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

עבודה זו נתמכת בחלקו על ידי מענק NIH HL-65272. המחברים מודים לזכריה ט. גלואק וקלרנס א. לוקליר על תרומתם לפרויקט זה.

כל ההליכים הכרוכים בעכברים דבק את המדריך לטיפול והשימוש בחיות מעבדה (8ה מהדורה, לאומי לחצו על האקדמיות, וושינגטון DC, 2011) ו נבדקו ואושרו על ידי אוניברסיטת טנסי טיפול בעלי חיים מוסדיים והוועדה השתמש.
1. השרשה של אלקטרודות הקלטה ואיסוף נתונים ראשוניים
<ol><li>לרכוש עכברים ולשמור אותם בחדר לחות וטמפרטורה מבוקרת עם גישה מודעת מודעות למזון ולמים. אפשר לעכברים להסתגל לסביבה החדשה שלהם למשך שבוע אחד לפני השרשה כירורגית של אלקטרודות הקלטה. הליך ההשתלה תואר בפירוט1,14.</li>
	<li>. לחטא את כל הציוד הכירורגי</li>
	<li>. שנשלחו ב-2.5% חמצן ב-100%</li>
	<li>לאחר אובדן רפלקס הצתה, להסיר את העכבר מן התא אינדוקציה הרדמה ולהעביר אותו למסגרת סטריאוטקאית.</li>
	<li>החלת משחה אופטלמולוגית על שתי העיניים.</li>
	<li>הפחת את isof, to 1.7%, מועברת באופן רציף באמצעות מסכה.</li>
	<li>לעשות חתך הקרקפת באמצע הדרך כדי לחשוף את הגולגולת.</li>
	<li>מקדחה שתי כריתת גולגולת מעל קליפת שמאל וימין (כל אחד בקואורדינטות סטריאוטקאית קדמית = 1.0 ו לרוחב = 3.0 ביחס לברגמה15).</li>
	<li>הכנס את אלקטרודות ה-EEG לתוך כל פיום גולגולת ובטוח באקריליק שיניים.</li>
	<li>אלקטרודות דו קוטבית של השתל בשריר הטרפז הבסיסי עבור הקלטת אלקטרומיוגרמה (EMG). הערה: ארבע אלקטרודות מובלים מד אלחוטית מושתל תת-עורי מעל הרביע הימני התחתון של הגוף. טכניקות כירורגי אלה ניתן לראות כאן (https://www.datasci.com/services/dsi-surgical-services/surgical-videos).</li>
	<li>לאחר הניתוח, לנהל משכך כאבים carprofen ולמקם את העכבר בכלוב התאוששות חמה. להתבונן בעכבר עד שהוא אמבולטורי. . בית מושתל עכברים בנפרד</li>
	<li>עם התאוששות מלאה מן הניתוח, לטפל עכברים מדי יום ולהעריך את האיכות של הקלטות EEG ו-EMG.</li>
	<li>קבע את תצורת מערכת רכישת הנתונים להקלטת כל האותות ± 1,000 mV.</li>
	<li>השג הקלטות EEG ו-EMG למשך הצורך.</li>
	<li>ציון כל 10 s סל של EEG דיגיטלי ו-EMG הקלטות כמו עירות, העין תנועה מהירה (REM) לישון, או non-REM (NREM) לישון באמצעות תוכנה הבקיע שינה. הערה: בין זנים העכבר יש גנוטיפ-ו-ספציפיים המדינה הבדלים בכוח EEG מבוטא כאחוז של כוח סך16. ב-B6 עכברים, מצבי הערות מאופיינים על ידי 75-100 mV, מעורב תדר EEG, ועל ידי אותות EMG המציגה טונוס שרירים בולט עם עליות גדולות משרעת במהלך התנועה. קריטריונים של שינה הבקיע NREM כוללים הפחתת משרעת EMG ביחס משרעת EMG של ערות. EEG השינה NREM יש תדר איטי יותר משרעת הגדלת (100-150 mV) לעומת ערות. שינה REM מאופיין על ידי שריר השריר ואת אות EEG שדומה EEG של ערות.</li>
	<li>הורה לשני אנשים להבקיע באופן עצמאי את אותה רשומה. לפחות אדם אחד צריך להיות עיוור למצב הטיפול. ערכי קונקורדנציה בין שני ערכי השינה אמורים להיות גדולים מ-90%.</li>
</ol>2. מתקנים וציוד
<ol><li>ההגביר ודיגיטציה של אותות EEG ו-EMG מסוננים באמצעות מכשור רכישת נתונים ותוכנה. הערה: בארגז הכלים לניתוח ספקטרלי מהיר שפותח במעבדת מיטרה במעבדה קולד ספרינג הארבור משמש לבטא אותות EEG ככוח ביחס לתחומים בזמן ותדירות.</li>
</ol>3. חישוב ספקטרוגרם
<ol><li>אם משתמש של Windows, השתמש בתוכנית שעברה קומפילציה.</li>
	<li>אם משתמש של Macintosh, הפעל את קובץ הקוד הגולמי.</li>
