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

Эта работа была профинансирована студентом EPSRC (Sci-Phy-4-Health Centre for Doctoral Training L016346) в D.P., K.R. и L.F., Wellcome Trust Seed Award Грант (109604/Q/15/) в D.P., Гранты Британского фонда сердца (PG/17/55/33087, RG/17/15/33106) в D.P. , Европейский союз (грантовое соглашение No 633196 «CATCH ME» для P.K. и L.F.), Британский фонд сердца (FS/13/43/30324 в П.К. и Л.Ф.; PG/17/30/32961 в P.K. и A.H.), и Фонд Leducq в P.K. JW поддерживается Британским фондом сердца (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. получает поддержку в исследованиях от нескольких фармацевтических и устройств компаний, действующих в мерцательной аритмии и получил гонорар от нескольких таких компаний. L.F. получила институциональные исследовательские гранты EU, BHF, MRC, DFG и Gilead. P.K. и L.F. перечислены в качестве изобретателей на двух патентах, хранятся в Университете Бирмингема (Терапия фибрилляции предсердий WO 2015140571, Маркеры для фибрилляции предсердий WO 2016012783).

Все остальные авторы не заявляют о потенциальном конфликте интересов.

Здесь мы представляем пошаговый справочник по использованию программного обеспечения с открытым исходным кодом ElectroMap для гибкого и многопеременного анализа сердечных оптических картографических наборов данных. Для успешного использования ElectroMap, данные изображения должны быть в .tif или . Форматы MAT. ElectroMap включает в себя несколько изменяемых пользовательских настроек. Как показано на рисунке 2A,это необходимо из-за широкой неоднородности, которая существует между экспериментальными моделями и оборудованием для визуализации. Это означает, однако, что настройки по умолчанию в программном обеспечении не всегда будут оптимальными, поэтому важным шагом в использовании программного обеспечения является настройка пользователем для их конкретной экспериментальной настройки. К ним относятся настройки камеры и временные шкалы, как показано на рисунке 2B. После того, как оптимальные настройки были найдены, они могут быть сохранены и перезагружены в более поздние времена, выбрав configurationFile.
Ключевыми преимуществами программного обеспечения являются внедрение автоматизированного измерения CL и сегментации сигналов. Эти особенности позволяют анализировать острые реакции в экспериментальных записях и расширять анализ, фокусируясь на изолированных одиночных ударах. После достижения желаемой сегментации модуль анализа единого файла позволяет автоматизированный анализ каждого отдельного сегмента (включая одиночные удары), реализуя высокопроизводительный анализ нескольких переменных по всей записи, выделяемый в один файл .csv. В сочетании, ансамбль усреднения группированных пиков является эффективным методом для улучшения качества шумных сигналов, который автоматически выполняется в ElectroMap. Тем не менее, усреднение ансамбля не является повсеместно полезным, например, в исследованиях бит-бить изменчивости. Таким образом, ElectroMap интегрирует один удар сегментации, чтобы избежать ансамбля усреднения, альтернативные варианты обработки для улучшения SNR (пространственная и временная фильтрация) и включает в себя модуль анализа Alternans для дальнейшего изучения и карты бить-бить изменчивость.
Наборы оптического картирования данных часто демонстрируют артефакты, такие как базовый дрейф и артефакты движения. Равным образом, генерируемые сигналы могут быть низкого качества из-за небольших размеров пикселей, короткое время экспозиции и низкие фракционные флуоресцентные изменения2. Эти факторы препятствуют эффективному и точному анализу поведения EP. Как уже говорилось, ElectroMap имеет несколько стратегий обработки для преодоления этих проблем. Однако применение этих алгоритмов к фундаментально низкокачественным/искаженным данным по-прежнему будет препятствовать эффективному анализу. Таким образом, SNR является одним из параметров, которые измеряются и отображаются в ElectroMap. Кроме того, пользователь может выбрать и сравнить сигналы из определенных регионов из образца с помощью модулей Pixel Info и Compare, что позволяет идентифицировать такие явления, как артефакты движения, показанные на рисунке 5,и соответствующие исключение данных.
В настоящее время ElectroMap не поддерживает удаление артефактов движения из исходных данных таким же образом, как и базовая коррекция. Таким образом, возможное будущее развитие программного обеспечения является включение движения артефакт удаления вычислительными методами, как было сообщено31,32. Кроме того, ElectroMap в настоящее время ограничивается изучением одного оптического сигнала. Однако для соотношения красителей и одновременного использования напряжения и красителей кальция требуется27,требуется одновременная обработка двух каналов длины волны. Интеграция двойного анализа сигнала, таким образом, является важным будущим дополнением к программному обеспечению. Расширение параметров анализа, применимых к аритмическим наборам данных, таким как отслеживание сингулярности фазы, в равной степени расширит сферу действия программного обеспечения33,34. Наконец, некоторые из описанных вариантов анализа также могут быть полезны при анализе данных картирования электродов. Действительно, ElectroMap был использован для анализа данных картирования электродов, несмотря на контрастные электрограммы волновой формы20,35, и дальнейшая оптимизация расширит его использование для этой модальности.

