Programme de spectrogrammes multitaper s'informatisé pour les données électroencéphalographiques
13 novembre 2019
Ce protocole fournit un programme MATLAB ouvert et compilé qui génère des spectrogrammes multitapers pour les données électroencéphalographiques.
Ce protocole est significatif car il permet aux utilisateurs de développer des spectrogrammes multitaper personnalisables sans connaissance préalable de traitement du signal. Le principal avantage technique du programme est la conception conviviale du programme et la possibilité de créer des spectrogrammes multitâper à l’aide d’ordinateurs sans licence MATLAB. Sept à dix jours après la chirurgie d’implantation de l’électrode, configurez le système d’acquisition de données pour enregistrer tous les signaux en millivolts et obtenez des enregistrements EEG pour la durée expérimentale souhaitée.
Amplifiez et numérisez les signaux EEG non filtrés à l’aide de l’instrumentation et du logiciel d’acquisition de données appropriés. Ensuite, avoir deux individus différents indépendamment marquer chaque bac de 10 secondes de l’EEG numérique, trace bleue, et EMG, trace noire, enregistrements comme éveil, sommeil paradoxal, ou non-REM sommeil dans un logiciel approprié de notation du sommeil. Téléchargez le programme multitaper spectrogramme compilé.
Pour le calcul des spectrogrammes, obtenez des données EEG brutes et non traitées au format de fichier EDF ou CSV, placez le fichier au même endroit que le fichier de programme compilé et lancez le programme Spectrogram. Suivez les invites pop-up et sélectionnez le format de fichier approprié. Entrez l’ensemble du nom du fichier EEG et sélectionnez les paramètres pour le calcul du spectrogramme.
Entrez les titres pour le spectrogramme et l’EEG. Ensuite, cliquez sur Fichier et Enregistrer pour enregistrer le spectrogramme résultant et la trace EEG dans le format de fichier désiré. Ce chiffre montre des similitudes représentatives et des différences dans l’EEG cortical pendant l’éveil, le sommeil non-REM, et le sommeil paradoxal.
Cet hypnogramme a été utilisé pour tracer l’organisation temporelle des états de sommeil et d’éveil basée sur des évaluations des enregistrements EEG et EMG. Contrairement à l’hypnogramme discret, un spectrogramme peut être utilisé pour illustrer les changements très dynamiques de la fréquence et de la puissance de l’EEG en fonction du temps et pour mettre en évidence les similitudes entre le signal cortical EEG pendant l’éveil et le sommeil paradoxal. Ces spectrogrammes multitaper résument chacun quatre heures d’enregistrements d’EEG après administration systémique de saline, morphine, buprénorphine, ou fentanyl.
Ce chiffre montre l’utilisation de spectrogrammes pour visualiser les effets des opiacés différents sur la puissance corticale de l’EEG. L’activité à ondes lentes présente dans l’état salin est éliminée par la morphine et la buprénorphine. Après l’administration de fentanyl, la puissance de delta à ondes lentes peut être observée.
Les changements d’EEG illustrés par les spectrogrammes peuvent être quantifiés et exprimés à mesure que la puissance spectrale moyenne domine chaque demi-fréquence. Par exemple, comme l’illustre ce graphique, la moyenne de la puissance spectrale dans des bandes de fréquences EEG spécifiques a révélé que dans la gamme de fréquences de 0,5 à 4 hertz, la puissance EEG était beaucoup plus élevée avec le traitement salin qu’avec la buprénorphine. Les souris atteintes d’électrodes EEG et EMG implantées de façon chronique demeurent en bonne santé pendant de nombreux mois, ce qui permet de nouvelles études sur les interactions médicamenteuses et l’administration chronique de médicaments.
En outre, ces techniques peuvent fournir de nouvelles perspectives sur les efforts visant à développer des contre-mesures chimiques à la dépression respiratoire induite par les opiacés.