	<li>השג נתונים גולמיים, לא מעובד EEG בתבנית קובץ של חה כ או CSV והציבו אותו באותו מיקום כמו קובץ התוכנית שעבר קומפילציה.<ol>
<li>ציין את שם קבצי הנתונים באמצעות האילוצים הבאים: על השמות להיות מורכבים מאותיות, מספרים, מקפים תחתונים או מקפים בלבד .</li>
		<li>שם קבצי הנתונים באמצעות האילוצים הבאים: שמות קבצים אינם חייבים להכיל נקודות, פסיקים, רווחים או סימנים אחרים.</li>
	</ol>
</li>
	<li>הורד את התוכנית הידור מרובת להתחל ספקטרוגרמה (<a href="https://drive.google.com/drive/folders/1cyb3T3IkjQvkc-H6lm__17CpRMqkTbNt?usp=sharing" target="_blank">https://drive.google.com/</a>).</li>
	<li>הפעל את התוכנית ספקטרוגרמה ובצע את ההנחיות הקופצות. בחר סוג קובץ: *. CSV או *. חה כ. הערה: פרטים נוספים על התקנת תוכנית ממוקמים בקובץ readme. txt.</li>
	<li>הקלד את שם קובץ ה-EEG כולו (לדוגמה, 419EEG. חה א או 419. EEG. csv).</li>
	<li>בחר פרמטרים עבור חישוב ספקטרוגרם: ברירת מחדל או חדש. שלב זה דורש את זמן העיבוד הארוך ביותר של הספקטרוגרם המחושב. פונקציית הרוח המתמטית (להתחדד) מספקת הערכות עצמאיות מבחינה סטטיסטית של הספקטרום הבסיסי. ככל שמשך ההקלטה יהיה ארוך יותר, כך השלב ימשיך להימשך. בפלטפורמת PC הפועלת ב-Windows 10 נדרש מקסימום כ-3 עד 4 דקות עבור הקלטה של 4 שעות.<ol>
<li>השתמש בפרמטרי הספקטרוגרם הבאים המהווים ברירת מחדל: תדר דגימה = 500 Hz הדבר מייצג את מספר הדגימות לשניה. fpass = 0.3 הרץ ו-30 Hz. Fpass מגדיר את תדרי הקלט ושולט בטווח התדרים המסופק בפלט. מרווח = 2. הריווח פועל כדי לבצע אינטרפולציה דק יותר של הפלט מבלי להשפיע על חישוב התוצאה בכל דרך. זה עשוי לסייע עם הדמיה וזיהוי מדויק של הקווים ספקטרלי. השדה הוא כל מספר שלם מ-1 ומעלה. מוצר רוחב פס זמן (NW) = 15. התוצר של משך הזמן הזמני. והרוחב הספקטרלי מספר הנרות = 29. בעת בחירת מספר האנשים, חיוני להשתמש 2NW-1. אין הגבלה על מספר האנשים שבשימוש. ככל שנעשה שימוש ביותר, הדבר יגרום להכללה של מרכיבים בעלי ריכוז גרוע ברוחב הפס המצוין. . ניסיון ממוצע = 1 פרמטר זה קובע אם יבוצע חישוב ממוצע של המשפט או הערוץ. אם פרמטר זה מוגדר כ-0, אין בממוצע הערוץ והפונקציה תיצור פלט של תוצאות עצמאיות עבור כל גירסת ניסיון או ערוץ שיועברו כנתוני קלט. עם זאת, אם ממוצע הניסיון מוגדר כ-1, התוצאה של התוצאות למשתמש מוגדרת בממוצע על-פני מבחנים או ערוצים. הגיע הזמן לחשב את FFT ~ 30 s. משמש לאחר האבולוציה של הספקטרום על ידי חישוב הספקטרום על חלונות קטנים רבים. גודל השלב של חלון עבור חישוב FFT = 5. הכמות שבה מתקדמת חלון הזמן ההזזה לאחר הביצוע של כל חישוב ספקטרום. הערה: הפרמטרים ברירת המחדל של הספקטרוגרם שצוינו בשלב 3.7.1 ניתן לשנות לפי הצורך.</li>
	</ol>
</li>
	<li>הזן כותרות עבור ספקטרוגרם ו-EEG.</li>
	<li>שמור את הספקטרוגרמה המתקבלת ו-EEG.<ol>
<li>שמור נתונים על-ידי לחיצה על קובץ | שמור בחלון האיור. הערה: הנתונים יספקו משתמשי תוכנית עם סיכומים שניתן לפתח לדמויות באיכות הפרסום.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. פתרון בעיות
<ol><li>הורד לדוגמה את נתוני ה-EEG של שינה לדוגמה לחישוב ספקטרוגרם.</li>
	<li>הפעל תוכנית עם הנתונים לדוגמה כדי לוודא שהמשתמש משתמש כראוי בתוכנית. מצא את הנתונים הבאים לדוגמה בנספח כדי להבטיח שהנתונים שנוצרו מהנתונים לדוגמה יהיו מדויקים. הערה: כל הציוד והחומרים ששימשו בשימוש סופקו ברשימת החומרים.</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>

