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

Эта работа частично поддерживается грантом NIH HL-65272. Авторы благодарят Закари Т. Гловак и Кларенса Э. Локлира за их вклад в этот проект.

Все процедуры с участием мышей придерживались Руководства по уходу и использованию лабораторных животных(8-е издание, Национальная академия прессы, Вашингтон, округ Колумбия, 2011) и были рассмотрены и одобрены Университетом Теннесси институционального ухода за животными и использования комитета.
1. Имплантация записывающих электродов и первоначальный сбор данных
<ol><li>Приобретите мышей и держите их в комнате, контролируемой влажностью и температурой, с доступом к пище и воде. Разрешить мышам адаптироваться к новой среде в течение одной недели до хирургической имплантации записывающих электродов. Процедура имплантации была подробно описана1,14.</li>
	<li>Стерилизовать все хирургическое оборудование.</li>
	<li>Анестезия мышей с изофрураном на 2,5%-3% доставлены в 100% кислорода.</li>
	<li>После потери выстраивающего рефлекса, снимите мышь с индукционной камеры анестезии и перенесите ее в стереотаксический каркас.</li>
	<li>Нанесите офтальмологическую мазь на оба глаза.</li>
	<li>Уменьшите изофларан до 1,7%, непрерывно доставляемый через маску.</li>
	<li>Сделайте разрез средней линии кожи головы, чтобы разоблачить череп.</li>
	<li>Просверлите две краниотомы над левой и правой корой (каждый на стереотаксических координатах передней no 1,0 и боковой 3,0 по отношению к брегме15).</li>
	<li>Вставьте эЭГ электроды в каждой краниотомии и закрепите с акрилом зубов.</li>
	<li>Имплантировать биполярные электроды в мышцу препонки для записи электромиограммы (ЭМГ). ПРИМЕЧАНИЕ: Четыре электрода ведут к беспроводному телеметру, имплантированному подкожно над нижним правым квадрантом. Эти хирургические методы можно посмотреть здесь (https://www.datasci.com/services/dsi-surgical-services/surgical-videos).</li>
	<li>После операции вводят обезболивающий карпрофен и помещайте мышь в теплую восстановительную клетку. Наблюдайте за мышью, пока она не будет амбулаторной. Дом имплантирует мышам индивидуально.</li>
	<li>При полном восстановлении после операции ежедневно обвьдай мышей и оцените качество записей ЭЭГ и ЭМГ.</li>
	<li>Нанастройка системы сбора данных для записи всех сигналов на 1000 мВ.</li>
	<li>Получение записей ЭЭГ и ЭМГ на необходимый срок.</li>
	<li>Оценка каждого 10 с бен цифровой ЭЭГ и ЭМГ записей, как бодрствование, быстрое движение глаз (REM) сна, или не-REM (NREM) сон с помощью программного обеспечения сна скоринга. ПРИМЕЧАНИЕ: Среди штаммов мыши есть генотип- и государственные различия в мощности ЭЭГ, выраженные в процентах от общей мощности16. У мышей B6 состояния бодрствования характеризуются 75–100 мВ, ЭЭГ смешанной частоты и эмг-сигналами, показывающими заметный мышечный тонус с большим увеличением амплитуды во время движения. Критерии для оценки Сна NREM включают уменьшение амплитуды ЭМГ по отношению к амплитуде ЭМГ бодрствования. ЭЭГ сна NREM имеет более низкую частоту и повышенную амплитуду (100–150 мВ) по сравнению с бодрствованием. Сон REM характеризуется мышечной атонией и сигналом ЭЭГ, который похож на ЭЭГ бодрствования.</li>
	<li>Поручить двум людям самостоятельно набрать один и тот же рекорд. По крайней мере один человек должен быть ослеплен к лечению состоянии. Значение согласия между двумя бомбардирами сна должно быть больше 90%.</li>
</ol>2. Оборудование и оборудование
<ol><li>Усиливать и оцифровывать нефильтрованные сигналы ЭЭГ и ЭМГ с помощью приборов и программного обеспечения для сбора данных. ПРИМЕЧАНИЕ: Chronux Спектральный анализ Toolbox разработан в лаборатории Митра в лаборатории Колд-Спринг-Харбор используется для выражения сигналов ЭЭГ как мощность по отношению к времени и частоты доменов.</li>
</ol>3. Спектрограмма вычислений
<ol><li>Если пользователь Windows, используйте компилированную программу.</li>
	<li>Если пользователь Macintosh запустит ею файл кода.</li>
