetic actuation and optical mapping.</a> The Journal of Physiology. 9, 2503-2510 (2016).</li><li>O&#8217;Shea, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ElectroMap:+High-throughput+open-source+software+for+analysis+and+mapping+of+cardiac+electrophysiology.">ElectroMap: High-throughput open-source software for analysis and mapping of cardiac electrophysiology.</a> Scientific Reports. 9, 1-13 (2019).</li><li>Yu, T. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+automated+system+using+spatial+oversampling+for+optical+mapping+in+murine+atria.+Development+and+validation+with+monophasic+and+transmembrane+action+potentials.">An automated system using spatial oversampling for optical mapping in murine atria. Development and validation with monophasic and transmembrane action potentials.</a> Progress in Biophysics and Molecular Biology. 115, 340-348 (2014).</li><li>Jaimes, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+response+of+the+isolated,+perfused+normoxic+heart+to+pyruvate+dehydrogenase+activation+by+dichloroacetate+and+pyruvate.">Functional response of the isolated, perfused normoxic heart to pyruvate dehydrogenase activation by dichloroacetate and pyruvate.</a> Pflugers Archiv. 468, 131-142 (2016).</li><li>Wang, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cardiac+tissue+slices:+preparation,+handling,+and+successful+optical+mapping.">Cardiac tissue slices: preparation, handling, and successful optical mapping.</a> American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 308, H1112-H1125 (2015).</li><li>Parrish, D. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transient+denervation+of+viable+myocardium+after+myocardial+infarction+does+not+alter+arrhythmia+susceptibility.">Transient denervation of viable myocardium after myocardial infarction does not alter arrhythmia susceptibility.</a> American Journal of Physiology. Heart and Circulatory. , (2017).</li><li>Ihara, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrophysiological+Assessment+of+Murine+Atria+with+High-Resolution+Optical+Mapping.">Electrophysiological Assessment of Murine Atria with High-Resolution Optical Mapping.</a> Journal of Visualized Experiments. (132), e56478 (2018).</li><li>Holmes, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Regional+Reduction+in+Ito+and+IKACh+in+the+Murine+Posterior+Left+Atrial+Myocardium+Is+Associated+with+Action+Potential+Prolongation+and+Increased+Ectopic+Activity.">A Regional Reduction in Ito and IKACh in the Murine Posterior Left Atrial Myocardium Is Associated with Action Potential Prolongation and Increased Ectopic Activity.</a> Plos One. 11, e0154077 (2016).</li><li>Lang, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Arrhythmogenic+remodeling+of+&#946;&lt;inf&gt;2&lt;/inf&gt;+versus+&#946;&lt;inf&gt;1&lt;/inf&gt;+adrenergic+signaling+in+the+human+failing+heart.">Arrhythmogenic remodeling of &#946;&lt;inf&gt;2&lt;/inf&gt; versus &#946;&lt;inf&gt;1&lt;/inf&gt; adrenergic signaling in the human failing heart.</a> Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 8, 409-419 (2015).</li><li>Kang, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+Organotypic+Cultured+Cardiac+Slices:+New+Platform+For+High+Throughput+Preclinical+Human+Trials.">Human Organotypic Cultured Cardiac Slices: New Platform For High Throughput Preclinical Human Trials.</a> Scientific Reports. 6, 1-13 (2016).</li><li>Wen, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transverse+cardiac+slicing+and+optical+imaging+for+analysis+of+transmural+gradients+in+membrane+potential+and+Ca2++transients+in+murine+heart.">Transverse cardiac slicing and optical imaging for analysis of transmural gradients in membrane potential and Ca2+ transients in murine heart.</a> The Journal of Physiology. 596, 3951-3965 (2018).</li><li>Houston, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterisation+of+re-entrant+circuit+(or+rotational+activity)+in+vitro+using+the+HL1-6+myocyte+cell+line.">Characterisation of re-entrant circuit (or rotational activity) in vitro using the HL1-6 myocyte cell line.