Name: computer-based multitaper spectrogram program for electroencephalographic data
Uploaded: 2019-11-13T10:00:00
Duration: 4 min 13 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Computer-based Multitaper Spectrogram Program for Electroencephalographic Data at JoVE.com

Dit werk wordt deels ondersteund door een NIH Grant HL-65272. De auteurs danken Zachary T. Glovak en Clarence E. Locklear voor hun bijdragen aan dit project.

Alle procedures waarbij muizen betrokken waren bij de gids voor de verzorging en het gebruik van proefdieren (8e editie, nationale academies Press, Washington DC, 2011) en werden beoordeeld en goedgekeurd door de University of Tennessee Institutional Animal Care and use Committee.
1. implantatie van opname-elektroden en initiële gegevensverzameling
<ol><li>Koop muizen en bewaar ze in een kamer met vochtigheids-en temperatuurgestuurde ruimte met ad libitum toegang tot voedsel en water. Laat muizen zich één week vóór chirurgische implantatie van opname elektroden aan hun nieuwe omgeving aanpassen. De implantatie procedure is beschreven in detail1,14.</li>
	<li>Steriliseer alle chirurgische apparatuur.</li>
	<li>Anesthetiseer muizen met Isofluraan bij 2,5% − 3% geleverd in 100% zuurstof.</li>
	<li>Na het verlies van de rechtse reflex, verwijder de muis van de anesthesie-inductie kamer en breng het over naar een stereotaxic frame.</li>
	<li>Breng een oftalmische zalf aan op beide ogen.</li>
	<li>Reduceer de Isofluraan tot 1,7%, continu geleverd via een masker.</li>
	<li>Maak een middellijn hoofdhuid incisie om de schedel bloot.</li>
	<li>Boor twee craniotomieën boven de linker en rechter cortex (elk op stereotaxic coördinaten voorste = 1,0 en laterale = 3,0 ten opzichte van de bregma15).</li>
	<li>Plaats de EEG-elektroden in elke craniotomie en veilig met tandheelkundige acryl.</li>
	<li>Implantaat bipolaire elektroden in de dorsale trapezius spier voor het opnemen van het elektro myogram (EMG). Opmerking: De vier elektroden worden geleid tot een draadloze Telemeter geïmplanteerd subcutaan boven het onderste rechter lichaam Kwadrant. Deze chirurgische technieken kunnen hier worden bekeken (https://www.datasci.com/services/dsi-surgical-services/surgical-videos).</li>
	<li>Na de operatie, toedienen van analgetische carprofen en plaats de muis in een warme herstel kooi. Let op de muis totdat deze ambulant is. Huis geïmplanteerde muizen individueel.</li>
	<li>Bij volledig herstel van de operatie, behandel muizen dagelijks en evalueer de kwaliteit van de EEG-en EMG-opnames.</li>
	<li>Configureer het systeem voor gegevensverzameling om alle signalen op te nemen ± 1.000 mV.</li>
	<li>Verkrijg EEG-en EMG-opnames voor de duur die nodig is.</li>
	<li>Scoor elke 10 s bin van de digitale EEG en EMG opnames als wakkerheid, Rapid Eye Movement (REM) slaap, of Non-REM (NREM) slaap met behulp van slaap Score software. Opmerking: Onder muizenstammen zijn genotype-en staatspecifieke verschillen in EEG-vermogen uitgedrukt als een percentage van het totale vermogen16. In B6 muizen, toestanden van wakkerheid worden gekenmerkt door een 75 − 100 mV, gemengde frequentie EEG, en door EMG signalen tonen prominente spierspanning met grote stijgingen van de amplitude tijdens de beweging. Criteria voor het scoren van NREM-slaap omvatten een reductie van de EMG-amplitude ten opzichte van de EMG-amplitude van wakkerheid. De NREM-slaap EEG heeft een langzamere frequentie en verhoogde amplitude (100 − 150 mV) in vergelijking met wakkerheid. REM slaap wordt gekenmerkt door spier atonia en een EEG-signaal dat is vergelijkbaar met de EEG van wakkerheid.</li>
	<li>Instrueer twee individuen om dezelfde record onafhankelijk te scoren. Ten minste één individu moet worden gebombardeerd tot de behandelings voorwaarde. De concordantie waarden tussen de twee Sleep scorers moeten groter zijn dan 90%.</li>
</ol>2. faciliteiten en uitrusting
<ol><li>Versterk en Digitaliseer ongefilterde EEG-en EMG-signalen met behulp van Data Acquisition Instrumentation en software. Opmerking: De Chronux spectrale analyse Toolbox ontwikkeld in het Mitra laboratorium in het Cold Spring Harbor laboratorium wordt gebruikt om EEG signalen uit te drukken als kracht in relatie tot tijd-en frequentie domeinen.</li>
</ol>3. berekening van het Spectrogram
<ol><li>Als een Windows-gebruiker, gebruikt u het gecompileerde programma.</li>
	<li>Als een Macintosh-gebruiker het onbewerkte code bestand uitvoert.</li>
	<li>Verkrijg onbewerkte, onbewerkte EEG-gegevens in de EDF-of CSV-bestandsindeling en plaats deze op dezelfde locatie als het gecompileerde programma bestand.<ol>
<li>Geef de gegevensbestanden een naam met de volgende beperkingen: namen mogen alleen bestaan uit letters, cijfers, onderstrepingstekens of streepjes.</li>