Aperçu
Ce protocole décrit un programme MATLAB open source qui génère des spectrogrammes multitaper pour l'analyse de données électroencéphalographiques (EEG). Il permet aux utilisateurs de créer des spectrogrammes personnalisables sans nécessiter de connaissances préalables en traitement du signal.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Électrophysiologie
- Traitement du signal
- Neurosciences
Contexte
- L'électroencéphalographie (EEG) est utilisée pour surveiller l'activité cérébrale.
- Les techniques multitaper améliorent l'analyse spectrale des données EEG.
- Comprendre les effets de diverses substances sur la dynamique de l'EEG est essentiel.
- Les opiacés courants exercent des impacts significatifs sur les patrons corticaux de l'EEG.
Objectif de l'étude
- Fournir une méthode conviviale pour générer des spectrogrammes multitaper.
- Analyser les changements dynamiques de la fréquence et de la puissance de l'EEG.
- Visualiser les effets de différents opiacés sur la puissance corticale de l'EEG.
Méthodes utilisées
- L'étude utilise un programme MATLAB compilé pour le calcul des spectrogrammes.
- Le modèle biologique implique l'implantation chronique d'électrodes EEG et EMG chez des souris.
- Les données EEG doivent être collectées en millivolts environ 7 à 10 jours après la chirurgie.
- Les participants analysent les données EEG à l'aide d'un logiciel approprié pour catégoriser les états de sommeil.
- Les fichiers importants doivent être au format EDF ou CSV pour être compatibles avec le programme.
Résultats principaux
- Le programme visualise avec succès la dynamique de l'EEG et compare les effets de divers opiacés.
- Des changements notables de la puissance spectrale ont été observés après l'administration de morphine et de buprénorphine.
- Les niveaux de puissance de l'EEG étaient plus élevés avec le traitement au sérum salin qu'avec la buprénorphine dans la plage de fréquence de 0,5 à 4 Hz.
- L'implantation chronique d'électrodes a facilité des études à long terme sur les effets des substances.
Conclusions
- La présente étude démontre l'utilité du programme MATLAB pour l'analyse des données EEG.
- La nature open source du programme permet un accès plus large dans la recherche en neurosciences.
- Les connaissances acquises pourraient éclairer les effets des opiacés sur l'activité cérébrale, contribuant ainsi à la recherche sur les drogues.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
Ce programme open source de spectrogramme multitaper permet aux chercheurs en biopharmacie de visualiser et de quantifier les dynamiques de l'EEG sans nécessiter de licence MATLAB ni d'expertise en traitement du signal. En offrant un outil convivial pour analyser les états de sommeil et d'éveil ainsi que les modifications induites par les médicaments dans la puissance corticale de l'EEG, cette méthode soutient la validation des cibles et la réduction des risques mécanistiques dans la découverte de médicaments en neurosciences. La capacité du programme à révéler les effets différentiels des opiacés sur la fréquence et la puissance de l'EEG présente une valeur prédictive pour évaluer l'activité des composés à travers différentes classes thérapeutiques.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Découverte précoce et validation de cibles
- Valeur scientifique : Permet l'interrogation d'hypothèses thérapeutiques en visualisant les changements induits par les médicaments dans les spectres de puissance de l'EEG à travers les bandes de fréquence.
- Valeur opérationnelle : Soutient la détection biologique des risques grâce à des lectures quantifiables et reproductibles de l'EEG qui précisent l'engagement de la cible et la modulation des voies.
- Valeur prédictive : Facilite le tri du portefeuille en identifiant des composés présentant des signatures électrophysiologiques distinctes, telles que les effets différenciés de la morphine, de la buprénorphine et du fentanyl sur l'activité des ondes lentes et des fuseaux.
Développement de tests et criblage
- Préparation du test : Prépare des systèmes biologiques validés (souris implantées chroniquement pour l'EEG) en vue de l'évaluation de composés en aval, en établissant des signatures EEG de base et sensibles aux médicaments.
- Résultats quantitatifs : Génère des moyennes mesurables de puissance spectrale dans des plages de fréquences définies (par exemple, 0,5–4 Hz, 8–9 Hz), permettant des comparaisons standardisées entre les groupes de traitement.