</a> Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 119, 155-164 (2018).</li><li>Yu, T. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+mapping+design+for+murine+atrial+electrophysiology.">Optical mapping design for murine atrial electrophysiology.</a> Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering: Imaging and Visualization. 5, 368-376 (2017).</li><li>Laughner, J. I., Ng, F. S., Sulkin, M. S., Arthur, R. M., Efimov, I. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Processing+and+analysis+of+cardiac+optical+mapping+data+obtained+with+potentiometric+dyes.">Processing and analysis of cardiac optical mapping data obtained with potentiometric dyes.</a> AJP: Heart and Circulatory Physiology. 303, H753-H765 (2012).</li><li>Bayly, P. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estimation+of+Conduction+Velocity+Vector+Fields+from+Epicardial+Mapping+Data.">Estimation of Conduction Velocity Vector Fields from Epicardial Mapping Data.</a> IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering. 45, 563-571 (1998).</li><li>Jaimes, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+technical+review+of+optical+mapping+of+intracellular+calcium+within+myocardial+tissue.">A technical review of optical mapping of intracellular calcium within myocardial tissue.</a> American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 310, H1388-H1401 (2016).</li><li>Wang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+mapping+of+sarcoplasmic+reticulum+Ca2++in+the+intact+heart:+Ryanodine+receptor+refractoriness+during+alternans+and+fibrillation.">Optical mapping of sarcoplasmic reticulum Ca2+ in the intact heart: Ryanodine receptor refractoriness during alternans and fibrillation.</a> Circulation Research. 114, 1410-1421 (2014).</li><li>Winter, J., Shattock, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geometrical+considerations+in+cardiac+electrophysiology+and+arrhythmogenesis.">Geometrical considerations in cardiac electrophysiology and arrhythmogenesis.</a> Europace. , (2016).</li><li>Mironov, S., Jalife, J., Tolkacheva, E. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+conduction+velocity+restitution+and+short-term+memory+in+the+development+of+action+potential+duration+alternans+in+isolated+rabbit+hearts.">Role of conduction velocity restitution and short-term memory in the development of action potential duration alternans in isolated rabbit hearts.</a> Circulation. 118, 17-25 (2008).</li><li>Khwaounjoo, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Image-Based+Motion+Correction+for+Optical+Mapping+of+Cardiac+Electrical+Activity.">Image-Based Motion Correction for Optical Mapping of Cardiac Electrical Activity.</a> Annals of Biomedical Engineering. 43, 1235-1246 (2014).</li><li>Christoph, J., Luther, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Marker-Free+Tracking+for+Motion+Artifact+Compensation+and+Deformation+Measurements+in+Optical+Mapping+Videos+of+Contracting+Hearts.">Marker-Free Tracking for Motion Artifact Compensation and Deformation Measurements in Optical Mapping Videos of Contracting Hearts.</a> Frontiers in Physiology. 9, (2018).</li><li>Umapathy, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase+Mapping+of+Cardiac+Fibrillation.">Phase Mapping of Cardiac Fibrillation.</a> Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 3, 105-114 (2010).</li><li>Tomii, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+Algorithm+of+Phase+Singularity+Using+Phase+Variance+Analysis+for+Epicardial+Optical+Mapping+Data.">Detection Algorithm of Phase Singularity Using Phase Variance Analysis for Epicardial Optical Mapping Data.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 63, 1795-1803 (2016).</li><li>Cantwell, C. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Techniques+for+automated+local+activation+time+annotation+and+conduction+velocity+estimation+in+cardiac+mapping.">Techniques for automated local activation time annotation and conduction velocity estimation in cardiac mapping.</a> Computers in Biology and Medicine. 65, (2015).</li></ol>