למחברים אין ניגודי אינטרסים.

התוכנית המתוארת כאן פותחה כדי ליצור ספקטרוגרמה באמצעות תשעת השלבים המתוארים בפרוטוקול סעיף 3, חישוב ספקטרוגרמה. שלבים אלה כוללים רכישת תוכנית ספקטרוגרמה, להבטיח את פורמט הקובץ הנכון, ולשנות את הפרמטרים החישוביים עבור הדור של ספקטרוגרמות ייחודיות של המשתמש. משתמשים יכולים ליצור ספקטרוגרמות המותאמות למגוון של שאלות מושגיות ועיצובים ניסיוניים. על מנת לשפר את הקלות והיעילות של תהליך פיתוח זה, חיוני לספק את נתוני ה-EEG הגולמיים בתבנית הקובץ הנכונה, הקרויה על פי האילוצים המתוארים לעיל. למרות שאותות לדוגמה סופקו עבור נתוני EEG העכבר, התוכנית ספקטרוגרמה היא ישימה בקלות על נתוני ה-EEG של האדם ושאינם אנושיים, כי הם ללא מגבלות עיבוד אותות.
הגישה המומלצת לפתרון בעיות ולשינוי שיטה היא להתחיל בניתוח של ערכת נתונים קטנה. התוכנית העיקרית פלטי לשקול כוללים מגרשים של EEG מסוננים, כמו גם ספקטרוגרמה. היבט מושך של הספקטרוגרם מחודדות הוא שזה יכול להיות מיושם על מגוון רחב של אותות ביולוגיים תקופתיים. המגוון נע בין מעגלי אורך ארוך (24 שעות) מקצבים17 למקצבים מהירים מאוד כגון 1,000 Hz שיעורי פריקה של תא renshaw18.
עיצוב נתונים הוא אילוץ של פרוטוקול ספקטרוגרם זה. תבנית הנתונים האירופית (חה כ) משמשת רבות עם נתוני EEG. עם זאת, קיימות אפשרויות רבות אחרות לעיצוב. מסיבה זו, קובץ הקוד הגולמי נכלל (ראה 3.2 לעיל) במקרה שהמשתמש ירצה לשנות את תבנית הקובץ. בנוגע לקובץ התוכנית הגולמי, מגבלה נוספת היא הצורך להתנסות בשפת התכנות במחשב, כדי לשנות את תבנית הקובץ. לא לכל החוקרים יש גישה לתוכנה הקניינית ולמערך התוספים המלא. פרוטוקול זה פותח כדי לעקוף בעיה זו על-ידי מתן תוכנית שעברה קומפילציה הפועלת בהתקן מבוסס WINDOWS ללא רישוי תוכנה. הדבר מושג באמצעות תוסף זמן הריצה הנכלל בתוכנית שעברה קומפילציה ואינו מחייב רישום תוכנה על-ידי המשתמש.
זו שגרת EEG הספקטרוגרמה הוא רומן, קוד פתוח, מחשב מבוסס תוכנית המאפשרת למשתמשים ליצור אישית, ספקטרוגרמות רב להתחדד מתוך מגוון רחב של נתונים. למשתמש יש שליטה מלאה על כל ההיבטים החישוביים של דור ספקטרוגרם. ללא עיבוד אותות מראש ותכנות מחשבים, ייתכן שיהיה קשה ליצור מכשירים ספקטרוגרמות. הפרוטוקול המתואר כאן יקל על ייצור הספקטרוגרם. נא לראות את הסעיף חומר משלים עבור קריאות יותר עיבוד אותות הדרכה ספקטרוגרמה מרובה להתחדד.
חומר משלים <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-נתונים</a>