Оптическое картирование использует флуоресцентные репортеры напряжения и/или концентрации кальция для допроса сердечной электрофизиологии (EP) и обработки кальция в многоклеточных препаратах, с большим пространственным разрешением, чем достижимо с традиционными методы1,2,3. Таким образом, оптическое картирование стало важным и все более все более используемым методом, обеспечивая ключевые идеи в физиологических и патофизиологических электрического поведения в сердце3,4,5 ,6,7,8. Эффективная обработка и анализ данных, полученных в ходе экспериментов по оптическому картированию, осложняется несколькими факторами. Высокий пространственно-временное разрешение данных оптических наборов карт приводит к тому, что файлы необработанных видео, состоящие из тысяч кадров изображений, каждый из которых состоит из нескольких отдельных пикселей, приводит к большим файлам данных, которые требуют высокой пропускной записи и автоматизации обработка9. Небольшие размеры пикселей, плохая и неравномерная загрузка красителя и небольшие дробные изменения в флуоресценции приводят к оптическим сигналам с низким соотношением сигнала к шуму (SNR), требующим предварительной обработки до эффективного анализа достижимо10. Обработка и анализ могут быть дополнительно осложнены использованием оптогенетических протоколов, которые используют свет, чтобы инициировать активацию, потенциально искажая записанный сигнал от флуоресцентных датчиков11,12. Кроме того, после обработки данных для измерения параметров, представляющих интерес, можно применять несколько несогласованных методов и определений, при этом наиболее применимые методы варьируются в зависимости от экспериментальной настройки, модели и вопроса2, 10,13. Эти ограничения препятствуют дальнейшему поглощению технологии и препятствуют подлинно объективному анализу.
Чтобы преодолеть эти ограничения, несколько исследовательских групп разработали пользовательские конвейеры обработки с учетом их экспериментальной модели, вопрос и оборудование7,14,15,16. Другие используют коммерческие несвободные программы, где основные алгоритмы могут быть трудно получить доступ4,17. В результате этого существует явная потребность в свободно доступной программной платформе с открытым исходным кодом для обработки и анализа оптических картографических данных. Важно, что это программное обеспечение является открытым исходным кодом, простым в использовании, гибким к корректировке параметров, применимым к ряду экспериментальных моделей с различными свойствами EP и принципиально позволяет простой и настраиваемой количественной оценки диапазона сердечных параметры, которые могут быть изучены с помощью оптического картирования.
Недавно мы опубликовали и выпустили всеобъемлющую программную платформу, ElectroMap, для высокой по всей, полуавтоматической обработки, анализа и картирования сердечных оптических картовых наборов данных13. Здесь мы представляем видео-руководство по использованию ElectroMap и демонстрируем, как его можно использовать для обработки, анализа и картирования нескольких оптических наборов карт. Мы фокусируемся на использовании ElectroMap для количественной оценки стандартных переменных EP и кальция и демонстрируем использование автономной скорости проводимости, анализа одного файла и переменных модулей.