P.K. mottar forsknings støtte fra flere legemiddel-og enhets selskaper som er aktive i atrieflimmer og har mottatt honoraria fra flere slike selskaper. L.F. har mottatt institusjonelle forsknings tilskudd EU, BHF, MRC, DFG og Gilead. P.K. og L.F. er oppført som oppfinnere på to patenter holdt av University of Birmingham (atrieflimmer Therapy WO 2015140571, markører for atrieflimmer-2016012783).

Alle andre forfattere erklærer ingen potensiell interessekonflikt.

Her presenterer vi en steg-for-steg guide for utnyttelse av åpen kildekode-programvare ElectroMap for fleksibel og multi variabel analyse av CARDIAC optisk kartlegging datasett. For vellykket bruk av ElectroMap, er bildedata nødvendig å være i. tif eller. MAT-formater. ElectroMap inkorporerer flere brukerinnstillinger som kunne endres. Som demonstrert i figur 2a, er dette nødvendig på grunn av den brede heterogenitet som eksisterer mellom eksperimentelle modeller og bilde maskinvare. Dette betyr imidlertid at standardinnstillingene i programvaren vil ikke alltid være optimalt, så et kritisk skritt i å bruke programvaren er for brukeren å tune innstillinger for deres spesielle eksperimentelle oppsett. Disse inkluderer kamerainnstillinger og tidsrammer, som vist i figur 2b. Når optimale innstillinger er funnet, kan disse lagres og lastes på nytt på senere tidspunkt ved å velge konfigurasjonsfil.
Innlemmelse av automatisert CL måling og signal segmentering er viktige fordeler av programvaren. Disse funksjonene tillater analyse av akutte reaksjoner i eksperimentelle opptak og utvide analysen fra å fokusere på isolerte enkelt rytmer. Når ønsket segmentering er oppnådd, tillater enkelt filanalyse modulen automatisert analyse av hvert enkelt segment (inkludert enkelt beats), og innser høy gjennomstrømming analyse av flere variabler over innspillingen produseres i en enkelt. CSV-fil. I forbindelse, ensemble snitt av grupperte topper er en effektiv metode for å forbedre kvaliteten på støyende signaler som automatisk utføres i ElectroMap. Imidlertid er ensemble snitt ikke overalt fordelaktig, for eksempel i studier av Beat-to-beat variasjon. Derfor integrerer ElectroMap enkelt beat segmentering for å unngå ensemble snitt, alternativ behandling alternativer for å forbedre SNR (romlig og Temporal filtrering) og inkluderer alternans analyse modul for å videre undersøke og kart Beat-to-beat variasjon.
Datasett med optisk tilordning viser ofte artefakter som grunnlinje drift og bevegelses artefakter. Like, signalene som genereres kan være lav kvalitet på grunn av små piksel størrelser, korte eksponeringstider og lav brøk fluorescerende endringer2. Disse faktorene forhindrer effektiv og nøyaktig analyse av den underliggende EP-atferden. Som skissert, ElectroMap har flere behandling strategier for å overvinne disse problemene. Men anvendelsen av disse algoritmene til fundamentalt dårlig kvalitet/forvrengte data vil fortsatt hindre effektiv analyse. SNR er derfor en av parametrene som måles og vises i ElectroMap. Samtidig kan brukeren velge og sammenligne signalene fra bestemte regioner fra prøven ved hjelp av pixel info og Sammenlign moduler, slik at identifisering av fenomener som bevegelse artefakter vist i figur 5, og hensiktsmessig utelukkelse av data.
I dag støtter ikke ElectroMap fjerning av bevegelses artefakter fra rådata på samme måte som grunnlinje korrigering. Derfor er en mulig fremtidig utvikling av programvaren inkludering av bevegelse gjenstand fjerning av beregningsorientert metoder som er rapportert31,32. Videre er ElectroMap for tiden begrenset til å studere ett optisk signal. Men for ratiometrisk fargestoffer og samtidig bruk av spenning og kalsium fargestoffer27, samtidig behandling av to bølgelengde kanaler er nødvendig. Integreringen av dual signal analyse er derfor en viktig fremtidig tillegg til programvaren. Utvidelse av analyse alternativer som gjelder for arrhythmic datasett, for eksempel fase singularitet sporing, vil like utvide omfanget av programvaren33,34. Til slutt kan flere av analysealternativene som beskrives, også være nyttige i analyse av elektrode tilordningsdata. Faktisk har ElectroMap blitt brukt til å analysere elektrode kartlegging data til tross for kontrasterende electrogram bølgeform20,35, og videre optimalisering vil utvide bruken for denne modalitet.