- Réutilisation de la plateforme : Le programme open source, compatible avec Windows, permet une application évolutive dans différents laboratoires sans barrières de licence, favorisant la standardisation des tests et la comparabilité entre études.
Recherche translationnelle et préclinique
- Pertinence pathologique : Modélise la perturbation du cycle veille-sommeil et les altérations de l'EEG induites par les opiacés, offrant un système pertinent pour l'étude de composés actifs sur le système nerveux central.
- Continuité translationnelle : Permet des études longitudinales grâce à la stabilité chronique des électrodes, soutenant des décisions d'orientation ajustées au risque, depuis la découverte jusqu'à la validation préclinique.
- Élimination des incertitudes mécanistiques : Met en évidence des profils spécifiques de l'EEG selon les substances (par exemple, les bandes de puissance à 3 Hz et 7 Hz induites par le fentanyl), qui aident à distinguer le mécanisme d'action des effets hors cible.
Intégration du pipeline et du flux de travail
La méthode s'inscrit dans le continuum de la découverte, allant du test d'hypothèses à l'identification de composés candidats, en offrant des lectures fonctionnelles basées sur l'EEG qui établissent un lien entre le phénotypage in vivo et les connaissances mécanistiques.
- Biologie de la découverte : Facilite la vérification d'hypothèses en visualisant la manière dont les composés modifient la dynamique corticale de l'EEG au cours des états de sommeil et de veille, précisant ainsi les cibles neurophysiologiques.
- Écrantage : Fournit des sorties EEG quantitatives prêtes à l'emploi (par exemple, puissance spectrale dominante moyenne) permettant une évaluation fiable des composés et la confirmation des résultats positifs.
- Analytique : Offre des fonctionnalités d'analyse spectrale (spectrogrammes multitaper, quantification de la puissance par bandes de fréquence) qui permettent aux équipes de comparer différentes conditions et de détecter des changements subtils et dynamiques de l'activité cérébrale.
- Recherche translationnelle : Assure une continuité préclinique grâce à une surveillance chronique de l'EEG chez des souris évoluant librement, permettant d'évaluer les effets prolongés des médicaments et le développement de tolérance.
- Réutilisation institutionnelle : Conçue comme une capacité réutilisable et en accès ouvert plutôt que comme une technique à usage unique, cette plateforme favorise la standardisation entre différents sites et projets dans le domaine de la recherche en neuropsychopharmacologie.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive dans la validation des cibles en réduisant l'ambiguïté mécanistique grâce à un phénotypage objectif de l'EEG résolu en fréquence.
- Valeur opérationnelle : Renforce la standardisation et la reproductibilité par l'intermédiaire d'une plateforme cohérente et conviviale pour l'analyse spectrale, utilisable dans différents laboratoires.
- Valeur stratégique : Améliore les décisions d'aller/arrêt en permettant une détection précoce des effets des composés neuroactifs, réduisant ainsi les risques biologiques en phase avancée du développement de médicaments du système nerveux central.
- Impact sur le portefeuille : Favorise une priorisation ajustée au risque en identifiant les composés présentant des profils d'EEG favorables, tels que ceux qui préservent ou modulent des bandes de fréquence spécifiques associées à l'objectif thérapeutique.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une maîtrise de base de l'acquisition de données EEG, de la gestion de fichiers (EDF/CSV) et de la classification des états de sommeil à l'aide d'un logiciel validé.
- Exige un instrument capable d'amplifier et de numériser des signaux EEG bruts en millivolts provenant d'électrodes implantées de façon chronique.
- Implique une standardisation entre équipes en matière de prétraitement des signaux EEG, de protocoles de classification et de choix des paramètres du spectrogramme afin d'assurer la reproductibilité.
- Suppose des adaptations lors de l'application du modèle à d'autres espèces, souches ou modèles de maladie autres que les souris C57BL/6J naïves aux opioïdes.
- Limite pratique : les utilisateurs de Macintosh doivent disposer d'une licence MATLAB pour exécuter le programme, ce qui restreint l'accès pour certaines équipes malgré la version Windows open source.