		<li>Geef de gegevensbestanden een naam met de volgende beperkingen: bestandsnamen mogen geen punten, komma's, spaties of andere symbolen bevatten.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Download het gecompileerde Multitaper Spectrogram programma (<a href="https://drive.google.com/drive/folders/1cyb3T3IkjQvkc-H6lm__17CpRMqkTbNt?usp=sharing" target="_blank">https://drive.Google.com/</a>).</li>
	<li>Start het Spectrogram programma en volg de pop-upprompts. Kies bestandstype: *. CSV of *. Eof. Opmerking: Verdere installatiedetails van het programma bevinden zich in het bestand README. txt.</li>
	<li>Typ de volledige EEG-bestandsnaam (bijvoorbeeld 419eeg. EDF of 419. EEG. CSV).</li>
	<li>Selecteer parameters voor Spectrogram berekening: standaard of nieuw. Deze stap vereist de langste verwerkingstijd als het Spectrogram wordt berekend. De wiskundige Windowing functie (taper) biedt statistisch onafhankelijke schattingen van het onderliggende spectrum. Hoe langer de opnameduur, hoe langer deze stap zal duren. Op een PC-platform met Windows 10 dit vereist een maximum van ongeveer 3 − 4 min voor een opname van 4 uur.<ol>
<li>Gebruik de volgende standaard Spectrogram-parameters: Bemonsteringsfrequentie = 500 Hz. Dit geeft het aantal samples per seconde aan. fpass = 0,3 Hz en 30 Hz. Fpass definieert de frequenties van de invoer en regelt het bereik van de frequenties die in de uitgang worden geleverd. Opvulling = 2. Opvulling werkt om de uitvoer fijn te interpoleren zonder de resultaatberekening op enigerlei wijze te beïnvloeden. Dit kan helpen met visualisatie en de precieze identificatie van spectrale lijnen. Het veld is een geheel getal van-1 en meer. Tijd bandbreedte product (NW) = 15. Het product van de tijdsduur van het signaal en de spectrale breedte. Aantal taps toelopende delen = 29. Bij het kiezen van het aantal taps toelomen, is het essentieel om 2NW-1 te gebruiken. Er is geen limiet voor het aantal gebruikte taps toelopende delen. De meer taps gebruikte zal resulteren in het opnemen van taps toelomen met een slechte concentratie in de opgegeven frequentieband breedte. Gemiddelde proefperiode = 1. Deze parameter bepaalt of proef-of kanaal gemiddelden worden uitgevoerd. Als deze parameter is ingesteld op 0, is er geen kanaal middeling en de functie wordt uitgevoerd onafhankelijke resultaten voor elke proef of kanaal doorgegeven als invoergegevens. Echter, als het gemiddelde van de proef is ingesteld op 1, de uitvoer van de resultaten naar de gebruiker worden gemiddeld over proeven of kanalen. Tijd om te berekenen FFT ~ 30 s. gebruikt om de evolutie van het spectrum te volgen door het berekenen van het spectrum over veel kleine ramen. Stapgrootte van venster voor FFT deze berekening = 5. Het bedrag dat het verschuivende tijdvenster vordert nadat elke spectrum berekening is uitgevoerd. Opmerking: De standaard Spectrogram parameters vermeld in stap 3.7.1 kunnen worden gewijzigd indien nodig.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Voer titels in voor zowel het Spectrogram als het EEG.</li>
	<li>Bewaar het resulterende Spectrogram en EEG.<ol>
<li>Cijfers opslaan door te klikken op bestand | Opslaan in het venster afbeelding. Opmerking: De cijfers zullen de gebruikers van het programma voorzien van samenvattingen die kunnen worden ontwikkeld tot publicatie-kwaliteit cijfers.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. problemen oplossen
<ol><li>Download de voorbeeld muis slaap EEG gegevens voor monster Spectrogram berekening.</li>
	<li>Voer het programma uit met de voorbeeldgegevens om te controleren of de gebruiker het programma correct gebruikt. Zoek de cijfers voor deze voorbeeldgegevens in de bijlage om ervoor te zorgen dat de cijfers die zijn gemaakt op basis van de voorbeeldgegevens nauwkeurig zijn. Opmerking: Alle gebruikte apparatuur en materialen zijn in de inhoudstafelgeleverd.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Wasilczuk, A. Z., Proekt, A., Kelz, M. B., McKinstry-Wu, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-density+electroencephalographic+acquisition+in+a+rodent+model+using+low-cost+and+open+source+resources.">High-density electroencephalographic acquisition in a rodent model using low-cost and open source resources.</a> Journal of Visualized Experiments. 117, 10 (2016).</li><li>Prerau, M. J., Brown, R. E., Bianchi, M. T., Ellenbogen, J. M., Purdon, P. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sleep+neurophysiological+dynamics+through+the+lens+of+multitaper+spectral+analysis.">Sleep neurophysiological dynamics through the lens of multitaper spectral analysis.</a> Physiology. 32, 60-92 (2017).</li><li>Akin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+wavelet+transform+and+FFT+methods+in+the+analysis+of+EEG+signals.">Comparison of wavelet transform and FFT methods in the analysis of EEG signals.