נתוני EEG יכולים להיות מנותח באופן גמיש בתחום התדר כדי לאפיין את הרמות של התעוררות התנהגותית נוירופיסיולוגית1. ספקטרוגרמות מרובת להתחדד להפוך את EEG גל לתוך תחומי הזמן והתדר, והתוצאה היא ויזואליזציה של כוח האות דינמי בתדרים שונים לאורך זמן. הספקטרוגרמה הרב להתחדד משתמשת בניתוח פורייה כדי לייצר הערכות דחיסות ספקטרליות. שערוך הצפיפות הספקטרלית מפריד צורת גל לתוך הגלים הsinusoidal טהורים המרכיבים את האות והוא אנלוגי לעקיפה של אור לבן באמצעות מנסרה כדי לראות את הספקטרום כולו של צבעים2. ספקטרוגרמה מרובת להתחדד של EEG מייצג את הפעילות המשולבת של רשתות מרובות של נוירונים עם הפרשות דפוסי הנדנוד בתדרים שונים2. בשל משמרת הזמן שלו קבוע, הטרנספורמציה פורייה נחשבת השינוי הטוב ביותר בין הזמן לבין מחשבים התדר3. בניתוח פורייה יש גם מספר מגבלות. . אותות EEG אינם נייחים לכן, לא ניתן להיתפס על שינויים קטנים תחת שיטות פורייה והניתוח עשוי להשתנות בהתאם לגודל ערכת הנתונים. עם זאת, משתמשים ברוח כאשר מיישמים התמרת פורייה לאות לא נייח. ההנחה היא שהספקטרום של האות משתנה רק בפרקי זמן קצרים. שיטה חלופית לניתוח ספקטרלי היא טרנספורמציה אדוה שעשויה להיות מתאימה יותר לגילוי מחלת מוח3.
מנקודת מבט פונקציונלית, תנודות שונות המרכיבות אות EEG הם ברמה נמוכה יותר, פנוטיפים תכונה מאפיינים של רמה גבוהה יותר, פנוטיפים המדינה כגון שינה וערנות2, או אובדן של ערות שנגרמו על ידיהרדמהכללית4,5,6. בנוגע למצבי שינה ועירות, הספקטרוגרמה ממחישה בבירור כי המקצבים המופקים של השינה הם רציפים ודינמיים7. תיאורים כמותיים של מצבי שינה וערנות מעורבים באופן מסורתי תהליך binning המקצה סיווג שינה או התעוררות לכל תקופה מוגדרת במפורש (למשל, 10 s) של הקלטת EEG. תאי מצב אלה מותווים לאחר מכן כפונקציה של זמן. קורס זמן מגרשים נתונים, המכונה לעתים קרובות היפנוזה, משמשים כדי להבדיל שינה נורמלית משינה כי הוא מופרת על ידי מחלות, מינהל התרופות, שינויים במקצבים אחראי, משמרת העבודה, וכו '. הגבלה של מגרשים היפנוזה היא שהם שאינם מבטאים אותות EEG על ידי ביטוי מצבי התעוררות כמו צורות גל מרובע. מזימות היפנוזה כרוכה בדיסקרטיות של מצבי התעוררות2 ואינה מאפשרת הצגה מרבית של שלבי ביניים או מעבר. יתר על כן, מגוון של 10 נקודות הבקיע לייצר דיסקרטיות הזמן על ידי הטלת גבול נמוך בסרגל הזמן. התוצאה של הדיסקרטיות של המדינה והזמן היא אובדן מידע נוירולוגי לגבי הקשר הדינמי בין מצבי תודעה2 לבין הפרעה בסמים של מדינות אלה4. לדוגמה, סוכני הרדמה שונים פועלים על מטרות מולקולריות שונות ורשתות עצביות. מניפולציה פרמקולוגית של רשתות עצביות אלה באופן אמין מייצרת ספקטרוגרמות ייחודי לסם, מינון, ותוואי המינהל4.
הפרוטוקול הנוכחי פותח כדי להקל על המחקר בנוגע למנגנונים שבהם האופיאטים משנים את השינה8, נושם9, נוקטרוזיה10, ונוירוכימיה מוחית11. פרוטוקול זה מתאר את השלבים הדרושים ליצירת ספקטרוגרם מרובה מחודדות עבור ניתוח EEG שניתן להשלים באמצעות תוכנה קניינית או מערכת שאין לה רשיון MATLAB. C57BL/6J (B6) עכברים שימשו כדי לאמת את היכולת של שיטה זו מבוססת המחשב כדי ליצור הרומן ספקטרוגרמות EEG במהלך נורמלי, מצבים מופרעת של שינה וערות ואחרי ניהול מערכתי של הרגעה. האמינות והחוקיות של הניתוחים אושרו על ידי השוואות שיטתית של הבדלים בין ספקטרוגרמות EEG לאחר שעכברים B6 קיבלו זריקות הצפק של תמיסת מלח (שליטה ברכב) ומינונים antinociceptive של מורפיום, buprenorphine, ו פנטניל.
מחקרים כמותיים של הדינמיקה של העכבר הנובית של EEG יש רלוונטיות טרנסלותיות על ידי מתן מודל למחקרים במטרה להשיג הבנה טובה יותר של ה-EEG האנושי האנושית12. כימות EEG הדינמיקה אינה רק תיאורית והוא יכול לתרום לגישות למידה מחשב שיכולים לחזות התעוררות המבוססת בחלק על נתוני EEG13. המטרה של הדו ח הנוכחי היא לקדם את המדע הטרנסג על-ידי מתן קוד ידידותי למשתמש ונגיש למחשוב הספקטרוגרמות רב להתחדד המאפיינות שינויים המושרה בסמים ב-EEG.