<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

Оптическое картирование является устоявшейся методикой для исследования высокого пространственно-временного разрешения сердечной электрофизиологии в многоклеточных препаратах. Здесь мы представляем, в шагзая направляясь, использование ElectroMap для анализа, количественной оценки и картирования высокого разрешения напряжения и наборов данных кальция, приобретенных оптическим картографией. Варианты анализа ElectroMap охватывают широкий спектр ключевых электрофизиологических параметров, а графический пользовательский интерфейс позволяет просто модифицировать определения предварительной обработки и параметров, что делает ElectroMap применимым к широкому кругу экспериментальных моделей. Мы показываем, как встроенный процесс определения частоты и сегментации сигнала позволяет высокой пропускной способности анализа всех экспериментальных записей, острых реакций, и один удар-бить изменчивости. Кроме того, ElectroMap включает в себя автоматизированную многобитную усреднение для улучшения качества сигнала шумных наборов данных, и здесь мы демонстрируем, как эта функция может помочь прояснить электрофизиологические изменения, которые в противном случае могли бы остаться незамеченными при использовании одного бить анализа. Пользовательские модули включены в программное обеспечение для детального изучения проводимости, анализа одного файла и переменных, как показано здесь. Эта программная платформа может быть использована для обеспечения и ускорения обработки, анализа и картирования сложной сердечной электрофизиологии.