</a> Journal of Medical Systems. 26 (3), 241-247 (2002).</li><li>Purdon, P. L., Sampson, A., Pavone, A., Brown, E. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clinical+electroencephalography+for+anesthesiologists+Part+1:+Background+and+basic+signatures.">Clinical electroencephalography for anesthesiologists Part 1: Background and basic signatures.</a> Anesthesiology. 123 (4), 937-960 (2015).</li><li>Liu, 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=Frontal+EEG+temporal+and+spectral+dynamics+similarity+analysis+between+propofol+and+desflurane+induced+anesthesia+using+Hilbert-Huang+Transform.">Frontal EEG temporal and spectral dynamics similarity analysis between propofol and desflurane induced anesthesia using Hilbert-Huang Transform.</a> BioMed Research International. 2018, 4939480 (2018).</li><li>Akeju, O., 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=Spatiotemporal+dynamics+of+dexmedetomidine-induced+electroencephalogram+oscillations.">Spatiotemporal dynamics of dexmedetomidine-induced electroencephalogram oscillations.</a> PLoS One. 11 (10), (2016).</li><li>Ogilvie, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+process+of+falling+asleep.">The process of falling asleep.</a> Sleep Medicine Reviews. 5 (3), 247-270 (2001).</li><li>Baghdoyan, H. A., Lydic, R., Brady, S. T., Albers, R. W., Price, D. L., Siegel, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Basic Neurochemistry. , 982-999 (2012).</li><li>Angel, 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=Buprenorphine+depresses+respiratory+variablity+in+obese+mice+with+altered+leptin+signaling.">Buprenorphine depresses respiratory variablity in obese mice with altered leptin signaling.</a> Anesthesiology. 128 (5), 984-991 (2018).</li><li>Glovak, Z. T., Mihalko, S., Baghdoyan, H. A., Lydic, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Leptin+status+alters+buprenorphine-induced+antinociception+in+obese+mice+with+dysfunctional+leptin+receptors.">Leptin status alters buprenorphine-induced antinociception in obese mice with dysfunctional leptin receptors.</a> Neuroscience Letters. 660, 29-33 (2017).</li><li>Zhang, X., 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=Morphine+and+fentanyl+delivered+to+prefrontal+cortex+of+behaving+mice+depress+breathing+and+alter+neurotransmitter+concentrations.">Morphine and fentanyl delivered to prefrontal cortex of behaving mice depress breathing and alter neurotransmitter concentrations.</a> Anesthesia &amp; Analgesia. , (2019).</li><li>Cornelissen, L., Kim, S. E., Purdon, P. L., Brown, E. N., Berde, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Age-dependent+electroencephalogram+(EEG)+patterns+during+sevoflurane+general+anesthesia+in+infants.">Age-dependent electroencephalogram (EEG) patterns during sevoflurane general anesthesia in infants.</a> eLIFE. 4, e06513 (2015).</li><li>Chini, 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=Neural+correlates+of+anesthesia+in+newborn+mice+and+humans.">Neural correlates of anesthesia in newborn mice and humans.</a> Front Neural Circuits. 13 (Article 38), 1-13 (2019).</li><li>Flint, R. R., Chang, T., Lydic, R., Baghdoyan, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=GABA-A+receptors+in+the+pontine+reticular+formation+of+C57BL/6J+mouse+modulate+neurochemical,+electrographic,+and+behavioral+phenotypes+of+wakefulness.">GABA-A receptors in the pontine reticular formation of C57BL/6J mouse modulate neurochemical, electrographic, and behavioral phenotypes of wakefulness.</a> Journal of Neuroscience. 30 (37), 12301-12309 (2010).</li><li>Paxinos, G., Franklin, K. B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Mouse Brain in Stereotaxic Coordinates. , (2018).</li><li>Franken, P., Malafosse, A., Tafti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Genetic+variation+in+EEG+activity+during+sleep+in+inbred+mice.">Genetic variation in EEG activity during sleep in inbred mice.</a> American Journal of Physiology. 257 (4), (1998).</li><li>Ko, C. H., 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=Emergence+of+noise-induced+oscillations+in+the+central+circadian+pacemaker.">Emergence of noise-induced oscillations in the central circadian pacemaker.</a> PLoS Biol. 8 (10), e1000513 (2010).</li><li>Steriade, M., Curr&#243; Dossi, R., Conteras, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrophysiological+properties+of+intralaminar+thalamocortical+cells+discharging+rhythmic+(40+Hz)+spike-bursts+at+1000+Hz+during+waking+and+rapid+eye+movement+sleep.">Electrophysiological properties of intralaminar thalamocortical cells discharging rhythmic (40 Hz) spike-bursts at 1000 Hz during waking and rapid eye movement sleep.</a> Neuroscience. 56, 1-9 (1993).</li></ol>