<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

משאבי אינטרנט נוכחיים מספקים כלים מוגבלים וידידותיים למשתמש לחישוב מכשירים ספקטרוגרמות לצורך המחשה ונתונים אלקטרונצלוגרפיה (EEG). נייר זה מתאר קוד מקור פתוח מבוסס Windows ליצירת ספקטרוגרמות מרובת להתחדד EEG. התוכנית שעברה קומפילציה נגישה למשתמשי Windows ללא רישוי תוכנה. עבור משתמשי Macintosh, התוכנית מוגבלת למשתמשים בעלי רשיון תוכנה MATLAB. התוכנית מומחש באמצעות ספקטרוגרמות EEG שמשתנות כפונקציה של מצבי שינה ועירות, ושינויים המושרה על ידי האופיום במדינות אלה. ה-EEGs של העכברים C57BL/6J הוקלטו באופן אלחוטי עבור 4 שעות לאחר הזרקה של תמיסת מלח (שליטה ברכב) ו מינונים antinociceptive של מורפיום, buprenorphine, ו פנטניל. הספקטרוגרמות הראו שבופרמורפין ומורפיום גרמו לשינויים דומים בכוח ה-EEG ב-1-3 Hz ו-8-9 Hz. ספקטרוגרמות לאחר שמנהל הפנטניל חשף להקות כוח ממוצעות בממוצע ב -3 Hz ו -7 Hz. הספקטרוגרמות מסיכה השפעות האופיום הדיפרנציאלי על תדר EEG וכוח. שיטות אלה מבוססות-מחשב ניתנות להכליל על פני מחלקות סמים וניתן לשנותם בקלות לכמת ולהציג מגוון רחב של אותות ביולוגיים קצבית.

