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

Dette arbeidet støttes delvis av en NIH Grant HL-65272. Forfatterne takker Zachary T. Glovak og Clarence E. Locklear for deres bidrag til dette prosjektet.

Alle prosedyrer som involverer mus levd opp til guide for Stell og bruk av Laboratoriedyr (8th Edition, National akademi press, Washington DC, 2011) og ble gjennomgått og godkjent av University of Tennessee institusjonelle Animal Care og use Committee.
1. implementering av opptaks elektroder og innledende data innsamling
<ol><li>Kjøp mus og holde dem i en fuktighet-og temperaturstyrt rom med ad lib tilgang til mat og vann. Tillat mus å tilpasse seg sitt nye miljø i en uke før kirurgisk implantation av opptaks elektroder. Implantat prosedyren er beskrevet i detalj1,14.</li>
	<li>Sterilisere alt kirurgisk utstyr.</li>
	<li>Bedøve mus med isoflurane på 2,5% − 3% leveres i 100% oksygen.</li>
	<li>Etter tapet av rettende refleks, fjerne musen fra anestesi induksjon kammeret og overføre den til en stereotaxic ramme.</li>
	<li>Påfør en øye salve på begge øynene.</li>
	<li>Reduser isoflurane til 1,7%, kontinuerlig levert via en maske.</li>
	<li>Lag en midtlinjen hodebunn innsnitt å utsette skallen.</li>
	<li>Bor to craniotomies over venstre og høyre cortex (hver på stereotaxic koordinater fremre = 1,0 og lateral = 3,0 i forhold til bregma15).</li>
	<li>Sett EEG-elektrodene i hver kraniotomi og sikre med Dental akryl.</li>
	<li>Implantat bipolar elektroder i rygg trapezius muskelen for innspilling av electromyogram (EMG). Merk: De fire elektrodene er ført til en trådløs måleren implantert subkutant over nedre høyre kroppen kvadrant. Disse kirurgiske teknikker kan sees her (https://www.datasci.com/services/dsi-surgical-services/surgical-videos).</li>
	<li>Etter operasjonen, administrere smertestillende karprofen og plassere musen i en varm utvinning buret. Observer musen til den er oppegående. House implantert mus individuelt.</li>
	<li>Ved full gjenoppretting fra kirurgi, håndtere mus daglig og vurdere kvaliteten på EEG og EMG innspillinger.</li>
	<li>Konfigurer datainnsamlings systemet for å registrere alle signaler ± 1 000 mV.</li>
	<li>Skaff EEG og EMG innspillinger for varigheten nødvendig.</li>
	<li>Score hver 10 s bin av de digitale EEG og EMG innspillinger som våkenhet, rask øyebevegelse (REM) søvn, eller ikke-REM (REM) søvn ved hjelp av søvn scoring programvare. Merk: Blant mus stammer er det genotype-og statlige-spesifikke forskjeller i EEG makt uttrykt som en prosentandel av den totale makten16. I B6 mus, tilstander av våkenhet er preget av en 75-100 mV, blandet frekvens EEG, og ved EMG signaler som viser fremtredende muskeltonus med store økninger i amplitude under bevegelse. Kriterier for scoring REM søvn inkluderer en reduksjon i EMG amplitude i forhold til EMG amplitude av våkenhet. REM søvn EEG har en langsommere frekvens og økt amplitude (100 − 150 mV) sammenlignet med våkenhet. REM søvn er preget av muskel atonia og en EEG signal som ligner på EEG av våkenhet.</li>
	<li>Be to personer om å score den samme posten uavhengig av hverandre. Minst én person bør være blindet av behandlingssituasjonen. Samsvars verdier mellom de to søvn skårer bør være større enn 90%.</li>
</ol>2. fasiliteter og utstyr
<ol><li>Forsterk og digitalisere ufiltrert EEG-og EMG-signaler ved hjelp av datainnsamlings instrumentering og-programvare. Merk: Den Chronux Spectral Analysis Toolbox utviklet i mitra Laboratory ved Cold Spring Harbor Laboratory brukes til å uttrykke EEG signaler som makt i forhold til tid og frekvens domener.</li>
</ol>3. Spektrogram beregning
<ol><li>Hvis en Windows-bruker, kan du bruke det kompilerte programmet.</li>
	<li>Hvis en Macintosh-bruker, kan du kjøre RAW-kode filen.</li>