De auteurs hebben geen belangenconflicten.

Het programma beschreven hier werd ontwikkeld om een Spectrogram te maken met behulp van de negen stappen die worden beschreven in Protocol sectie 3, Spectrogram Computation. Deze stappen omvatten het verwerven van het Spectrogram programma, het waarborgen van het juiste bestandsformaat en het wijzigen van de computationele parameters voor het genereren van unieke gebruikers spectrogrammen. Gebruikers kunnen spectrogrammen maken die zijn toegesneden op een reeks conceptuele vragen en experimentele ontwerpen. Om het gemak en de efficiëntie van dit ontwikkelingsproces te vergroten, is het essentieel om de onbewerkte EEG-gegevens in de juiste bestandsindeling op te geven, genoemd volgens de hierboven beschreven beperkingen. Hoewel voorbeeld signalen zijn verstrekt voor muis EEG-gegevens, het Spectrogram programma is gemakkelijk toepasbaar op menselijke en niet-menselijke EEG gegevens die vrij van signaalverwerking beperkingen zijn.
De aanbevolen aanpak voor het oplossen van problemen en methode wijzigingen is om te beginnen met het analyseren van een kleine gegevensset. De belangrijkste programma-uitgangen om te overwegen omvatten plots van de gefilterde EEG en het Spectrogram. Een aantrekkelijk aspect van het taps toelopende Spectrogram is dat het kan worden toegepast op een breed scala aan periodieke, biologische signalen. De variëteit varieert van lange duur circadiane (24 h) ritmes17 tot zeer snelle ritmes zoals 1.000 Hz ontlading tarieven van een Renshaw cel18.
Gegevensopmaak is een beperking van dit Spectrogram-protocol. European Data Format (EDF) wordt veel gebruikt met EEG-gegevens. Er zijn echter veel andere opmaakopties. Om deze reden is het RAW-code bestand opgenomen (zie 3,2 hierboven) voor het geval de gebruiker het bestandsformaat wil wijzigen. Met betrekking tot het RAW-programma bestand is een andere beperking de noodzaak van ervaring met de programmeertaal van de computer om de bestandsindeling te wijzigen. Niet alle onderzoekers hebben toegang tot de propriëtaire software en de volledige reeks plug-ins. Dit protocol is ontwikkeld om dit probleem te omzeilen door een gecompileerd programma te leveren dat wordt uitgevoerd op een WINDOWS-apparaat zonder softwarelicenties. Dit wordt bereikt door de RUNTIME plugin die is opgenomen in het gecompileerde programma en vereist geen software registratie door de gebruiker.
Deze EEG Spectrogram routine is een nieuwe, open source, computer-based programma dat gebruikers in staat stelt om gepersonaliseerde, multitaper spectrogrammen uit een breed scala van gegevens te creëren. De gebruiker heeft volledige controle over alle Computationele aspecten van Spectrogram generatie. Zonder voorafgaande signaalverwerking en computer programmeerkennis, kunnen spectrogrammen moeilijk te genereren. Het protocol dat hier wordt beschreven, vergemakkelijkt de aanmaak van spectrogrammen. Zie de aanvullende materiaal sectie voor verdere signaalverwerking lezingen en multitaper Spectrogram begeleiding.
Aanvullend materiaal <a href="http://chronux.org" target="_blank">http://chronux.org</a> <a href="http://www-users.med.cornell.edu/~jdvicto/pdfs/pubo08.pdf" target="_blank">http://www-users.med.cornell.edu/~jdvicto/pdfs/pubo08.pdf</a> <a href="http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/timefrequencyanalysis/" target="_blank">http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/timefrequencyanalysis/</a> <a href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4502759/#SD3-data" target="_blank">https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4502759/#SD3-data</a>