Вся работа, выполненная в рамках этого исследования, была проведена в соответствии с этическими нормами, изложенными Законом Великобритании о животных (научные процедуры) 1986 года и Директивой 2010/63/ЕС Европейского парламента о защите животных, используемых в научных целях. Эксперименты были одобрены домашним офисом (мышь: PPL 30/2967 и PFDAAF77F, морская свинка: PPL PF75E5F7F) и институциональными наблюдательными советами в Университете Бирмингема (мышь) и Королевском колледже Лондона (морская свинка). Подробные методы сбора необработанных данных, которые были проанализированыздесь, можно найти в наших предыдущих публикациях 5,6,14,19.
Основной интерфейс, с помощью которого контролируется ElectroMap, показан на рисунке 1A. Необходимые шаги для анализа набора данных контролируются в основном изображениями нагрузки, обработкой изображений и кнопками «Продукция карты» и отображаются зеленым, синим и красным цветом соответственно на рисунке 1A. На рисунке 1B-D показаны операции, возникающие при выборе каждой из этих кнопок. Загрузка Изображения применяет параметры порогового изображения, выбранные пользователем (рисунок1B), в то время как процесс изображения (рисунок1C) применяетфильтрацию и базовую коррекцию. Наконец, Produce Maps сначала будет средней информации в соответствии с настройками временного окна и сегментации (если не выбрана сегментация одного удара), а затем выполнять анализы, описанные выше.
Ключевым аспектом ElectroMap является его гибкость в отношении типа камеры и экспериментальной модели. Это имеет решающее значение для полезности оптического картографического программного обеспечения из-за различных сердечных EP и анатомических характеристик, которые существуют между широко используемыми моделями. Рисунок 2A, например, показывает, действия потенциал морфологии мурин триа по сравнению с желудочка морской свинки, записанные с использованием напряжения чувствительных красителей, как сообщалось ранее6,14. Несмотря на четкую форму потенциала действия и использование двух отдельных оптических картографических камер с различными частотами кадров и размерами пикселей, ElectroMap может быть использован для успешного анализа обоих наборов данных. Однако для этого необходимо изменить некоторые параметры в пользовательском интерфейсе(рисунок 2B). Обратите внимание, что длительный потенциал действий морских свинок требует большего временного окна. Кроме того, чтобы предотвратить коррекцию верхней шляпы базовой линии нефизиологически изменяя оптически записанные сигналы, его длина времени должна быть увеличена так, чтобы она была больше, чем временной ход потенциального действия.
ElectroMap предлагает множество вариантов обработки, чтобы помочь улучшить SNR оптически записанных сигналов, которые могут потребоваться для эффективного восстановления параметров EP. Примером является автоматизированное усреднение ансамбля пиков после сегментации данных. Рисунок 3A-C демонстрирует, как применение усреднения ансамбля, вместо других методов, может улучшить SNR из изолированных муриновых левых атрии (n No 13). Это снижает неоднородность измерения и вероятность провала анализа(рисунок 3D). Например, изменение частоты темпа с 3 Гц до 10 Гц не изменило APD50, когда не происходит усреднения ансамбля, но ожидаемоеснижение APD50 на 10 Гц наблюдалось при измерении из усредненные данные ансамбля ( Рисунок 3E).
Рисунок 4 демонстрирует эффективность и полезность автоматизированного определения частоты темпа, предлагаемого ElectroMap. Здесь мышь левой предипильности (n No 5) были темп на 120 мс длина цикла и длина цикла была постепенно сокращена на 10 мс, пока она не достигла 50 мс. ElectroMap автоматически определены темп цикла длины и сгруппированные ткани усредненные пики соответственно (Рисунок 4A ). Это было достигнуто с высокой точностью во всех наборах данных(рисунок 4B). Автоматизированная сегментация данных позволила провести простой и высокий пропускной процесс замедления скорости проводимости с увеличением частоты темпа/сокращенной длины цикла(рисунок 4C,D). Одновременно, APD50 (Рисунок 4E) и диастолический интервал (рисунок4F) сокращены. Амплитуда оптически измеренных пиков уменьшилась, в то время как время пика увеличилось (рисунок 4G,H). Это снова ожидаемые реакции реституции в сердечной ткани29,30 и использование ElectroMap может помочь поэтому прояснить изменения в ответ на темпчастоты в присутствии фармакологических агентов, генетическая модификация, или состояния болезней.