	<li>Få rå, ubehandlet EEG data i enten EDF eller CSV filformat og plassere den på samme sted som den kompilerte programfilen.<ol>
<li>Gi navn til datafilene ved hjelp av følgende begrensninger: navn må bestå av bare bokstaver, tall, understrekingstegn eller tankestreker.</li>
		<li>Gi navn til datafilene ved hjelp av følgende begrensninger: filnavn kan ikke inneholde punktum, komma, mellomrom eller andre symboler.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Last ned den kompilerte Multitaper Spektrogram program (<a href="https://drive.google.com/drive/folders/1cyb3T3IkjQvkc-H6lm__17CpRMqkTbNt?usp=sharing" target="_blank">https://Drive.google.com/</a>).</li>
	<li>Start Spektrogram programmet, og følg hurtig anvisningene. Velg filtype: *. CSV eller *. Edf. Merk: Ytterligere program Installasjonsdetaljer ligger i readme. txt filen.</li>
	<li>Skriv inn hele EEG filnavnet (f. eks, 419eeg. EDF eller 419. EEG. csv).</li>
	<li>Velg parametere for Spektrogram beregning: standard eller ny. Dette trinnet krever den lengste behandlingstiden når Spektrogram blir beregnet. Den matematiske vindaugesystemet funksjonen (taper) gir statistisk uavhengige anslag over det underliggende spekteret. Jo lengre opptaksvarighet, jo lenger vil dette trinnet ta. På en PC-plattform som kjører Windows 10 dette kreves maksimalt ca 3 − 4 min for en 4 h innspilling.<ol>
<li>Bruk følgende standard Spektrogram parametere: Samplingsfrekvens = 500 Hz. Dette representerer antall prøver per sekund. fpass = 0,3 Hz og 30 Hz. Fpass definerer frekvensene for inn data og kontrollerer frekvensområdet som er angitt i utdataene. Utfylling = 2. Padding arbeider for å fint interpolere utdataene uten å påvirke resultatet beregning på noen måte. Dette kan bistå med visualisering og presis identifisering av Spectral linjer. Feltet er et hvilket som helst heltall fra-1 og oppover. Tid-båndbredden fabrikat (NW) = 15. Produktet av signalet Temporal varighet og Spectral bredde. Antall tapers = 29. Når du velger antall tapers, er det viktig å bruke 2NW-1. Det er ingen grense for hvor mange tapers som brukes. Jo mer tapers som brukes vil resultere i inkludering av tapers med dårlig konsentrasjon i den angitte frekvensbåndbredde. Prøveversjon gjennomsnitt = 1. Denne parameteren styrer hvorvidt prøve-eller kanal snitt utføres. Hvis denne parameteren settes til 0, er det ingen kanal i snitt, og funksjonen vil sende uavhengige resultater for hver prøve eller kanal som sendes som inn data. Hvis prøve gjennomsnittet er satt til 1, er imidlertid resultatene utdata til brukeren gjennomsnitt over forsøk eller kanaler. Tid for å beregne FFT ~ 30 s. brukes til å følge utviklingen av spekteret ved å beregne spekteret over mange små vinduer. Trinn størrelsen på vinduet for FFT-beregningen = 5. Mengden glidende tidsvindu avanserer etter hvert spektrum beregningen er utført. Merk: Standard Spektrogram parametre angitt i trinn 3.7.1 kan endres etter behov.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Angi titler for både Spektrogram og EEG.</li>
	<li>Lagre resulterende Spektrogram og EEG.<ol>
<li>Lagre tall ved å klikke på fil | Lagre i figurvinduet. Merk: Tallene vil gi programmet brukere med Sammendrag som kan utvikles til publisering-kvalitet tall.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. feilsøking
<ol><li>Last ned prøven musen sove EEG data for sample Spektrogram beregningen.</li>
	<li>Kjør programmet med eksempeldataene for å sikre at brukeren bruker programmet riktig. Finn tallene for disse eksempeldataene i tillegget for å sikre at tallene som er opprettet fra eksempeldataene, er nøyaktige. Merk: Alt utstyr og materialer som brukes har blitt gitt i tabellen av materialer.</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>

Forfatterne har ingen interessekonflikter.