EEG-gegevens kunnen productief worden geanalyseerd in het frequentiedomein om de niveaus van gedrags-en neurofysiologische opwinding1te karakteriseren. Multitaper-spectrogrammen transformeren de EEG-golfvorm in tijd-en frequentie domeinen, wat resulteert in de visualisatie van het dynamische signaal vermogen bij verschillende frequenties in de tijd. Het multitaper-Spectrogram maakt gebruik van Fourier-analyse om spectrale dichtheids schattingen te maken. Spectrale dichtheids schatting scheidt een golfvorm in de zuivere sinusvormige golven die het signaal omvatten en is analoog aan de diffractie van wit licht door een prisma om het hele spectrum van kleuren2te zien. Het multitaper Spectrogram van het EEG vertegenwoordigt de gecombineerde activiteit van meerdere netwerken van neuronen met ontladings patronen die oscilleren bij verschillende frequenties2. Vanwege de tijdverschuivings invariant wordt de Fourier-transformatie beschouwd als de beste transformatie tussentijd-en frequentie domeinen3. Fourier-analyse heeft ook een aantal beperkingen. EEG-signalen zijn niet-stationair. Daarom kunnen kleine wijzigingen niet worden waargenomen onder Fourier-methoden en de analyse kan veranderen afhankelijk van de grootte van de gegevensset. Windowing wordt echter gebruikt bij het toepassen van een Fourier-transformatie op een niet-stationair signaal. Hierbij wordt verondersteld dat het spectrum van het signaal slechts marginaal verandert gedurende korte perioden. Een alternatieve methode voor spectrale analyse is wavelet Transform die geschikter kan zijn voor het opsporen van hersenziekte3.
Vanuit functioneel oogpunt zijn de verschillende oscillaties bestaande uit een EEG signaal lager niveau, eigenschap fenotypes karakteristiek van hoger niveau, staat fenotypes zoals slaap en wakkerheid2, of het verlies van wakkerheid veroorzaakt door algemene anesthetica4,5,6. Wat toestanden van slaap en wakkerheid betreft, illustreert het Spectrogram duidelijk dat endogeen gegenereerde ritmes van slaap continu en dynamisch zijn7. Kwantitatieve beschrijvingen van toestanden van slaap en wakkerheid hebben van oudsher een binning proces dat een slaap of wakker classificatie toewijst aan elk specifiek gedefinieerde Epoch (bv, 10 s) van EEG-opname. Deze status opslaglocaties worden vervolgens getekend als een functie van de tijd. Tijd cursus data plots, vaak aangeduid als hypnograms, worden gebruikt om de normale slaap te differentiëren uit de slaap die wordt verstoord door ziekte, Drug Administration, veranderingen in circadiane ritmes, ploegenarbeid, enz. Een beperking van hypnogram plots is dat ze EEG signalen verkeerd voorstellen door het uitdrukken van opwinding toestanden als vierkante golfvormen. Hypnogram plotten impliceert een discretisatie van opwinding Staten2 en staat niet toe dat een fijnkorrelige weergave van tussenliggende of overgangs stadia. Bovendien, 10 s scoren tijdperken produceren een discretisatie van tijd door het opleggen van een lagere limiet op de tijdschaal. Het resultaat van de discretisatie van zowel de staat en de tijd is het verlies van neurofysiologische informatie over de dynamische samenspel tussen staten van bewustzijn2 en drugs-geïnduceerde verstoring van deze Staten4. Bijvoorbeeld, verschillende anesthetica agenten handelen op verschillende moleculaire doelen en neurale netwerken. Farmacologische manipulatie van deze neurale netwerken produceert betrouwbaar spectrogrammen die uniek zijn voor het geneesmiddel, de dosis en de toedieningsweg4.
Het huidige protocol is ontwikkeld om onderzoek te vergemakkelijken met betrekking tot de mechanismen waarmee opioïden de slaap8, ademhaling9, nociception10en hersen neurochemie11veranderen. Dit protocol beschrijft de stappen die nodig zijn voor het maken van een multitaps Spectrogram voor EEG-analyses die kunnen worden voltooid met behulp van propriëtaire software of een systeem dat geen MATLAB-licentieverlening heeft. C57BL/6J (B6) muizen werden gebruikt om het vermogen van deze computergebaseerde methode te valideren om nieuwe EEG-spectrogrammen te maken tijdens normale, ongestoorde toestanden van slaap en wakkerheid en na systemische toediening van opiaten. De betrouwbaarheid en geldigheid van de analyses werden bevestigd door systematische vergelijkingen van verschillen tussen EEG-spectrogrammen nadat B6 muizen intraperitoneale injecties met zoutoplossing (voertuigcontrole) en antinociceptive doses van Morfine, buprenorfine en fentanyl kregen.
Kwantitatieve studies van neonatale muizen EEG-dynamiek hebben translationele relevantie door een model te bieden voor studies die gericht zijn op het bereiken van een beter begrip van neonatale humane EEG12. Kwantificerende EEG-dynamiek is niet alleen beschrijvend en kan bijdragen tot machine learning benaderingen die opwinding op basis van gedeeltelijk op EEG data13kunnen voorspellen. Het doel van dit verslag is het bevorderen van translationele wetenschap door het verstrekken van een breed toegankelijke, gebruiksvriendelijke code voor het berekenen van multitaper spectrogrammen die door de drug veroorzaakte veranderingen in muis EEG karakteriseren.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Dental acrylic</td>
			<td>Lang Dental Manufacturing Co</td>
			<td>Jet powder and liquid</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EEG/EMG Amplifier</td>
			<td>Data Science International</td>
			<td>model MX2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>macOS Mojave</td>
			<td>Apple</td>
			<td>v10.14.4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td>v9.4.0.813654</td>
			<td>software for spectrogram comp.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mouse anesthesia mask</td>
			<td>David Kopf Instruments</td>
			<td>model 907</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neuroscore</td>
			<td>Data Science International</td>
			<td>v3.3.9317-1</td>
			<td>software for scoring sleep and wakefulness</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ponemah</td>
			<td>Data Science International</td>
			<td>v5.32</td>
			<td>software for EEG/EMG Data Acquisition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereotaxic frame</td>
			<td>David Kopf Instruments</td>
			<td>model 962</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereotaxic frame, mouse adapter</td>
			<td>David Kopf Instruments</td>
			<td>model 921</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Windows 10</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td>v10.0.17763.503</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wireless Telemeter</td>
			<td>Data Science International</td>
			<td>model HD-X02</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