Optisk kartlegging utnytter fluorescerende journalister av spenning og/eller kalsium konsentrasjon å forhøre CARDIAC elektrofysiologi (EP) og kalsium håndtering i flercellede preparater, med større romlig oppløsning enn oppnåelig med tradisjonelle teknikker1,2,3. Derfor har optisk kartlegging dukket opp som en viktig og stadig mer benyttet teknikk, gir viktig innsikt i fysiologiske og patofysiologiske elektrisk atferd i hjertet3,4,5 ,6,7,8. Effektiv prosessering og analyse av data innhentet fra optiske kartlegging eksperimenter er komplisert av flere faktorer. Den høye spatiotemporal oppløsning natur optisk kartlegging datasett resulterer i rå videofiler sammensatt av tusenvis av bilderammer, som hver består av en rekke individuelle piksler, noe som gir opphav til store datafiler som nødvendig høy gjennomstrømming og automatisert behandling9. Små piksel størrelser, dårlig og ujevn fargestoff lasting og små brøk endringer i fluorescens resulterer i optiske signaler med lavt signal til støyforhold (SNR), som krever pre-prosessering før effektiv analyse er oppnåelig10. Prosessering og analyse kan bli ytterligere komplisert ved bruk av optogenetic pacing protokoller som utnytter lys til å starte aktivering, potensielt forvrenger innspilt signal fra fluorescerende sensorer11,12. Videre, når data er behandlet, flere ikke-konsekvente teknikker og definisjoner kan brukes til å måle parametre av interesse, med de mest aktuelle teknikkene varierer avhengig av eksperimentell oppsett, modell og spørsmål2, 10,13. Disse begrensningene hindrer ytterligere opptak av teknologien og hindrer virkelig objektiv analyse.
For å overkomme disse begrensningene har flere forskningsgrupper utviklet egendefinerte prosesserings rørledninger som er skreddersydd mot deres eksperimentelle modell, spørsmål og hardware7,14,15,16. Andre utnytter kommersiell proprietær programvare der de underliggende algoritmene kan være vanskelig å få tilgang til4,17. Som et resultat, er det et klart behov for en fritt tilgjengelig åpen kildekode programvareplattform for prosessering og analyse av optiske kartlegging data. Det er viktig at denne programvaren er åpen kildekode, enkel å bruke, fleksibel til parameter justering, som gjelder for en rekke eksperimentelle modeller med distinkte EP egenskaper og avgjørende gir enkel og tunable kvantifisering av spekteret av CARDIAC parametere som kan bli studert ved hjelp av optisk kartlegging.
Vi har nylig publisert og gitt ut en omfattende programvareplattform, ElectroMap, for høy-hele, semi-automatisert prosessering, analyse og kartlegging av CARDIAC optisk kartlegging datasett13. Her presenterer vi en video manual for utnyttelse av ElectroMap og demonstrere hvordan den kan brukes til å behandle, analysere og kartlegge flere optiske kartlegging datasett. Vi fokuserer på bruk av ElectroMap å kvantifisere standard EP og kalsium håndtering variabler og demonstrere bruk av frittstående Lednings hastighet, enkelt filanalyse og alternans moduler.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>MATLAB and Simulink R2018a</td>
			<td>Mathworks, Inc, Natick, MA</td>
			<td></td>
			<td>MATLAB software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high-throughput analysis of optical mapping data using electromap

Optisk kartlegging er en etablert teknikk for høy spatio-Temporal oppløsning studie av CARDIAC elektrofysiologi i multi-cellulære preparater. Her presenterer vi, i en steg-for-steg guide, bruk av ElectroMap for analyse, kvantifisering, og kartlegging av høyoppløselig spenning og kalsium datasett ervervet ved optisk kartlegging. ElectroMap analyse alternativer dekker en rekke viktige elektrofysiologisk parametre, og det grafiske brukergrensesnittet tillater enkel modifisering av forhånds prosessering og parameterdefinisjoner, noe som gjør ElectroMap gjeldende for et bredt spekter av eksperimentelle modeller. Vi viser hvordan innebygd frekvens deteksjon og signal segmentering gir høy gjennomstrømming, analyse av hele eksperimentelle innspillinger, akutte svar og enkelt Beat-to-beat-variasjoner. I tillegg inkorporerer ElectroMap automatiserte multi-beat gjennomsnitt for å forbedre signalkvaliteten på støyende datasett, og her viser vi hvordan denne funksjonen kan hjelpe belyse elektrofysiologisk endringer som ellers ville gå ubemerket når du bruker enkelt Beat analyse. Egendefinerte moduler er inkludert i programvaren for detaljert undersøkelse av ledning, enkelt filanalyse, og alternans, som vist her. Denne programvareplattformen kan brukes til å aktivere og akselerere behandling, analyse og kartlegging av komplekse CARDIAC elektrofysiologi.