Programmet er beskrevet her ble utviklet for å lage en Spektrogram ved hjelp av ni trinn skissert i protokollen § 3, Spektrogram beregning. Disse trinnene innebærer å anskaffe Spektrogram programmet, sikre riktig filformat, og endre beregningsorientert parametere for generering av unike bruker spektrogrammer. Brukere kan opprette spektrogrammer som er skreddersydd til en rekke konseptuelle spørsmål og eksperimentelle design. For å forsterke den enkle og effektive av denne utviklingsprosessen, er det viktig å gi rå EEG data i riktig filformat, oppkalt etter de begrensningene som er beskrevet ovenfor. Selv om eksempel signaler har blitt gitt for mus EEG data, Spektrogram programmet er lett tilgjengelig for menneskelige og ikke-menneskelige EEG data som er fri for signalbehandling begrensninger.
Den anbefalte fremgangsmåten for feilsøking og metode endring er å begynne med å analysere et lite datasett. De store programmet utganger for å vurdere inkludere tomter av filtrert EEG samt Spektrogram. Et tiltalende aspekt av den koniske Spektrogram er at den kan brukes på en rekke periodiske, biologiske signaler. Variasjonen spenner fra lang varighet døgn (24 h) rytmer17 til svært raske rytmer som 1 000 Hz utladnings rater på en Renshaw celle18.
Data formatering er en begrensning i denne Spektrogram protokollen. European data format (EDF) er mye brukt med EEG data. Det finnes imidlertid mange andre formateringsalternativer. Av denne grunn har den rå kode filen blitt inkludert (se 3,2 ovenfor) i tilfelle brukeren ønsker å endre filformatet. Med hensyn til det ømt punkt program arkiv, en annen begrensningen er behovet for erfaring med det computer programmerer omgangsspråk for at endre filen formatter. Ikke alle undersøkere har tilgang til den proprietære programvaren og hele utvalget av plug-ins. Denne protokollen ble utviklet for å omgå dette problemet ved å tilby et kompilert program som kjører på en WINDOWS-basert enhet uten programvarelisensiering. Dette oppnås gjennom RUNTIME plugin som er inkludert i den kompilerte programmet og krever ikke noen programvareregistrering av brukeren.
Dette EEG Spektrogram rutine er en roman, åpen kildekode, datamaskin-basert program som lar brukerne lage personlige, multitaper spektrogrammer fra et bredt spekter av data. Brukeren har full kontroll over alle beregningsorientert aspekter ved Spektrogram generasjon. Uten tidligere signalbehandling og kunnskap om programmering, kan spektrogrammer være vanskelig å generere. Protokollen som beskrives her, vil forenkle Spektrogram generering. Vennligst se supplerende Material seksjonen for ytterligere signal behandlings avlesninger og multitaper Spektrogram veiledning.
Supplerende materiale <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 data kan være produktivt analysert i frekvens domene for å karakterisere nivåer av atferdsmessige og nevrofysiologiske opphisselse1. Multitaper spektrogrammer transformere EEG bølgeform i tid og frekvens domener, noe som resulterer i visualisering av dynamisk signal kraft på ulike frekvenser over tid. Multitaper Spektrogram bruker Fourier-analyse for å produsere estimater for Spectral Density. En Spectral Density estimering skiller en bølgeform inn i de rene sinusformet bølgene bestående av signalet og er analogt med Diffraksjon av hvitt lys gjennom et prisme for å se hele spekteret av farger2. Den multitaper Spektrogram av EEG representerer den kombinerte aktiviteten til flere nettverk av neurons med utslipp mønstre som svinge på ulike frekvenser2. På grunn av sin tidsforskyvning invariant, er Fourier Transform regnes som den beste transformasjonen mellom tid og frekvens domener3. Fourier-analyse har også en rekke begrensninger. EEG-signalene er nonstationary. Derfor kan små endringer ikke oppfattes under Fourier-metoder og analysen kan endres avhengig av størrelsen på datasettet. Men vindaugesystemet brukes når du søker en Fourier Transform til en nonstationary signal. Dette forutsetter at spekteret av signalet endres bare marginalt over korte tidsperioder. En alternativ metode for Spectral analyse er wavelet transformere som kan være mer hensiktsmessig for å oppdage hjernen sykdom3.