computer-based multitaper spectrogram program for electroencephalographic data

De huidige webresources bieden beperkte, gebruiksvriendelijke hulpmiddelen voor het berekenen van spectrogrammen voor het visualiseren en kwantificeren van elektroencefalografische (EEG) gegevens. Dit artikel beschrijft een Windows-gebaseerde, open source code voor het maken van EEG multitaper spectrogrammen. Het gecompileerde programma is toegankelijk voor Windows-gebruikers zonder softwarelicenties. Voor Macintosh-gebruikers is het programma beperkt tot die met een MATLAB-softwarelicentie. Het programma wordt geïllustreerd via EEG-spectrogrammen die variëren als een functie van toestanden van slaap en wakkerheid, en opiaat-geïnduceerde veranderingen in die Staten. De EEGs van C57BL/6J muizen werden draadloos geregistreerd voor 4 h na intraperitoneale injectie van zoutoplossing (voertuigcontrole) en antinociceptive doses van Morfine, buprenorfine en fentanyl. Spectrogrammen toonden aan dat buprenorfine en morfine vergelijkbare veranderingen in EEG-vermogen veroorzaakten bij 1 − 3 Hz en 8 − 9 Hz. spectrogrammen na toediening van fentanyl onthulde maximale gemiddelde vermogens banden bij 3 Hz en 7 Hz. De spectrogrammen ontmaskerd differentiële opiaat effecten op EEG frequentie en vermogen. Deze computergebaseerde methoden zijn generaliseerbaar over de geneesmiddelen klassen en kunnen gemakkelijk worden aangepast om een breed scala aan ritmische biologische signalen te kwantificeren en weer te geven.

De volgende cijfers illustreren het soort nieuwe inzichten in EEG indices van hersen prikkelbaarheid die worden geleverd door spectrogrammen.
Figuur 1A illustreert gelijkenissen en verschillen in de corticale EEG tijdens WAKKERHEID, NREM-slaap en REM-slaap. Veel onderzoekers gebruiken dit soort sporen, samen met EMG-opnames (niet getoond), om de slaap en wakkerheid te kwantificeren. Figuur 1B gebruikt een hypnogram plot om de tijdelijke organisatie van toestanden van slaap en wakkerheid over te brengen op basis van beoordelingen van EEG-en EMG-opnames. Staten werden gescoord in 10 s tijdperken en deze tijdperken werden uitgezet als het hypnogram tijdens de 14.400 s, bestaande uit de 4 h-opname. Hypnogram plots illustreren niet het feit dat overgangen tussen Staten continu en niet-lineair zijn. In tegenstelling tot een hypnogram plot illustreert het Spectrogram (Figuur 1C) zeer dynamische veranderingen in EEG-frequentie en vermogen als functie van de tijd. Het Spectrogram benadrukt ook de gelijkenissen tussen het corticale EEG-signaal tijdens wakkerheid en tijdens de REM-slaap. De drie dozen bovenop het Spectrogram (Figuur 1C) markeren toestanden geïdentificeerd als wakkerheid (Wake), NREM-slaap en REM-slaap in het hypnogram hierboven (Figuur 1B) en worden verstrekt om te helpen bij het visualiseren van de gedetailleerde veranderingen in EEG frequentie en vermogen. Het Spectrogram voor de gehele opname zorgt voor een genuanceerde waardering van het EEG als een continu proces.
Figuur 2 biedt vier multitaper-spectrogrammen, die elk 4 h EEG-opnames samenvatten na intraperitoneale toediening van zoutoplossing, morfine, buprenorfine en fentanyl. Alle vier de opnames zijn van dezelfde muis en begonnen 2 uur na het begin van het licht. De opiaten, maar niet zoutoplossing, geremd NREM en REM-slaap, en verhoogde de hoeveelheid wakkerheid. Een aantal nieuwe functies worden gevisualiseerd door de spectrogrammen. De detectie van nieuwe EEG-functies suggereert de mogelijke toepassing voor opiaat differentiatie in een chemische bedreiging omgeving. Na de zout injectie (Figuur 2A) woonde de grootste hoeveelheid vermogen in het bereik van 2 − 4 Hz, wat DUIDT op de NREM-slaap. Merk op dat de EEG-spectrogrammen fundamenteel werden gewijzigd door opiaten administratie, en dat elke opiaat veroorzaakte unieke spectrale veranderingen.
Figuur 3 toont aan dat EEG-veranderingen geïllustreerd door de spectrogrammen kunnen worden gekwantificeerd en uitgedrukt als gemiddeld domineren spectrale vermogen van elke halve frequentie (Figuur 3A) en als het gemiddelde spectrale vermogen binnen specifieke EEG-frequentiebanden (Figuur 3B). De grootste verschillen met zoutoplossing werden veroorzaakt door buprenorfine en traden op in de Delta-en theta-reeksen.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60333/60333fig01.jpg"> Figuur 1: corticale EEG-opnames gebruikt om hypnogrammen en spectrogrammen te maken. A) EEG-golfvormen geregistreerd tijdens wakkerheid, NREM-slaap en REM-slaap tijdens een opname van een baseline (geen injectie). Elke trace toont 90 s van de opname. B) het hypnogram gebruikt de hoogte van de staven voor het overbrengen van de staat van bewustzijn (ordinaat) versus 4 h van opname (abscissa). C) taps toelopende spectrogrammen met behulp van een kleurenbalk voor het overbrengen van EEG-vermogen in decibel (DB, rechts ordinaat) of spectrale vermogensdichtheid bij verschillende EEG-frequenties in Hertz (Hz, linker ordinaat) als functie van de opnametijd van 4 uur (abscissa). Zwarte verticale lijnen zijn toegevoegd aan het Spectrogram om één aflevering elk van wakkerheid, NREM-slaap en REM-slaap te afbakenen. (Spectrogram parameters: samplingfrequentie = 500 Hz, fpass = 0,3 Hz en 30 Hz, opvulling = 2, tijd-bandbreedte = 15, aantal taps toeloers 29, proef gemiddelde = 1, duur van de tijd om te berekenen FFT ~ 30 s, stapgrootte van venster voor FFT berekening = 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60333/60333fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60333/60333fig02.jpg"> Figuur 2: spectrogrammen die veranderingen in EEG-vermogen en-frequentie illustreren als gevolg van opiaat-toediening. Elke Spectrogram plots EEG frequentie in Hertz (Hz, linker ordinaat) en decibel (dB) van EEG vermogen met behulp van een kleurenbalk (rechter ordinaat) voor 4 h (abscissa) na toediening van (a) zoutoplossing, (B) morfine, (C) buprenorfine, en (D) fentanyl. (Spectrogram parameters: bemonsteringsfrequentie = 500 Hz, fpass = 0,3 Hz en 30 Hz, opvulling = 2, tijds bandbreedte = 15, aantal taps toeloepen 29, proef gemiddelde = 1, tijd om te berekenen FFT ~ 30 s, stapgrootte van venster voor FFT deze berekening = 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60333/60333fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60333/60333fig03.jpg"> Figuur 3: opiaten veranderde de gemiddelde EEG-macht in de Delta-en theta EEG-frequentiebanden differentieel. A) geefteenoverzicht van het gemiddelde EEG-vermogen tijdens elke opname van 4 uur in Figuur 2. Ordinaat plots gemiddeld EEG-vermogen bij elke halve frequentie (abscissa). Ten opzichte van de fysiologische zout controle, elk van de andere drie functies vertonen opiaat-specifieke veranderingen in gemiddelde EEG macht. (B) illustreert het gemiddelde EEG-vermogen in vier EEG-frequentiebanden (Delta, theta, alpha en Beta) na toediening van zoutoplossing (S), buprenorfine (B), morfine (M) en fentanyl (F). Kleurcodering is hetzelfde voor vermogens functies in A en gemiddelde vermogens banden in B. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60333/60333fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Computer-based Multitaper Spectrogram Program for Electroencephalographic Data at JoVE.com