	<li>Получить необработанные, необработанные данные ЭЭГ в формате EDF или CSV файла и поместить их в том же месте, что и скомпилированный файл программы.<ol>
<li>Назовите файлы данных, используя следующие ограничения: имена должны состоять только из букв, цифр, подчеркнутостей или тире.</li>
		<li>Назовите файлы данных, используя следующие ограничения: имена файлов не должны содержать периоды, запятые, пробелы или любые другие символы.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Скачать скомпилированную программу мультитапировой спектрограммы<a href="https://drive.google.com/drive/folders/1cyb3T3IkjQvkc-H6lm__17CpRMqkTbNt?usp=sharing" target="_blank">(https://drive.google.com/).</a></li>
	<li>Запустите программу спектрограммы и следуйте всплывающие подсказки. Выберите тип файла: q. CSV или К. Edf. ПРИМЕЧАНИЕ: Дополнительные сведения об установке программы находятся в файле readme.txt.</li>
	<li>Введите все имя файла ЭЭГ (например, 419eeg.edf или 419.eeg.csv).</li>
	<li>Выберите параметры для расчета спектрограммы: по умолчанию или новый. Этот шаг требует самого длительного времени обработки при вычислении спектрограммы. Функция математического оконного окна (таплер) обеспечивает статистически-независимые оценки базового спектра. Чем дольше продолжительность записи, тем дольше этот шаг будет принимать. На платформе ПК под управлением Windows 10 это требовало максимум около 3-4 минут для записи 4 ч.<ol>
<li>Используйте следующие параметры спектрограммы по умолчанию: Частота выборки 500 Гц. Это означает количество образцов в секунду. fpass 0,3 Гц и 30 Гц. Fpass определяет частоты ввода и контролирует диапазон частот, поставляемых в выходе. Обивка No 2. Padding работает, чтобы тонко интерполировать выход, не влияя на расчет результата в любом случае. Это может помочь с визуализацией и точной идентификацией спектральных линий. Поле любой ряд от -1 и вверх. Продукт пропускной способности (NW) No 15. Продукт временной длительности сигнала и спектральной ширины. Количество конусов No 29. При выборе числа конусов, важно использовать 2NW-1. Количество используемых конусов не ограничено. Чем больше конусов, используемых приведет к включению конусов с низкой концентрацией в указанной частотной пропускной способности. Среднее судебное разбирательство No 1. Этот параметр определяет, выполняется ли пробная версия или усреднение канала. Если этот параметр установлен до 0, усреднение канала не будет и функция будет вывести независимые результаты для каждого испытания или канала, передаваемого в качестве входных данных. Однако, если среднее значение пробного показателя установлено до 1, результаты, полученные для пользователя, усредняются по пробам или каналам. Время для вычисления FFT 30 s. Используется для отслеживания эволюции спектра путем расчета спектра по многим маленьким окнам. Размер шага окна для вычислений FFT No 5. Сумма, которую выдвигает скользящее временное окно после выполнения каждого вычисления спектра. ПРИМЕЧАНИЕ: Параметры спектрограммы по умолчанию, указанные в шаге 3.7.1, могут быть изменены по мере необходимости.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Введите названия как для спектрограммы, так и для ЭЭГ.</li>
	<li>Сохраните полученную спектрограмму и ЭЭГ.<ol>
<li>Сохранить цифры, нажав файл (ru) Сохранить в фигурном окне. ПРИМЕЧАНИЕ: Цифры предоставят пользователям программ резюме, которые могут быть разработаны в публикации качества цифры.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Устранение неполадок
<ol><li>Загрузите образец данных ЭЭГ сна мыши для вычисления спектрограммы образца.</li>
	<li>Запустите программу с выборочными данными, чтобы убедиться, что пользователь правильно использует программу. Найдите цифры этих выборочных данных в приложении, чтобы убедиться, что цифры, полученные из выборочных данных, являются точными. ПРИМЕЧАНИЕ: Все используемое оборудование и материалы были предоставлены в таблице материалов.</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>