Fra et funksjonelt perspektiv, de ulike svingninger bestående av en EEG-signal er lavere nivå, trekk fenotyper karakteristisk for høyere nivå, statlige fenotyper som søvn og våkenhet2, eller tap av våkenhet forårsaket av generell anestesi4,5,6. Når det gjelder tilstander av søvn og våkenhet, den Spektrogram tydelig illustrerer at endogenously genererte rytme i søvn er kontinuerlig og dynamisk7. Kvantitative beskrivelser av tilstander av søvn og våkenhet har tradisjonelt involvert en binning prosess som tildeler en søvn eller vekke klassifisering til hver spesifikt definert epoke (for eksempel 10 s) av EEG-opptaket. Disse tilstands hyllene blir deretter plottet som en funksjon av tid. Tid kurs data tomter, ofte referert til som hypnograms, brukes til å differensiere normal søvn fra søvn som er forstyrret av sykdom, narkotika administrasjon, endringer i døgn rytmer, skiftarbeid, etc. En begrensning av hypnogram plott er at de uriktige opplysninger EEG signaler ved å uttrykke opphisselse stater som firkantede bølgeformer. Hypnogram plotting innebærer en Diskretiseringsmetoder av opphisselse stater2 og tillater ikke en fint kornet visning av mellomliggende eller overgangs etapper. Videre, 10 s scoring epoker produsere en Diskretiseringsmetoder tid ved å innføre en nedre grense på tidsskalaen. Resultatet av Diskretiseringsmetoder av både stat og tid er tap av nevrofysiologiske informasjon om dynamisk samspill mellom tilstander av bevissthet2 og narkotika-indusert avbrudd av disse statene4. For eksempel ulike bedøvelse agenter opptre på ulike molekylære mål og nevrale nettverk. Farmakologisk manipulasjon av disse nevrale nettverk produserer pålitelig spektrogrammer unik for stoffet, dose, og rute for administrasjon4.
Den nåværende protokollen ble utviklet for å lette forskningen om mekanismene der opioider endrer søvn8, pusting9, Nociception10og Brain neurochemistry11. Denne protokollen beskriver fremgangsmåten som kreves for å opprette en multitapered-Spektrogram for EEG-analyser som kan fullføres ved hjelp av proprietær programvare eller et system som ikke har MATLAB-lisensiering. C57BL/6J (B6) mus ble brukt til å validere evnen til denne datamaskin-basert metode for å lage romanen EEG spektrogrammer under normale, uforstyrret tilstander av søvn og våkenhet og etter systemisk administrasjon av opiater. Påliteligheten og gyldigheten av analysene ble bekreftet av systematiske sammenligninger av forskjeller mellom EEG spektrogrammer etter B6 mus fikk intraperitoneal injeksjoner av saltvann (kjøretøy kontroll) og antinociceptive doser av morfin, buprenorfin, og fentanyl.
Kvantitative studier av nyfødte mus EEG dynamikk har translational relevans ved å tilby en modell for studier som tar sikte på å oppnå en bedre forståelse av nyfødt menneske EEG12. Kvantifisere EEG dynamikk er ikke bare beskrivende og kan bidra til maskinlæring tilnærminger som kan forutsi opphisselse basert delvis på EEG data13. Målet med denne rapporten er å fremme translational vitenskap ved å tilby en allment tilgjengelig, brukervennlig kode for databehandling multitaper spektrogrammer som karakteriserer narkotika-indusert endringer i musen 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