Alt arbeid utført som en del av denne studien ble foretatt i samsvar med etiske retningslinjer fastsatt av UK Animals (vitenskapelige prosedyrer) Act 1986 og direktiv 2010/63/EU i Europaparlamentet om beskyttelse av dyr som brukes til vitenskapelige formål. Eksperimenter ble godkjent av hjemmekontor (mus: PPL 30/2967 og PFDAAF77F, Guinea Gris: PPL PF75E5F7F) og den institusjonelle gjennomgang styrene ved University of Birmingham (mus) og King ' s College London (marsvin). Du finner detaljerte metoder for innsamling av rådata som er analysert her, i våre tidligere publikasjoner5,6,14,19.
Det viktigste grensesnittet som ElectroMap styres fra, vises i figur 1a. De nødvendige trinnene for å analysere et datasett styres hovedsakelig av Last inn bilder, behandle bilderog lage kart -knapper, og vises uthevet i grønn, blå og rød, henholdsvis i figur 1a. Figur 1B-D viser operasjonene som forekommer ved valg av hver av disse knappene. Last inn bilder bruker bilde terskelverdi alternativene som er valgt av brukeren (figur 1B), mens Prosessbilder (figur 1C) bruker filtrering og Baseline korreksjon. Til slutt, produsere Maps vil første gjennomsnittlige data i henhold til tidsvinduet og segmentering innstillinger (med mindre single beat segmentering er valgt) og deretter utføre analyser beskrevet ovenfor.
Et viktig aspekt ved ElectroMap er fleksibiliteten med hensyn til kameratype og eksperimentell modell. Dette er avgjørende for nytten av en optisk kartlegging programvare på grunn av den distinkte CARDIAC EP og Anatomiske egenskaper som finnes mellom brukte modeller. Figur 2a for eksempel viser handlingen potensielle morfologi av murine Atria i forhold til Guinea Pig ventrikkel, innspilt ved hjelp av spennings følsomme fargestoffer som tidligere rapportert6,14. Til tross for den distinkte formen av handlingen potensial, og bruk av to separate optiske kartlegging kameraer med ulike framerates og piksel størrelser, kan ElectroMap utnyttes til å analysere begge datasettene. Dette krever imidlertid endring av noen parametere i brukergrensesnittet (figur 2b). Note det det langvarig guinea gris aksjonen muligheter nødvendiggjør en større tid vindu. I tillegg, for å hindre Top-hat Baseline korreksjon unphysiologically endre optisk innspilte signaler, må lengden økes slik at den er større enn den tiden løpet av handlingen potensial.
ElectroMap tilbyr en rekke behandlingsalternativer for å bidra til å forbedre SNR av optisk innspilte signaler som kan være nødvendig for å effektivt gjenopprette EP parametere. Et eksempel er automatisert ensemble snitt av topper følgende data segmentering. Figur 3a-C demonstrerer hvordan anvendelsen av Ensemble snitt, i stedet for andre metoder, kan forbedre SNR fra isolerte murine venstre Atria (n = 13). Dette reduserer målings heterogenitet og sannsynligheten for analyse svikt (figur 3D). For eksempel, en endring av pacing frekvens fra 3 Hz til 10 Hz ikke endre APD50, når ingen ensemble snitt er foretatt, men en forventet29 reduksjon i APD50 ved 10 Hz pacing ble observert når målt fra ensemble gjennomsnitt data ( Figur 3E).
Figur 4 demonstrerer effekten og nytten av automatisert tempo frekvens deteksjon og segmentering som tilbys av ElectroMap. Her musen venstre Atria (n = 5) var tempoet på en 120 MS syklus lengde og syklus lengden ble trinnvis forkortet med 10 MS til den nådde 50 MS. ElectroMap automatisk identifisert pacing syklus lengden og gruppert vev gjennomsnitt topper tilsvarende (figur 4a ). Dette ble oppnådd med høy nøyaktighet i alle datasett (figur 4b). Automatisert segmentering av data tillot enkel og høy gjennomstrømming analyse av bremse av Lednings hastighet med økt pacing frekvens/forkortet syklus lengde (figur 4c, D). Samtidig forkortes APD50 (figur 4e) og diastolisk intervall (figur 4f). Amplitude av optisk målte topper redusert, mens tiden til peak økt (figur 4G, H). Dette er igjen forventet restitusjon svar i CARDIAC vev29,30 og bruk av ElectroMap kan hjelpe derfor belyse endringer som svar på pacing frekvens i nærvær av farmakologiske midler, genetisk modifisering, eller sykdomstilstander.