У авторов нет конфликта интересов.

Программа, описанная здесь, была разработана для создания спектрограммы с использованием девяти шагов, изложенных в разделе протокола 3 Spectrogram Computation. Эти шаги включают в себя приобретение программы спектрограммы, обеспечение правильного формата файла и изменение вычислительных параметров для генерации уникальных пользовательских спектрограмм. Пользователи могут создавать спектрограммы, которые адаптированы к целому ряду концептуальных вопросов и экспериментальных конструкций. Для повышения простоты и эффективности этого процесса разработки необходимо предоставить необработанные данные ЭЭГ в правильном формате файла, названном в соответствии с ограничениями, описанными выше. Хотя для данных ЭЭГ мыши были предоставлены примерные сигналы, программа спектрограммлегкого использования легко применима к данным ЭЭГ человека и нечеловека, которые свободны от ограничений обработки сигналов.
Рекомендуемый подход к устранению неполадок и модификации метода должен начаться с анализа небольшого набора данных. Основные результаты программы, которые следует рассмотреть, включают участки отфильтрованного ЭЭГ, а также спектрограмму. Привлекательным аспектом конической спектрограммы является то, что она может быть применена к широкому спектру периодических, биологических сигналов. Разнообразие колеблется от длительной продолжительности циркадных (24 ч) ритмов17 до очень быстрых ритмов, таких как 1000 Гц разряда ставки клетки Реншоу18.
Форматирование данных является ограничением этого протокола спектрограммы. Европейский формат данных (EDF) широко используется с данными ЭЭГ. Тем не менее, есть много других вариантов форматирования. По этой причине был включен необработанный файл кода (см. 3.2 выше) в случае, если пользователь хотел бы изменить формат файла. Что касается необработанного файла программы, то еще одним ограничением является необходимость опыта работы с языком программирования для изменения формата файла. Не все исследователи имеют доступ к несвободным программам и полному спектру плагинов. Этот протокол был разработан, чтобы обойти эту проблему, предоставляя компилированную программу, которая работает на устройстве на базе WINDOWS без лицензирования программного обеспечения. Это достигается с помощью плагина RUNTIME, который включен в компилированную программу и не требует регистрации программного обеспечения пользователем.
Эта спектрограмма ЭЭГ представляет собой новую, компьютерную программу с открытым исходным кодом, которая позволяет пользователям создавать персонализированные, многофункциональные спектрограммы из широкого спектра данных. Пользователь имеет полный контроль над всеми вычислительными аспектами генерации спектрограмм. Без предварительной обработки сигнала и компьютерного программирования, спектрограммы могут быть трудно генерировать. Описанный здесь протокол облегчит генерацию спектрограмм. Пожалуйста, ознакомьтесь с дополнительным материалом раздел для дальнейшей обработки сигнала чтения и многотапонные спектрограммы руководства.
Дополнительный материал <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>