Nåværende webressurser gir begrenset, brukervennlige verktøy for å beregne spektrogrammer for visualisering og kvantifisere elektroencefalografiske (EEG) data. Dette papiret beskriver en Windows-basert, åpen kildekode-kode for å lage EEG multitaper spektrogrammer. Det kompilert program er tilgjengelighet å Vinduer brukernes uten programvarelisensiering. For Macintosh-brukere er programmet begrenset til de med en MATLAB programvarelisens. Programmet er illustrert via EEG spektrogrammer som varierer som en funksjon av tilstander av søvn og våkenhet, og opiat-indusert endringer i disse statene. Den EEGs av C57BL/6J mus ble trådløst innspilt for 4 h etter intraperitoneal injeksjon av saltvann (kjøretøy kontroll) og antinociceptive doser av morfin, buprenorfin, og fentanyl. Spektrogrammer viste at buprenorfin og morfin forårsaket liknende endringer i EEG-kraft ved 1 − 3 Hz og 8 − 9 Hz. Spektrogrammer etter administrering av fentanyl avslørte maksimalt gjennomsnittlig effekt bånd ved 3 Hz og 7 Hz. Den spektrogrammer avslørt differensial opiat effekter på EEG frekvens og makt. Disse datamaskin-baserte metoder er generaliserings på tvers av narkotika klasser og kan lett endres for å kvantifisere og vise et bredt spekter av rytmiske biologiske signaler.