הדמויות הבאות מתארות את סוג התובנות החדשות למדדים של מדדי המוח הניתנים על ידי ספקטרוגרמות.
איור 1A ממחיש את הדמיון ואת ההבדלים EEG של קליפת המוח במהלך הערות, nrem שינה, ו ראם שינה. חוקרים רבים משתמשים בעקבות מסוג זה, יחד עם הקלטות EMG (לא מוצג), כדי לכמת שינה וערות. איור 1B משתמש בעלילה היפגרמה כדי להעביר את הארגון הזמני של מצבי שינה וערות על בסיס הערכות של EEG ו-emg הקלטות. מדינות הבקיע ב 10 התקופות האלה והאפוקסי הללו הותוו כגרם היפנוזה במהלך 14,400 s הכולל את ההקלטה 4 h. מחלקות היפגרמה אינן ממחישים את העובדה שמעברים בין מדינות הן רציפות ולא לינארית. בניגוד לעלילה היפנוזה, ספקטרוגרמה (איור 1ג) ממחיש שינויים דינמיים ביותר בתדר EEG וכוח כפונקציה של זמן. ספקטרוגרמה גם מדגיש את הדמיון בין האות EEG קליפת המוח במהלך הערות במהלך השינה REM. שלוש תיבות על גבי ספקטרוגרמה (איור 1ג) מדינות מזוהה כערות (להתעורר), nrem שינה, ו REM לישון היפנוזה לעיל (איור 1B) ו מסופקים לסייע עם להמחיש את השינויים המפורטים בתדר EEG וכוח. הספקטרוגרמה להקלטה כולה מספקת הערכה מאוזנת של EEG כתהליך מתמשך.
איור 2 מספק ארבע ספקטרוגרמות רב להתחדד, כל הסיכום 4 h של הקלטות EEG לאחר מינהל הצפק מלוחים של תמיסת מלח, מורפיום, buprenorphine, ו פנטניל. כל ארבע ההקלטות הם מאותו עכבר החלו 2 h לאחר הופעת האור. הרגעה, אבל לא תמיסת מלח, העכבות NREM ו-REM שינה, והגדילה את כמות הערות. מספר תכונות הרומן מדמיינו על ידי ספקטרוגרמות. הזיהוי של תכונות EEG הרומן מציע את היישום הפוטנציאלי לבידול אופיאטים בסביבה איום כימי. לאחר הזרקה מלוחים (איור 2א) כמות הכוח הגדולה ביותר התגורר בטווח של 2-4 Hz, המציין את שינה nrem. שים לב כי ספקטרוגרמות EEG שונו ביסודה על ידי מינהל האופיום, וכי כל אופיאטים גרמו לשינויים ספקטרלי ייחודיים.
איור 3 מדגיםכי שינויי EEG מאוירים על ידי ספקטרוגרמות ניתן לכמת ומבוטא ככוח ספקטרלי לשלוט ממוצע של כל חצי תדר (איור 3א) וכוח ספקטרלי ממוצע בתוך להקות EEG בתדר ספציפי (איור 3ב). ההבדלים הגדולים ביותר מן המלח נגרמו על ידי בופרנורפין והתרחשו בטווחי דלתא ו תטא.