Данные ЭЭГ могут быть продуктивно проанализированы в частотной области, чтобы охарактеризовать уровни поведенческого и нейрофизиологического возбуждения1. Мультитапировые спектрограммы преобразуют форму эЭГ в области времени и частоты, что приводит к визуализации динамической мощности сигнала на разных частотах во времени. Мультитапирспектрная спектрограмма использует анализ Фурье для получения оценки спектральной плотности. Оценка спектральной плотности отделяет форму волны в чистые синусоидальные волны, включающие сигнал, и аналогична дифракции белого света через призму, чтобы увидеть весь спектр цветов2. Мультитапир спектрограмма ЭЭГ представляет собой комбинированную активность нескольких сетей нейронов с образцами разряда, которые колеблются на разных частотах2. Из-за своего инвариантного изменения времени, преобразование Фурье считается лучшим преобразованием между временем и частотой доменов3. Анализ Фурье также имеет ряд ограничений. Сигналы ЭЭГ нестационарны. Таким образом, небольшие изменения не могут быть восприняты в методах Фурье, и анализ может меняться в зависимости от размера набора данных. Однако оконное окно используется при применении преобразования Фурье к нестационарного сигнала. Это предполагает, что спектр сигнала изменяется лишь незначительно в течение коротких периодов времени. Альтернативным методом для спектрального анализа является волнообразное преобразование, которое может быть более подходящим для обнаружения болезни мозга3.
С функциональной точки зрения, различные колебания, включающие сигнал ЭЭГ, являются более низкого уровня, фенотипы черт, характерные для более высокого уровня, государственные фенотипы, такие как сон и бодрствование2, или потеря бодрствования, вызванного общей анестезией4,5,6. Что касается состояний сна и бодрствования, спектрограмма ясно иллюстрирует, что эндогенно генерируемые ритмы сна непрерывны и динамичны7. Количественные описания состояний сна и бодрствования традиционно включали в себя связывающий процесс, который присваивает классификацию сна или бодрствования каждой конкретно определенной эпохе (например, 10 с) записи ЭЭГ. Эти ячейки состояния затем начисляются как функция времени. Графики данных курса времени, часто называют гипнограммами, используются для дифференцирования нормального сна от сна, который нарушается болезнью, введением наркотиков, изменениями в циркадных ритмах, сменной работой и т.д. Ограничение гипнограммы участков является то, что они искажают сигналы ЭЭГ, выражая возбуждение государств, как квадратные формы волны. Гипнограмма построения включает в себя дискретизацию возбуждения состояний2 и не позволяет мелко зернистых отображения промежуточных или переходных стадий. Кроме того, 10 с скоринг эпох и производят дискретизацию времени, налагая более низкий предел на шкалу времени. Результатом дискретизации как состояния, так и времени является потеря нейрофизиологической информации о динамическом взаимоотношении между состояниями сознания2 и вызванным наркотиками нарушением этих состояний4. Например, различные анестетические агенты действуют на различные молекулярные цели и нейронные сети. Фармакологические манипуляции этих нейронных сетей надежно производит спектрограммы, уникальные для препарата, дозы и маршрута введения4.
Настоящий протокол был разработан для облегчения исследований в отношении механизмов, с помощью которых опиоиды изменяют сон8,дыхание9, nociception10, и нейрохимии мозга11. В этом протоколе описаны шаги, необходимые для создания многоступенчатой спектрограммы для анализа ЭЭГ, которые могут быть завершены с помощью несвободных программ или системы, не имеющего лицензирования MATLAB. Мыши C57BL/6J (B6) использовались для проверки способности этого компьютерного метода создавать новые спектрограммы ЭЭГ во время нормальных, ненарушенных состояний сна и бодрствования и после системного введения опиатов. Надежность и достоверность анализов были подтверждены систематическим сравнением различий между спектрограммами ЭЭГ после того, как мыши В6 получали интраперитонеальные инъекции солей (управление транспортным средством) и антиноцицептивные дозы морфина, бупренорфина и фентанила.
Количественные исследования динамики ЭЭГ неонатальной мыши имеют переводческую актуальность, предоставляя модель для исследований, направленных на достижение лучшего понимания неонатального ЭЭГ12. Количественная динамика ЭЭГ не просто описательна и может способствовать машинному обучению, которые могут предсказывать возбуждение, частично основанное на данных ЭЭГ13. Цель настоящего доклада заключается в содействии переводческой науки путем предоставления широко доступных, удобных для пользователя кода для вычисления многотапировых спектрограмм, которые характеризуют изменения, вызванные наркотиками в ЭЭГ мыши.