Følgende figurer illustrerer den type romanen innsikt i EEG indekser av hjernen excitability som er levert av spektrogrammer.
Figur 1A illustrerer likheter og forskjeller i kortikale EEG under våkenhet, REM søvn, og REM søvn. Mange etterforskere bruker slike spor, sammen med EMG innspillinger (ikke vist), for å kvantifisere søvn og våkenhet. Figur 1B bruker en hypnogram tomten til å formidle den timelige organiseringen av tilstander av søvn og våkenhet basert på vurderinger av EEG og EMG innspillinger. Statene ble scoret i 10 s epoker og disse epoker ble plottet som hypnogram under 14 400 s består av 4 h innspillingen. Hypnogram tomter illustrerer ikke det faktum at overganger mellom statene er kontinuerlig og ikke-lineær. I motsetning til en hypnogram plot, Spektrogram (figur 1C) illustrerer svært dynamiske endringer i EEG frekvens og makt som en funksjon av tid. Spektrogram fremhever også likhetene mellom kortikale EEG signal under våkenhet og under REM-søvn. De tre boksene lagt på Spektrogram (figur 1C) Merk stater identifisert som våkenhet (våkne), REM søvn, og REM søvn i hypnogram ovenfor (figur 1B) og er gitt for å bistå med å visualisere de detaljerte endringene i EEG frekvens og makt. Spektrogram for hele innspillingen gir en nyansert styrking av EEG som en kontinuerlig prosess.
Figur 2 gir fire multitaper spektrogrammer, hver oppsummerer 4 h av EEG innspillinger etter intraperitoneal administrering av saltvann, morfin, buprenorfin, og fentanyl. Alle fire opptakene er fra samme mus og ble påbegynt 2 t etter lys utbruddet. Opiater, men ikke saltvann, hemmet REM og REM søvn, og økt mengden av våkenhet. En rekke romanen funksjoner er visualisere av spektrogrammer. Oppdagelsen av romanen EEG funksjoner antyder den potensielle anvendelsen av opiat differensiering i en kjemisk trussel miljø. Etter saltvann injeksjon (figur 2A) den største mengden strøm bodde i 2-4 Hz Range, indikerer REM søvn. Merk at EEG-spektrogrammer ble fundamentalt endret av opiat administrasjon, og at hvert opiat forårsaket unike Spectral endringer.
Figur 3 viser at EEG endringer illustrert av spektrogrammer kan være kvantifisert og uttrykt som gjennomsnittet dominerer Spectral kraft av hver halv frekvens (Figur 3A) og som den gjennomsnittlige Spectral kraft innen bestemte EEG frekvensbånd (Figur 3B). De største forskjellene fra saltvann ble forårsaket av buprenorfin og skjedde i deltaet og theta-områdene.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60333/60333fig01.jpg"> Figur 1: KORTIKALE EEG-innspillinger som brukes til å lage hypnograms og spektrogrammer. (A) EEG bølgeformer innspilt under VÅKENHET, REM søvn, og REM søvn under en Baseline (ingen injeksjon) innspilling. Hver spor viser 90 s av innspillingen. (B) hypnogram bruker høyden på stolpene for å formidle bevissthetstilstand (koordinere) versus 4 h av opptaket (abscissa). (C) konisk Spektrogram ved hjelp av en farge stang for å formidle EEG-kraft i desibel (DB, høyre koordinere) eller Spectral effekttetthet ved forskjellige EEG-frekvenser i Hertz (Hz, venstre koordinere) som en funksjon av 4 timer opptakstid (abscissa). Svarte vertikale linjer har blitt lagt til Spektrogram å avgrense en episode hver av våkenhet, REM søvn, og REM søvn. (Spektrogram parametere: samplingsfrekvens = 500 Hz, fpass = 0,3 Hz og 30 Hz, utfylling = 2, tids båndbredde = 15, antall tapers 29, prøve gjennomsnitt = 1, varighet av tid til å beregne FFT ~ 30 s, trinn størrelsen på vinduet for FFT beregning = 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60333/60333fig1large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60333/60333fig02.jpg"> Figur 2: spektrogrammer illustrerer endringer i EEG kraft og frekvens forårsaket av opiat administrasjon. Hver Spektrogram tomter EEG frekvens i Hertz (Hz, venstre koordinere) og desibel (dB) av EEG strøm ved hjelp av en farge bar (høyre koordinere) for 4 h (abscissa) etter administrering av (a) Saline, (B) morfin, (C) buprenorfin, og (D) fentanyl. (Spektrogram parametere: samplingsfrekvens = 500 Hz, fpass = 0,3 Hz og 30 Hz, utfylling = 2, tids båndbredde = 15, antall tapers 29, prøve gjennomsnitt = 1, tid for å beregne FFT ~ 30 s, trinn størrelse på vindu for FFT-beregning = 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60333/60333fig2large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60333/60333fig03.jpg"> Figur 3: opiater differensielt endret gjennomsnittlig EEG makt innen deltaet og THETA EEG frekvensbånd. (A) OPPSUMMERER gjennomsnittlig EEG strøm under hver 4 h innspillingen vist i figur 2. Koordinere tomter gjennomsnittlig EEG strøm på hver halv frekvens (abscissa). I forhold til saltvann kontroll, hver av de tre andre funksjonene viser opiat-spesifikke endringer i gjennomsnitt EEG makt. (B) illustrerer den gjennomsnittlige EEG makten i fire EEG frekvensbånd (delta, theta, Alpha og Beta) etter administrering av saltvann (S), buprenorfin (B), morfin (M), og fentanyl (F). Fargekoding er den samme for strøm funksjoner i A og gjennomsnittlig makt band i B. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60333/60333fig3large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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