En viktig faktor i bruken av en programvare som ElectroMap er tilstedeværelsen av artefakter i de underliggende dataene. Figur 5, for eksempel viser at bevegelse gjenstander (forvrengningen av optisk innspilt signal ved vev bevegelse) kan utelukke nøyaktige målinger av aktivisering og spesielt repolarisasjon innen ElectroMap. Se diskusjon for ytterligere hensyn.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig1.jpg"> Figur 1: ElectroMap viktigste behandlingstrinn. (A) grafisk brukergrensesnitt for ElectroMap, med Last images (grønn), Prosessbilder (blå), og produserer kart (rød) knappene uthevet. (B) bilde terskelverdi alternativer som kan brukes ved valg av Last bilder. (C) signal behandlingsalternativer som er tilgjengelige for brukeren, inkluderer romlig og timelig filtrering og korrigering av grunnlinje og kan brukes på bildes takken ved å trykke på Prosessbilder. (D) ensemble snitt og parameter kvantifisering (vist APD måling) som aktiveres ved å velge produsere kart. Figur tilpasset fra O ' Shea et al., 201913. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig1large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig2.jpg"> Figur 2: analyse av mus og marsvin data ved hjelp ElectroMap. (A) optisk registrert handling potensial fra mus Atria og marsvin ventriklene, sammen med både den første (DF/dt) og andre (d2f/dt2) derivat av disse signalene. Det forskjellige definisjoner for aktivisering og repolarisasjon timene arbeidsføre innen ElectroMap er fremhevet. (B) skjermbilder av innstillinger for bilde-og signalbehandling benyttet i ElectroMaps-grensesnittet. Rød boksene høydepunkt innfatningene det krevde modifisering imellom analyser av musen og Guinea Gris data. Figur tilpasset fra O ' Shea et al., 201913. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig2large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig3.jpg"> Figur 3: ensemble snitt for å løse APD endringer. (A) APD50 kart og eksempel én piksel signal fra enkelt beat optiske handling potensialer. (B) APD50 Map og eksempel enkelt piksel signal fra optisk handling potensialer generert av Ensemble snitt av 10 påfølgende beats (peak metode). (C) SNR av single beat sammenlignet med 10 beat gjennomsnitt signaler. (D) APD50 heterogenitet (i) og antall måle svikt (II) som en funksjon av SNR for single beat og 10 beat gjennomsnitt APD50 kart. (E) APD50 på 3 og 10 Hz pacing frekvens, målt fra enkelt takt og 10 beat kart. (Data vist som gjennomsnittet ± standard feil, n = 13 venstre Atria, * * * *p < 0,001 av studentens sammenkoblede t-test). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig3large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig4.jpg"> Figur 4: bruk av ElectroMap til å studere pacing frekvens responser i CARDIAC vev. (A) eksempel ElectroMap skjermbilde av pacing frekvens anerkjennelse og segmentering. (B) sammenligning av kjente og ElectroMap målte Fremdrifts syklus lengder. (C) aktiverings kart på 120 ms og 60 MS tempo syklus lengder. (D-H) Grupperte data for Lednings hastighet (D), APD50 (E), diastolisk intervall (F), amplitude (G) og tid til topp (H) som en funksjon i tempo syklus lengde som avtar fra 120 MS til 60 MS i trinn på 10 MS. (Data vist som gjennomsnittet ± standard feil, n = 5 venstre Atria) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig4large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig5.jpg"> Figur 5: effekt av bevegelses artefakter. (A) APD50 Map. (B) aktiverings kart. (C) eksempel signaler fra steder merket (krysser) på APD og aktiverings kart. I området av vevet merket med det røde korset, sammentrekning har ikke blitt vellykket lokomotivet, forvrenger den målte optiske signalet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig5large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>