<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

Современные веб-ресурсы предоставляют ограниченные, удобные для пользователя инструменты для вычисления спектрограмм для визуализации и количественной оценки электроэнцефалографических (ЭЭГ) данных. В этом документе описывается Windows на основе, с открытым исходным кодом для создания ЭЭГ мультитапер спектрограмм. Компилированная программа доступна пользователям Windows без лицензирования программного обеспечения. Для пользователей Macintosh программа ограничена теми, у кого есть лицензия на программное обеспечение MATLAB. Программа иллюстрируется с помощью спектрограмм ЭЭГ, которые варьируются в зависимости от состояния сна и бодрствования, и опиатных изменений в этих состояниях. EEGs из C57BL/6J мышей были беспроводной записи в течение 4 ч после интраперитонеальной инъекции солей (управление транспортным средством) и антиноцицептивные дозы морфина, бупренорфина и фентанила. Спектрограммы показали, что бупренорфин и морфин вызвали аналогичные изменения в мощности ЭЭГ на уровне 1х3 Гц и 8-9 Гц. Спектрограммы после введения фентанила выявили максимальные средние диапазоны мощности на 3 Гц и 7 Гц. Спектрограммы разоблаченные дифференциальные опиаты влияют на частоту и мощность ЭЭГ. Эти компьютерные методы обобщаются в различных классах наркотиков и могут быть легко изменены для количественной оценки и отображения широкого спектра ритмических биологических сигналов.