Важным фактором в использовании программного обеспечения, такого как ElectroMap, является наличие артефактов в базовых данных. Рисунок 5, например, демонстрирует, что артефакты движения (искажение оптически записанного сигнала по движению ткани) могут исключить точные измерения активации и особенно реполяризации в ElectroMap. Смотрите Обсуждение для дальнейших соображений.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig1.jpg"> Рисунок 1: Основные этапы обработки ElectroMap. (A) Графический пользовательский интерфейс ElectroMap, с изображениями нагрузки (зеленый), Процесс изображения (синий), и производить карты (красный) кнопки выделены. (B) Параметры порогового значения изображений, которые могут быть применены при выборе изображений нагрузки. (C) Параметры обработки сигнала, доступные пользователю, включают пространственную и временную фильтрацию и базовую коррекцию и могут быть применены к стеку изображения, нажав на ProcessImages. (D) Усреднение ансамбля и количественная оценка параметров (показано измерение APD), которое активируется при выборе ProduceMaps. Рисунок адаптированы из О'Ши и др., 201913. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig2.jpg"> Рисунок 2: Анализ данных о мыши и морских свинках с помощью ElectroMap. (A) Оптически записанный потенциал действия от мышей атрии и желудочков морских свинок, наряду с первым (df/dt) и вторым (d2f/dt2)производным от этих сигналов. Выделены различные определения времени активации и повторной поляризации в Рамках ElectroMap. (B) Скриншоты параметров обработки изображений и сигнала, используемых в интерфейсе ElectroMaps. Красные ящики подчеркивают параметры, которые требуют изменения между анализом данных мыши и морских свинок. Рисунок адаптированы из О'Ши и др., 201913. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig3.jpg"> Рисунок 3: Ансамбль усреднения для решения APD изменения. (A) APD50 карта и пример одного пиксельного сигнала от одного удара оптических потенциалов действия. (B) APD50 карта и пример одного пиксельного сигнала от оптических потенциалов действия, генерируемых ансамблем в среднем 10 последовательных ударов (пиковый метод). (C) SNR одного удара по сравнению с 10 бить усредненные сигналы. (D) APD50 неоднородности (i) и количество ошибок измерения (ii) в качестве функции SNR для одного удара и 10 бить в среднем APD50 карт. (E) APD50 на 3 и 10 Гц темп частоты, как измеряется из одного удара и 10 бить карты. (Данные, показанные как средняя - стандартная ошибка, n No 13 левой атрии, p slt; 0.001 по парному t-тесту студента). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig4.jpg"> Рисунок 4: Использование ElectroMap для изучения частотных реакций в сердечной ткани. (A) Пример ElectroMap скриншот темпраспознавания частот и сегментации. (B) Сравнение известных и ElectroMap измеряется темп цикла длины. (C) Активация карты на 120 мс и 60 мс темп цикла длины. (D-H) Группированные данные скорости проводимости (D), APD50 (E), диастолический интервал (F), амплитуда (G), и время пика (H) в зависимости от скорости темпа длины цикла уменьшается от 120 мс до 60 мс в 10 мс шагом. (Данные показаны как средняя - стандартная ошибка, n no 5 левая атрия) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig4large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59663/59663fig5.jpg"> Рисунок 5: Эффект артефактов движения. (A) APD50 карта. (B) Карта активации. (C) Пример сигналов из мест, отмеченных (кресты) на APD и активации карт. В области ткани, отмеченной красным крестом, сжатие не было успешно разъединено, искажая измеренный оптический сигнал. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59663/59663fig5large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</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