Watch this Scientific Journal Video about High-Throughput Analysis of Optical Mapping Data Using ElectroMap at JoVE.com

High-Throughput Analysis of Optical Mapping Data Using ElectroMap

Denne protokollen beskriver oppsett og bruk av ElectroMap, en MATLAB-basert åpen kildekode programvareplattform for analyse av CARDIAC optiske kartlegging data. ElectroMap gir en allsidig høy-produksjon verktøyet for analyse av optisk kartlegger Voltage og kalsium datasett vannrett en rikt utvalg av CARDIAC eksperimentelle modeller.

Høy gjennomstrømming analyse av optisk kartlegging data ved hjelp ElectroMap

Optical mapping is an established technique for high spatio-temporal resolution study of cardiac electrophysiology in multi-cellular preparations. Here we ...

Bruken av multi-array og optisk kartlegging teknologier i hjerteforskning er i utvikling. Men det som for tiden mangler er robust, høy gjennomstrømning opensource programvare for analyse av elektrofysiologi data. Dette er grunnen til at vi har utviklet ny programvare kalt ElectroMap for å hjelpe forskere med deres analyse.ElectroMap inneholder nye og etablerte metoder for å analysere hjertekartdata som kan anskaffes fra alle arter ved hjelp av flere forskjellige kameraer, flere forskjellige fluorescerende fargestoffer og forskjellige oppkjøpsmodaliteter, inkludert optisk kartlegging og multielektrodearraysystemer. I tillegg til å måle standard AP-parametere som mulig handlingsvarighet, konduktiv analyse og morfologi, muliggjør ElectroMap analyse og kvantifisere aktivitet. Begynn med å laste ned alle filer fra den nyeste kildekodeutgivelsen av ElectroMap fra GitHub-repositoriet.Pakk ut det nedlastede innholdet til ønsket sted. Åpne MATLAB og naviger til mappeplasseringen som er vert for ElectroMap-kildekoden. Åpne deretter filen elektrokart.m og trykk kjør i redigeringsprogrammet for å starte ElectroMap-brukergrensesnittet. Deretter laster du inn bildet, trykker du på velg mappe og navigerer til plasseringen av datafilen eller filene som skal analyseres. Velg filen som skal lastes inn fra grensesnittet, og trykk last inn bilder.Når den er lastet inn, vises den første rammen, og en rød disposisjon vil indikere automatisk tersklering av bildet. Hvis ønskelig, kan du endre dette til en terskel basert på signaltidskursalituden ved å endre alternativet i rullegardinmenyen for terskel for terskel. Vær oppmerksom på at når terskelen er valgt, brukes den deretter for hele bildestakken.Hvis du vil, endrer du terskelalternativet til manuell som aktiverer glidebryteren for å justere bildeterskelen manuelt. I tillegg velger du det egendefinerte interesseområdet for analyse ved å velge de aktuelle avmerkingsboksene under terskelalternativene. Vær oppmerksom på at avanserte alternativer for område av interessevalg, for eksempel antall områder, er tilgjengelige fra avkastningsvalg fra toppmenyen.Når en passende terskel er brukt, trykker du på behandlende bilder for å bruke behandling. På dette tidspunktet må du kontrollere at de riktige kamerainnstillingene er angitt for bildefrekvens og kilohertz- og pikselstørrelse i mikrometer og signalbehandlingsalternativer, for eksempel vindustidsramme, romlig og temporal filtrering. Etter at filen er behandlet, inspiser toppene i vevsgjennomsnittsignalet merket av røde sirkler.Segmenter signalet basert på oppdagede topper. Trykk på segmentsignalet. Hvis ønskelig, bruk tilpasset segmentering av signalet ved å zoome inn på tidspunktet for interesse og velge segmentsignal.Etter at bildene er behandlet, blir knappen for produksjonskart aktiv. Trykk på produsere kart for å bruke handling potensiell varighet, aktiveringstid, ledningshastighet, og signal til støy ratio analyse. Velg de ønskede segmentene fra listeboksen for å bruke analysen på hver av dem.Deretter velger du få pikselinformasjon for å se en detaljert visning av signalet fra en hvilken som helst piksel i bildet, og sammenligner piksler med samtidig plottesignaler fra opptil seks steder. For å få tilgang til mer detaljert analyse av ledningshastighet, trykkledning. Trykk deretter på én vektor for å analysere ledning ved hjelp av den enkle vektormetoden der graderingsvektoren beregnes ut fra forsinkelsesaktiveringstiden mellom to punkter.Til slutt trykker du på lokal vektor for å bruke multivektormetoden med innstillingene som samsvarer med de fra hovedgrensesnittet. Trykk aktiveringskurve for å plotte prosentandelen av vev aktivert som en funksjon av tid. Hvis du vil kvantifisere andre parametere ved hjelp av ElectroMap, velger du en av de andre ønskede analysene fra rullegardinmenyen over visningskartet.Trykk enkelt filanalyse for å åpne en dedikert modul for varighet og ledningsanalyse av hvert identifiserte segment i en fil. Utfør analysen på hele bildet eller på utvalgte områder eller interessepunkter. Hvis du vil eksportere data fra ElectroMap, trykker du eksportverdier for å lagre verdiene for kartet som vises for øyeblikket, i hovedbrukergrensesnittet.Trykk deretter på eksportkart for å få opp en popup som inneholder det viste kartet som deretter kan lagres i en rekke bildeformater. Hvis du vil, legger du til en fargelinje ved å velge fargelinjeikonet. Angi skalaen ved å velge rediger og deretter fargekart.Til slutt trykker du aktiveringsvideo for å gjengi en animasjon av aktiveringssekvensen som kan lagres som en animert GIF-fil. Dette viser handlingen potensiellmorfologi av murine atria sammenlignet med marsvin ventrikkel registrert ved hjelp av spenningsfølsomme fargestoffer som tidligere rapportert. Til tross for den distinkte formen på handlingspotensialet og bruken av to separate optiske kartkameraer med forskjellige bildefrekvenser og pikselstørrelser, kan ElectroMap brukes til å analysere begge datasettene ved å velge de riktige parametrene.Anvendelsen av ensemble snitt i stedet for andre metoder kan forbedre SNR fra isolert murine venstre atria. En endring av tempofrekvensen fra tre hertz til 10 hertz endret ikke APD når ingen ensemblegjennomsnitt er gjennomført, men en forventet nedgang i APD ved 10 hertz pacing ble observert målt fra ensemble gjennomsnittlig data. Videre, musen igjen atria ble tempoet på en 120 millisekund syklus lengde og syklus lengde ble gradvis forkortet med 10 millisekunder før den nådde 50 millisekunder.ElectroMap identifiserer automatisk tempoet syklus lengde og gruppevev gjennomsnittlig topper tilsvarende. APD og diastolisk intervall forkortet. Amplituden til de optisk målte toppene gikk ned mens tiden til toppen økte.Denne protokollen viser hvordan du kan installere og konfigurere innstillingene i ElectroMap for raskt å analysere mulig varighet, ledningshastighet, topp-til-topp-variasjon, og også hvordan du kan ensemble gjennomsnittet for å forbedre signal-til-støy-forholdet. Vi håper at utgivelsen av denne fritt tilgjengelige programvaren vil hjelpe forskere med deres analysebehov og føre til noen store funn i hjerteforskning. Vi vil fortsette å bygge alle algoritmer vi har utviklet, og vi oppfordrer andre til å hjelpe oss med å utvide ElectroMap-funksjonene ytterligere.