Следующие цифры иллюстрируют тип новых взглядов на эЭГ-индексы возбудимости мозга, которые обеспечиваются спектрограммами.
Рисунок 1Иллюстрирует сходства и различия в корковых ЭЭГ во время бодрствования, Сна NREM и REM сна. Многие исследователи используют эти виды следов, наряду с эмг записей (не показано), для количественной оценки сна и бодрствования. Рисунок 1B использует сюжет гипнограммы для передачи временной организации состояний сна и бодрствования на основе оценок записей ЭЭГ и ЭМГ. Государства были забиты в 10 эпох, и эти эпохи были построены как гипнограмма в течение 14400 с в составе 4 ч записи. Гипнограмма участки не иллюстрируют тот факт, что переходы между государствами являются непрерывными и нелинейными. В отличие от сюжета гипнограммы, спектрограмма(Рисунок 1C) иллюстрирует высоко динамические изменения частоты ИГЭ и мощности в зависимости от времени. Спектрограмма также подчеркивает сходство между коркическим сигналом ЭЭГ во время бодрствования и во время сна REM. Три коробки, наложенные на спектрограмму(Рисунок 1C) знак состояния определены как бодрствование (WAKE), NREM сна, и REM сна в гипнограмме выше (Рисунок 1B) и предоставляются для оказания помощи в визуализации подробные изменения частоты ЭЭГ и мощности. Спектрограмма для всей записи дает тонкую оценку ЭЭГ как непрерывного процесса.
Рисунок 2 содержит четыре мультитаперные спектрограммы, каждая из которых обобщает 4 ч записей ЭЭГ после внутриперитонеального введения соленя, морфина, бупренорфина и фентанила. Все четыре записи из той же мыши и были начаты 2 ч после начала света. Опиаты, но не соеленные, ингибируют Сон NREM и REM, и увеличивают количество бодрствования. Спектрограммы визуализирует ряд новых особенностей. Обнаружение новых функций ЭЭГ предполагает потенциальное применение дифференциации опиатов в среде химической угрозы. После сольного впрыска(рисунок 2A)наибольшее количество энергии проживало в диапазоне 2х4 Гц, что указывает на сон NREM. Обратите внимание, что спектрограммы ЭЭГ были коренным образом изменены в результате введения опиатов, и что каждый опиат вызвал уникальные спектральные изменения.
Рисунок 3 показывает, что изменения ЭЭГ, иллюстрированные спектрограммами, могут быть количественно оценены и выражены как средняя спектральная сила каждой половины частоты(рисунок 3A)и как средняя спектральная мощность в пределах определенных частотных диапазонов ЭЭГ(рисунок 3B). Наибольшие отличия от сольника были вызваны бупренорфином и произошли в дельта и тета диапазонов.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60333/60333fig01.jpg"> Рисунок 1: Кортикальные записи ЭЭГ, используемые для создания гипнограмм и спектрограмм. (A) ЭЭГ волновые формы, записанные во время бодрствования, NREM сна, и REM сна во время базовой (без инъекции) записи. Каждый след показывает 90 с записи. (B) Гипнограмма использует высоту баров, чтобы передать состояние сознания (ординатом) по сравнению с 4 ч записи (абскисса). (C) Tapered спектрограмма с помощью цветовой панели для передачи ЭЭГ власти в децибелах (дБ, правый ординатифицировать) или спектральной плотности мощности на различных частотах ЭЭГ в Герце (Гц, левая илидиатная) в качестве функции 4 h время записи (abscissa). Черные вертикальные линии были добавлены к спектрограмме, чтобы разграничить один эпизод каждого из бодрствования, Сна NREM и REM сна. (Параметры спектрограммы: частота выборки - 500 Гц, fpass - 0,3 Гц и 30 Гц, обивка No 2, пропускная способность - 15, количество конусов 29, пробное среднее значение - 1, продолжительность времени для расчета FFT 30 с, размер ступени окна для расчета FFT - 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60333/60333fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60333/60333fig02.jpg"> Рисунок 2: Спектрограммы, иллюстрирующие изменения в мощности и частоте ЭЭГ, вызванные введением опиатов. Каждая спектрограмма графики Частота ЭЭГ в Герц (Гц, левый ординатиальный) и децибелы (дБ) ЭЭГ власти с помощью цветовой планки (справа ордината) для 4 ч (абсцисса) после введения (A) солевой, (B) морфин, (C) бупренорфин, и ( (D) фентанил. (Параметры спектрограммы: частота выборки 500 Гц, fpass 0,3 Гц и 30 Гц, обивка No 2, пропускная способность 15, количество конусов 29, пробное среднее значение 1, время для расчета FFT 30 s, размер шага окна для расчета FFT . <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60333/60333fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60333/60333fig03.jpg"> Рисунок 3: Опиаты дифферепригенно изменили среднюю мощность ЭЭГ в дельте и тета ЭЭГ частотных диапазонов. (A) Суммирует среднюю мощность ЭЭГ во время каждой 4 ч записи показано на рисунке 2. Ординативные участки средней мощности ЭЭГ на каждой половине частоты (abscissa). По сравнению с соточным управлением, каждая из трех других функций показывает опиатные изменения в средней мощности ЭЭГ. (B) Иллюстрирует среднюю мощность ЭЭГ в четырех диапазонах частот ЭЭГ (дельта, тета, альфа и бета) после введения соля (S), бупренорфина (B), морфина (M) и фентанила (F). Цветовое кодирование одинаково для силовых функций в A и средних силовых полос в B. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60333/60333fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</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

Этот протокол обеспечивает открытый исходный код, составленную программу MATLAB, которая генерирует многотапонные спектрограммы для электроэнцефалографических данных.