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60333/60333fig01.jpg"> איור 1: הקלטות EEG הקורטיקלית המשמשות ליצירת היפנוזה וספקטרוגרמות. (א) צורות EEG שנרשמו במהלך עירות, שינה nrem, ו-REM שינה במהלך הקלטה בסיסית (ללא הזרקה). כל מעקב מראה 90 s של הקלטה. (ב) ההיפנוזה משתמשת בגובה הסורגים להעברת מצב התודעה (מתאם) לעומת הקלטה של 4 שעות (abscissa). (ג) ספקטרוגרמה מחודדות באמצעות סרגל צבע להעברת כוח EEG בדציבלים (dB, מתאם נכון) או צפיפות כוח ספקטרלית בתדרי EEG שונים בהרץ (Hz, שמאל מתאם) כפונקציה של 4 h הקלטה זמן (abscissa). קווים אנכיים שחורים נוספו לספקטרוגרמה כדי להתוות פרק אחד של ערות, שינה NREM, ו-REM שינה. (פרמטרים ספקטרוגראם: תדר דגימה = 500 hz, fpass = 0.3 hz ו -30 hz, מרווח = 2, זמן רוחב-פס = 15, מספר האנשים של נרות 29, ניסיון ממוצע = 1, משך הזמן לחישוב FFT ~ 30 s, גודל הצעד של חלון עבור FFT חישוב = 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60333/60333fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60333/60333fig02.jpg"> איור 2: ספקטרוגרמות הממחישות שינויים בכוח EEG ובתדר הנגרמים על ידי מינהל האופיום. כל ספקטרוגרם מתווה תדר EEG בהרץ (Hz, שמאל מופרזת) ו דציבלים (dB) של כוח EEG באמצעות סרגל צבע (מתאםנכון) עבור 4 h (abscissa) אחרי מינהל של (א) תמיסת מלח, (ב) מורפיום, (ג) בופרימורצין, ו (ד) פנטניל. (פרמטרים ספקטרוגראם: תדר דגימה = 500 hz, fpass = 0.3 hz ו -30 hz, מרווח = 2, זמן רוחב-פס = 15, מספר האנשים של נרות 29, ניסיון ממוצע = 1, הזמן לחשב FFT ~ 30 s, גודל הצעד של חלון עבור FFT חישוב = 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60333/60333fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60333/60333fig03.jpg"> איור 3: הרגעה שינתה את כוח ה-eeg הממוצע בתוך להקות תדר eeg ותטא. (א) מסכמת את כוח ה-EEG הממוצע במהלך כל הקלטה של 4 שעות המוצגת באיור 2. מגרשים מתאם כוח EEG הממוצע בכל תדר חצי (abscissa). ביחס לבקרת מלוחים, כל אחת משלוש הפונקציות האחרות להראות שינויים ספציפיים לאופיום בכוח ה-EEG הממוצע. (ב) ממחיש את כוח ה-eeg הממוצע בארבעה להקות eeg (דלתא, תטא, אלפא, בטא) לאחר ניהול של מלוחים (S), בופרנורפין (ב), מורפיום (ז), ו פנטניל (נ). קידוד צבעים זהה עבור פונקציות צריכת חשמל ב- A ו-ממוצע להקות כוח ב- B. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60333/60333fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</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