Computer-based Multitaper Spectrogram Program for Electroencephalographic Data

Dit protocol biedt een open source, gecompileerd MATLAB-programma dat multitaper-spectrogrammen genereert voor elektroencephalografische gegevens.

Computergebaseerd Multitaper Spectrogram programma voor Elektroencephalografische gegevens

Current web resources provide limited, user friendly tools to compute spectrograms for visualizing and quantifying electroencephalographic (EEG) data. ...

Dit protocol is belangrijk omdat het gebruikers in staat stelt om aanpasbare multitaper spectrogrammen te ontwikkelen zonder voorafgaande kennis van signaalverwerking. Het belangrijkste technische voordeel van het programma is het gebruiksvriendelijke ontwerp van het programma en de mogelijkheid om multitaper spectrogrammen te maken met behulp van computers zonder MATLAB-licenties. Zeven tot 10 dagen na de elektrodeimplantatieoperatie, configureer het data-acquisitiesysteem om alle signalen in millivolts op te nemen en eeg-opnames te verkrijgen voor de gewenste experimentele duur.Versterk en digitaliseer de ongefilterde EEG-signalen met behulp van de juiste instrumentatie en software voor gegevensverwerving. Dan hebben twee verschillende individuen onafhankelijk score elke 10-seconden bin van de digitale EEG, blauw spoor, en EMG, zwart spoor, opnames als wakkerheid, REM-slaap, of niet-REM-slaap in een geschikte slaap scoren software programma. Download het gecompileerde Multitaper Spectrogram Programma.Voor spectrogramberekening verkrijg je ruwe, onbewerkte EEG-gegevens in de bestandsindeling EDF of CSV en plaats het bestand op dezelfde locatie als het gecompileerde programmabestand en start u het Spectrogram-programma. Volg de pop-upprompts en selecteer de juiste bestandsindeling. Voer de volledige EEG-bestandsnaam in en selecteer de parameters voor de spectrogramberekening.Voer titels in voor zowel het spectrogram als eeg. Klik vervolgens op Bestand en Opslaan om het resulterende spectrogram en EEG-trace op te slaan in de gewenste bestandsindeling. Dit cijfer toont representatieve gelijkenissen en verschillen in corticale EEG tijdens wakkerheid, niet-REM-slaap, en REM-slaap.Dit hypnogram werd gebruikt om de temporele organisatie van de staat van slaap en wakkerheid in kaart te brengen op basis van beoordelingen van de EEG- en EMG-opnames. In tegenstelling tot het gediscretiseerde hypnogram kan een spectrogram worden gebruikt om zeer dynamische veranderingen in EEG-frequentie en -vermogen als functie van tijd te illustreren en om de overeenkomsten tussen het corticale EEG-signaal tijdens wakkerheid en REM-slaap te benadrukken. Deze multitaper spectrogrammen vatten elk vier uur EEG-opnames samen na systemische toediening van zout, morfine, buprenorfine of fentanyl.Deze figuur toont het gebruik van spectrogrammen om de effecten van verschillende opiaten op corticale EEG-kracht te visualiseren. De slow-wave activiteit aanwezig in de zoute toestand wordt geëlimineerd door morfine en buprenorfine. Na de toediening van fentanyl kan de stroom van slow-wave delta worden waargenomen.EEG-veranderingen geïllustreerd door de spectrogrammen kunnen verder worden gekwantificeerd en uitgedrukt als de gemiddelde spectrale kracht van elke halve frequentie domineren. Bijvoorbeeld, zoals geïllustreerd in deze grafiek, gemiddeld het spectrale vermogen binnen specifieke EEG-frequentiebanden bleek dat in de 0,5 tot vier hertz frequentiebereik, het EEG-vermogen was veel hoger met zout behandeling dan met buprenorfine. Muizen met chronisch geïmplanteerde EEG- en EMG-elektroden blijven vele maanden gezond, waardoor nieuwe studies van interacties tussen geneesmiddelen en chronische medicijnadministratie mogelijk zijn.Bovendien kunnen deze technieken nieuwe inzichten verschaffen in de inspanningen om chemische tegenmaatregelen te ontwikkelen tegen opiaten-geïnduceerde ademhalingsdepressie.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