Компьютерная программа мультитапировой спектрограммы для электроэнцефалографических данных

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

Этот протокол имеет важное значение, поскольку он позволяет пользователям разрабатывать настраиваемые многокамерные спектрограммы без предварительного знания обработки сигнала. Основным техническим преимуществом программы является удобный дизайн программы и возможность создавать многокамерные спектрограммы с помощью компьютеров без лицензирования MATLAB. Через семь-десять дней после операции по имплантации электрода настройте систему сбора данных для записи всех сигналов в милливольтах и получите записи ЭЭГ на нужную экспериментальную продолжительность.Усиление и оцифровка нефильтрованных сигналов ЭЭГ с использованием соответствующих приборов и программного обеспечения для сбора данных. Затем есть два разных лиц независимо оценка каждого 10-секундного бен цифрового ЭЭГ, синий след, и ЭМГ, черный след, записи, как бодрствование, REM сна, или не-REM сна в соответствующей программе скоринга сна. Скачать составленную многокамерную спектрограмму программы.Для расчета спектрограммы, получить необработанные, необработанные данные ЭЭГ в формате файла EDF или CSV, и поместить файл в том же месте, как составленный файл программы, и запустить программу спектрограммы. Следуйте всплывающим подсказкам и выберите соответствующий формат файла. Введите все имя файла ЭЭГ и выберите параметры для расчета спектрограммы.Введите названия как для спектрограммы, так и для ЭЭГ. Затем нажмите Файл и Сохранить, чтобы сохранить полученный спектрограммы и ЭЭГ след в нужном формате файла. Эта цифра показывает репрезентативное сходство и различия в корковой ЭЭГ во время бодрствования, не-REM сна и быстрого сна.Эта гипнограмма была использована для построения временной организации состояний сна и бодрствования на основе оценок ЭЭГ и записей ЭМГ. В отличие от дискретизированной гипнограммы, спектрограмма может быть использована для иллюстрации высокодинамических изменений частоты и мощности ЭЭГ в качестве функции времени и для выделения сходства между корковым сигналом ЭЭГ во время бодрствования и быстрого сна. Эти многокамерные спектрограммы обобщают четыре часа записей ЭЭГ после системного введения солевого раствора, морфина, бупренорфина или фентанила.Эта цифра показывает использование спектрограмм для визуализации влияния различных опиатов на корковой ЭЭГ власти. Медленная волновая активность, присутствуют в солевой состоянии, устраняется морфином и бупренорфином. После введения фентанила можно наблюдать медленноволную дельта-энергию.Изменения ЭЭГ, иллюстрированные спектрограммами, могут быть дополнительно количественно оценены и выражены как средняя доминируют спектральной мощности каждой половины частоты. Например, как показано на этом графике, усреднение спектральной мощности в пределах определенных диапазонов частот ЭЭГ показало, что в диапазоне частот от 0,5 до четырех герц мощность ЭЭГ была гораздо выше при солевой обработке, чем при бупренорфине. Мыши с хронически имплантированным ЭЭГ и электродами ЭМГ остаются здоровыми в течение многих месяцев, что позволяет проработать новые исследования лекарственно-лекарственных взаимодействий и хронического администрирования лекарственных препаратов.Кроме того, эти методы могут дать новое представление об усилиях по разработке химических контрмер для опиатной индуцированной респираторной депрессии.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Легкий, наушники-администратора системы для управления Звуковая обратная связь в Певчие птицы

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

Высокая плотность Электроэнцефалографические Приобретение в грызунах с использованием недорогих и с открытым исходным кодом ресурсов

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

Анализ Synaptic модуляция<em&gt; Дрозофилы</em&gt; Фоторецепторы после экспозиции продолжительному воздействию света

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

Моделирование данных циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием данных электроиммированных дофаминовых нейротрансмиссионных данных с использованием 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

Электроэнцефалографических, изучение частоты сердечных сокращений и оценки гальванической реакции кожи для восприятия рекламы: Приложение к антитабачной публичных объявлений

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

Приобретение данных и анализ в Brainstem вызвал ответ аудиометрии у мышей

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

Комплексная программа вскрытия для лиц с рассеянным склерозом

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

Достоверная получение данных электроэнцефалографии при одновременной электроэнцефалографии и функциональной МРТ

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

Стандартизированный сбор данных для нейромеланин-чувствительной магнитно-резонансной томографии Черной субстанции

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

Анализ динамики актина, сцепления сцепления и тяговой силы для продвижения конуса роста

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