פרוטוקול זה מספק מקור פתוח, הידור תוכנית MATLAB שמייצר ספקטרוגרמות רב להתחדד עבור נתוני אלקטרונצלוגרפיה.

תוכנית ספקטרוגרמה מרובת להתחל במחשב לקבלת נתונים אלקטרונצלוגרפיים

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

פרוטוקול זה הוא משמעותי מכיוון שהוא מאפשר למשתמשים לפתח ספקטרוגרמים רב-תכליתיים הניתנים להתאמה אישית ללא ידע קודם בעיבוד אותות. היתרון הטכני העיקרי של התוכנית הוא העיצוב הידידותי למשתמש של התוכנית והיכולת ליצור ספקטרוגרמים מרובי טפרים באמצעות מחשבים ללא רישוי MATLAB. שבעה עד עשרה ימים לאחר ניתוח השתלת האלקטרודה, להגדיר את מערכת רכישת הנתונים כדי להקליט את כל האותות במילי-וולט, ולקבל הקלטות EEG למשך הניסוי הרצוי.הגבר והפוך את אותות ה- EEG הלא מסונים לדיגיטליים באמצעות המכשור והתוכנה המתאימים לרכישת נתונים. לאחר מכן יש שני אנשים שונים באופן עצמאי ציון כל סל 10 שניות של EEG דיגיטלי, עקבות כחולים, ו EMG, עקבות שחורים, הקלטות כמו ערנות, שנת REM, או שאינם REM שינה בתוכנה מתאימה ניקוד שינה. הורד את תוכנית הספקטרוגרם מרובת התיוגים המהודרת.עבור חישוב ספקטרוגרמה, השג נתוני EEG גולמיים ולא מתוכנתים בתבנית קובץ EDF או CSV, והצב את הקובץ באותו מיקום שבו נמצא קובץ התוכנית המהודר, וה הפעל את תוכנית הספקטרוגרם. פעל בהתאם לבקשות המוקפצים ובחר בתבנית הקובץ המתאימה. הזינו את שם קובץ ה- EEG כולו ובחרו בפרמטרים לחישוב הספקטרוגרמה.הזן כותרות הן עבור הספקטרוגרמה והן עבור EEG. לאחר מכן, לחץ על קובץ ושמור כדי לשמור את הספקטרוגרמה ועקבות EEG המתקבלות בתבנית הקובץ הרצויה. נתון זה מראה קווי דמיון מייצגים והבדלים ב- EEG קליפת המוח במהלך ערנות, שינה שאינה REM ושינה ב- REM.היפנוגרמה זו שימשה כדי להתוות את הארגון הזמני של מצבי השינה והתעוררות בהתבסס על הערכות של הקלטות EEG ו- EMG. בניגוד להיפנוגרמה הדיסקרטית, ניתן להשתמש בספקטרוגרם כדי להמחיש שינויים דינמיים מאוד בתדירות ובעוצמה של EEG כפונקציה של זמן ולהדגיש את הדמיון בין אות ה- EEG קליפת המוח במהלך ערנות לשינה REM. ספקטרוגרמות מרובות דוגמאות אלה מסכמות כל אחת ארבע שעות של הקלטות EEG לאחר ניהול מערכתי של מלוחים, מורפיום, בופרנורפין או פנטניל.איור זה מראה את השימוש בספקטרוגרמים כדי לדמיין את ההשפעות של אופיאטים שונים על כוח EEG קליפת המוח. פעילות הגל האיטי הקיימת במצב מלוחים מסולקת על ידי מורפיום ובופרנורפין. לאחר ניהול פנטניל, כוח דלתא גל איטי ניתן לראות.שינויי EEG המאוירים על ידי הספקטרוגרמים יכולים להיות מכומתים עוד יותר ומתבטאים כעוצמה הספקטרלית השולטת הממוצעת בכל תדר למחצה. לדוגמה, כפי שמודגם בגרף זה, ממוצע הכוח הספקטרלי בתוך רצועות תדר EEG ספציפיות גילה כי בטווח התדרים 0.5 עד 4 הרץ, כוח EEG היה הרבה יותר גבוה עם טיפול מלוחים מאשר עם buprenorphine. עכברים עם אלקטרודות EEG ו- EMG מושתלים כרונית נשארים בריאים במשך חודשים רבים, ומאפשרים מחקרים חדשניים של תגובות בין תרופתיות ומינהל תרופות כרוני.בנוסף, טכניקות אלה יכולות לספק תובנות חדשות על המאמצים לפתח אמצעי נגד כימיים לדיכאון נשימתי הנגרם על ידי אופיום.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

, מערכת אוזניות קלה משקל מבוססת על מניפולצית משוב שמיעתי בציפורי שיר

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

Electroencephalographic רכישה בצפיפות גבוהה במודל מכרסם שימוש בעלות נמוכה ומשאבי קוד פתוח

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

ניתוח Synaptic אפנון של<em&gt; תסיסנית</em&gt; קולטני אור לאחר חשיפה לאור ממושך

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

דוגמנות מהירה סריקה מחזורית Voltammetry נתונים מ חשמלית חשמלית דופמין ניטור נתונים באמצעות 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, קצב הלב, והערכה בעור על התפיסה פרסום מחקר: ליישום תשדירי שירות תדמית

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

רכישת נתונים וניתוח בברטומטריה תגובה מעורר בעכברים

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

שלאחר המוות תוכנית מקיפה עבור אנשים עם טרשת נפוצה

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

רכישה אמינה של נתוני אלקטרואנצפלוגרפיה במהלך אלקטרואנצפלוגרפיה סימולטנית ו-MRI פונקציונלי

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

רכישת נתונים מתוקננת להדמיית תהודה מגנטית רגישה לנוירומלנין של 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

ניתוחים של אקטין דינמיקה, מצמד צימוד וכוח המתיחה לקידום קונוס צמיחה

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