A Lightweight, Headphones-based System for Manipulating Auditory Feedback in Songbirds

Een lichtgewicht, hoofdtelefoon-gebaseerd systeem voor het manipuleren van auditieve feedback in Zangvogels

Experimental manipulations of sensory feedback during complex behavior have provided valuable insights into the computations underlying motor control and ...

High-density Electroencephalographic Acquisition in a Rodent Model Using Low-cost and Open-source Resources

High-density Elektro-Aankoop in een knaagdier Model met behulp van goedkope en Open-source Resources

Advanced electroencephalographic analysis techniques requiring high spatial resolution, including electrical source imaging and measures of network ...

Analyzing Synaptic Modulation of Drosophila melanogaster Photoreceptors after Exposure to Prolonged Light

Analyzing Synaptic Modulation of Drosophila melanogaster Photoreceptors after Exposure to Prolonged Light

Het analyseren van Synaptic Modulatie van<em&gt; Drosophila melanogaster</em&gt; Fotoreceptoren na blootstelling aan Langdurige Light

The nervous system has the remarkable ability to adapt and respond to various stimuli. This neural adjustment is largely achieved through plasticity at ...

Modeling Fast-scan Cyclic Voltammetry Data from Electrically Stimulated Dopamine Neurotransmission Data Using QNsim1.0

Modellering Snel-scannen Cyclische Voltammetrie Gegevens van Elektrisch Gestimuleerde Dopamine Neurotransmissie Gegevens Met behulp van QNsim1.0

Central dopaminergic (DAergic) pathways have an important role in a wide range of functions, such as attention, motivation, and movement. Dopamine (DA) is ...

Electroencephalographic, Heart Rate, and Galvanic Skin Response Assessment for an Advertising Perception Study: Application to Antismoking Public Service Announcements

Electroencephalographic, hartslag, en galvanische Skin Response beoordeling voor een reclame perceptie studie: toepassing Antismoking openbare mededelingen

The evaluation of advertising, products, and packaging is traditionally performed through methods based on self-reports and focus groups, but these ...

Data Acquisition and Analysis In Brainstem Evoked Response Audiometry In Mice

Data-acquisitie en analyse in hersenstam evoked respons-Audiometrie bij muizen

Brainstem evoked response audiometry (BERA) is of central relevance in the clinical neurophysiology. As other evoked potential (EP) techniques, such as ...

Comprehensive Autopsy Program for Individuals with Multiple Sclerosis

Uitgebreid autopsie programma voor individuen met multiple sclerose

We describe a rapid tissue donation program for individuals with multiple sclerosis (MS) that requires scientists and technicians to be on-call 24/7, 365 ...

Reliable Acquisition of Electroencephalography Data during Simultaneous Electroencephalography and Functional MRI

Betrouwbare verwerving van elektro-encefalografiegegevens tijdens gelijktijdige elektro-encefalografie en functionele MRI

Simultaneous electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI), EEG-fMRI, combines the complementary properties of scalp EEG ...

Standardized Data Acquisition for Neuromelanin-Sensitive Magnetic Resonance Imaging of the Substantia Nigra

Gestandaardiseerde data-acquisitie voor neuromelanine-gevoelige magnetische resonantie beeldvorming van de Substantia Nigra

The dopaminergic system plays a crucial role in healthy cognition (e.g., reward learning and uncertainty) and neuropsychiatric disorders (e.g., ...

Analyses of Actin Dynamics, Clutch Coupling and Traction Force for Growth Cone Advance

Analyses van actinedynamica, koppelingskoppeling en tractiekracht voor groeiconusvooruitgang

To establish functional networks, neurons must migrate to their appropriate destinations and then extend axons toward their target cells. These processes ...