Этот протокол описывает настройку и использование ElectroMap, программной платформы с открытым исходным кодом MATLAB для анализа сердечных оптических картографических данных. ElectroMap предоставляет универсальный инструмент высокой пропускной связи для анализа оптического картографического напряжения и наборов данных кальция по широкому кругу экспериментальных моделей сердечного содействия.

Высокопроходимый анализ оптических картографических данных с помощью ElectroMap

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

Расширяется использование многофункциональных и оптических картографических технологий в кардиологических исследованиях. Однако в настоящее время не хватает надежного программного обеспечения с открытым исходным кодом с высокой пропускной способностью для анализа данных электрофизиологии. Вот почему мы разработали новое программное обеспечение под названием ElectroMap, чтобы помочь исследователям с их анализом.ElectroMap включает в себя новые и установленные методы для анализа данных сердечного картирования, которые могут быть получены от любых видов с помощью нескольких различных камер, несколько различных флуоресцентных красителей, а также различные способы приобретения, включая оптическое картирование и много электродные системы массива. В дополнение к измерению стандартных параметров AP, таких как потенциальная продолжительность действия, проводящий анализ и морфология, ElectroMap позволяет проводить анализ и количественной оценки активности. Начните с загрузки всех файлов из последнего выпуска кода ElectroMap из репозитория GitHub.Распаковать загруженное содержимое в нужное место. Откройте MATLAB и перейдите к местоположению папки с исходным кодом ElectroMap. Затем откройте файл электрокарты.m и нажмите запустить в редакторе, чтобы начать интерфейс пользователя ElectroMap. Затем загрузите изображение, нажмите выберите папку и перейдите к местоположению файла данных или файлов, которые будут проанализированы. Выберите файл для загрузки из интерфейса и нажмите на изображения нагрузки.После загрузки появится первый кадр, а красный контур будет указывать на автоматическое пороговое значение изображения. При желании измените это до порога, основанного на амплитуде курса времени сигнала, изменив параметр изображения для меню снижения порога. Обратите внимание, что после выбора порогового значения он применяется для всего стека изображений.При желании измените параметр порога на ручной, который активирует ползунок для ручной настройки порога изображения. Кроме того, выберите пользовательский регион, представляющий интерес для анализа, выбрав соответствующие галочки ниже пороговых вариантов. Обратите внимание, что расширенные варианты выбора региона интересов, такие как количество областей, доступны из выбора roi из верхнего меню.После применения соответствующего порога нажмите обработать изображения для применения обработки. На этом этапе убедитесь, что правильные настройки камеры были введены для частоты кадров и килогерца и размера пикселей в микрометрах и параметрах обработки сигналов, таких как таймфрейм окна, пространственная и временная фильтрация. После обработки файла проинспектировать пики среднего сигнала ткани, помеченного красными кругами.Сегментация сигнала на основе обнаруженных пиков. Сигнал сегмента пресса. При желании примените пользовательскую сегментацию сигнала, увеличив время интереса и выбрав сигнал сегмента.После обработки изображений кнопка «Карты производства» станет активной. Пресса создает карты для применения потенциальной продолжительности действия, времени активации, скорости проводимости и анализа соотношения сигнала к шуму. Выберите нужные сегменты из окна списка, чтобы применить анализ к каждому из них.Далее выберите получить информацию о пикселях, чтобы увидеть подробный отображение сигнала с любого пикселя в изображении и сравнить пиксели с одновременно сюжетными сигналами из шести мест. Чтобы получить доступ к более детальному анализу скорости проведения, проводимости прессы. Затем нажмите один вектор для анализа проводимого с помощью метода единого вектора, где вектор градиента рассчитывается из времени инактивации задержки между двумя точками.Наконец, нажмите локальный вектор, чтобы применить многовекторный метод с настройками, соответствующими тем из основного интерфейса. Кривая активации пресса для построения процента ткани, активированной в качестве функции времени. Для количественной оценки других параметров с помощью ElectroMap выберите один из других желаемых анализов из меню высадки над картой дисплея.Нажмите единый анализ файлов, чтобы открыть специальный модуль для высокой пропускной способности и анализа проводимости каждого выявленного сегмента в файле. Выполните анализ либо по всему изображению, либо по выбранным регионам или точкам, представляющим интерес. Для экспорта данных с ElectroMap нажмите значения экспорта, чтобы сохранить значения отображаемой карты в основном пользовательском интерфейсе.Затем нажмите на карту экспорта, чтобы привлечь всплывающее окно, содержащее отображаемую в настоящее время карту, которая затем может быть сохранена в различных форматах изображений. При желании добавьте цветовую планку, выбрав значок цветовой планки. Установите шкалу, выбрав редактировать затем цветную карту.Наконец, нажмите видео активации, чтобы сделать анимацию последовательности активации, которая может быть сохранена в качестве анимированного файла GIF. Это показывает действие потенциальной морфологии муриновой атрии по сравнению с желудочков морской свинки, зарегистрированных с использованием чувствительных к напряжению красителей, как сообщалось ранее. Несмотря на различную форму потенциала действия и использование двух отдельных оптических картографических камер с разной частотой кадров и размерами пикселей, ElectroMap может быть использован для успешного анализа обоих наборов данных путем выбора соответствующих параметров.Применение ансамбля усреднения вместо других методов может улучшить SNR от изолированных мурин левой атрии. Изменение частоты темпа от трех герц до 10 герц не изменило APD, когда не ансамбль усреднение осуществляется, но ожидаемое снижение APD на 10 герц ходить наблюдалось при измерении из ансамбля усредненных данных. Кроме того, мышь левая атрия были темп на 120 миллисекундной длины цикла и длина цикла была постепенно сокращена на 10 миллисекунд, пока она не достигла 50 миллисекунд.ElectroMap автоматически определяет длину цикла темпа и средние пики групповой ткани соответственно. APD и диастолический интервал сокращены. Амплитуда оптически измеренных пиков уменьшилась, в то время как время до пика увеличилось.Этот протокол показывает, как можно установить и настроить настройки в ElectroMap для того, чтобы быстро проанализировать потенциальную продолжительность действия, скорость проведения, пиково-пиковую изменчивость, а также как вы можете ансамбль среднем для того, чтобы улучшить отношение сигнала к шуму. Мы надеемся, что выпуск этого свободно доступного программного обеспечения поможет исследователям с их потребностями анализа и приведет к некоторым крупным открытиям в кардиологических исследованиях. Мы будем продолжать создавать любые алгоритмы, которые мы разработали, и мы призываем других, чтобы помочь нам дальнейшее расширение возможностей ElectroMap.

Research

JoVE Journal

Medicine

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

Высокого разрешения эндокарда и эпикарда Оптический отображения в Овцы модели из стрейч-индуцированной фибрилляции предсердий

 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

Мышь глаз Энуклеация для удаленного высокой пропускной Фенотипирование

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

Неоднородность Картирование экспрессии белка в опухолях с использованием количественных иммунофлуоресценции

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

Высокая пропускная способность последовательного ELISA для проверки биомаркеров острого трансплантат против хозяина

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

Идентификация связанных с болезнью пространственных структур Ковариационные использованием нейровизуализации данных

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

Органотипической Высокая пропускная система для характеризации наркотиками чувствительности первичных клетки множественной миеломы

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

Оптимизированный метод LC-MS/MS для высокой пропускной способности анализа клинических образцов Ivacaftor, его основных метаболитов и Lumacaftor в биологических жидкостях больных муковисцидозом

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

Электрофизиологические оценки мышиных предсердий с высоким разрешением оптических карт

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

Сравнение библиометрического анализа с использованием баз данных PubMed, Scopus и Web of Science

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 ...