Denne protokollen gir en åpen kildekode, kompilert MATLAB program som genererer multitaper spektrogrammer for elektroencefalografiske data.

Datamaskin-basert Multitaper Spektrogram program for Elektroencefalografiske data

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

Denne protokollen er viktig fordi den gjør det mulig for brukere å utvikle tilpassbare multitaper spektrogrammer uten forutgående signalbehandling kunnskap. Den viktigste tekniske fordelen med programmet er programmets brukervennlige design og muligheten til å lage multitaper spektrogrammer ved hjelp av datamaskiner uten MATLAB lisensiering. Syv til 10 dager etter elektrodeimplantasjonsoperasjonen, konfigurer datainnsamlingssystemet for å registrere alle signalene i millivolt, og få EEG-opptak for ønsket eksperimentell varighet.Forsterk og digitaliser de ufiltrerte EEG-signalene ved hjelp av riktig datainnsamlingsinstrumentering og programvare. Deretter har to forskjellige individer uavhengig score hver 10-sekunders bin av den digitale EEG, blå spor, og EMG, svart spor, opptak som våkenhet, REM søvn, eller ikke-REM søvn i en passende søvn scoring program. Last ned det kompilerte Multitaper Spectrogram-programmet.For beregning av spektrgram kan du skaffe rå, ubehandlede EEG-data i filformatet EDF eller CSV, og plasser filen på samme sted som den kompilerte programfilen, og start Spectrogram-programmet. Følg popup-ledetekstene, og velg riktig filformat. Skriv inn hele EEG-filnavnet, og velg parameterne for beregningen av spektrologrammet.Skriv inn titler for både spektrogrammet og EEG. Deretter klikker du Fil og Lagre for å lagre den resulterende spektrog EEG-sporingen i ønsket filformat. Dette tallet viser representative likheter og forskjeller i kortikale EEG under våkenhet, ikke-REM søvn, og REM søvn.Dette hypnogram ble brukt til å plotte den timelige organiseringen av tilstander av søvn og våkenhet basert på vurderinger av EEG og EMG-opptak. I motsetning til det diskrete hypnogramet kan et spektrologramme brukes til å illustrere svært dynamiske endringer i EEG-frekvens og kraft som en tidsfunksjon og for å markere likhetene mellom det kortikale EEG-signalet under våkenhet og REM-søvn. Disse multitaperspektrologrammene oppsummerer hver fire timer med EEG-opptak etter systemisk administrering av saltvann, morfin, buprenorfin eller fentanyl.Denne figuren viser bruk av spektrogrammer for å visualisere effekten av forskjellige opiater på kortikal EEG-kraft. Den langsomme bølgeaktiviteten som er tilstede i saltvannstilstanden elimineres av morfin og buprenorfin. Etter fentanyl administrasjon, slow-wave delta makt kan observeres.EEG-endringer illustrert av spektrologrammene kan kvantifiseres ytterligere og uttrykkes som gjennomsnittlig dominerende spektral kraft av hver halvfrekvens. For eksempel, som illustrert i denne grafen, viste snittspektralkraften i spesifikke EEG-frekvensbånd at i frekvensområdet 0,5 til fire hertz var EEG-kraften mye høyere med saltvannsbehandling enn med buprenorfin. Mus med kronisk implanterte EEG- og EMG-elektroder forblir sunne i mange måneder, noe som muliggjør nye studier av legemiddelinteraksjoner og kronisk legemiddeladministrasjon.I tillegg kan disse teknikkene gi ny innsikt i arbeidet med å utvikle kjemiske mottiltak for opiatindusert respirasjonsdepresjon.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

En lett, hodetelefoner-basert system for å manipulere Auditiv tilbakemelding i Songbirds

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

Høy tetthet elektroencefalografiske Oppkjøp i en gnager Modell Bruke Lavpris og Åpen kildekode 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

Analysere Synaptic Modulation av<em&gt; Drosophila melanogaster</em&gt; Fotoreseptorer etter eksponering for Langvarig lys

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 Fast-scan-syklusvoltammetridata fra elektrostimulert data for dopamin-neurotransmisjon ved bruk av 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, hjertefrekvens og Galvanic Skin Response vurdering for en reklame oppfatning studere: programmet Antismoking Public servicekunngjøringer

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 innsamling og analyse i hjernestammen fremkalt respons Audiometri i mus

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

Omfattende obduksjon program for personer med multippel sklerose

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

Pålitelig anskaffelse av elektroencefalografidata under samtidig elektroencefalografi og funksjonell MR

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

Standardisert datainnsamling for nevromelaninfølsom magnetisk resonansavbildning av 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

Analyser av Actin Dynamics, ClutchKobling og Trekkraft Force for Growth Cone Advance

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