Research

JoVE Journal

Medicine

High-Resolution Endocardial and Epicardial Optical Mapping in a Sheep Model of Stretch-Induced Atrial Fibrillation

 Atrial fibrillation (AF) is a complex cardiac arrhythmia with high morbidity and mortality.1,2 It is the most common sustained cardiac rhythm disturbance ...

Mouse Eye Enucleation for Remote High-throughput Phenotyping

The mouse eye is an important genetic model for the translational study of human ophthalmic disease. Blinding diseases in humans, such as macular ...

Heterogeneity Mapping of Protein Expression in Tumors using Quantitative Immunofluorescence

Heterogenitet Kartlegging av Protein Expression i Svulster med Kvantitative immunfluorescens

Morphologic heterogeneity within an individual tumor is well-recognized by histopathologists in surgical practice. While this often takes the form of ...

High Throughput Sequential ELISA for Validation of Biomarkers of Acute Graft-Versus-Host Disease

Høy gjennomstrømning Sekvensiell ELISA for validering av biomarkører for akutt transplantat-mot-vert-sykdom

Unbiased discovery proteomics strategies have  the potential to identify large numbers of novel biomarkers that can improve  diagnostic and prognostic ...

Identification of Disease-related Spatial Covariance Patterns using Neuroimaging Data

Identifisering av sykdomsrelaterte Spatial kovariansverktøyene Oppskrifter hvor neuroimaging data

The scaled subprofile model (SSM)1-4 is a multivariate PCA-based algorithm that identifies major sources of variation in patient and control group brain ...

An Organotypic High Throughput System for Characterization of Drug Sensitivity of Primary Multiple Myeloma Cells

En organotypiske høy gjennomstrømning System for Karakterisering av Drug Sensitivity of Primary myelomatose Cells

In this work we describe a novel approach that combines ex vivo drug sensitivity assays and digital image analysis to estimate chemosensitivity and ...

Optimized LC-MS/MS Method for the High-throughput Analysis of Clinical Samples of Ivacaftor, Its Major Metabolites, and Lumacaftor in Biological Fluids of Cystic Fibrosis Patients

Optimalisert LC--MS-/ MS metoden for høy gjennomstrømming analyse av klinisk prøver av Ivacaftor, store metabolitter og Lumacaftor i biologiske væsker Cystic Fibrosis pasienter

Defects in the cystic fibrosis trans-membrane conductance regulator (CFTR) are the cause of cystic fibrosis (CF), a disease with life-threatening ...

Electrophysiological Assessment of Murine Atria with High-Resolution Optical Mapping

Elektrofysiologiske vurdering av Murine Atria med høyoppløselige optiske kartlegging

Recent genome-wide association studies targeting atrial fibrillation (AF) have indicated a strong association between the genotype and ...

Comparing Bibliometric Analysis Using PubMed, Scopus, and Web of Science Databases

Sammenligning av Bibliometric Analysis bruke PubMed, Scopus, og Web of Science databaser

Literature databases (i.e., PubMed, Scopus, and Web of Science) differ in terms of their coverage, focus, and the tool they provide. PubMed focuses mainly ...