Komputerowy program do spektrogramu wielostożkowego do danych elektroencefalograficznych
13 listopada 2019
Ten protokół dostarcza otwarty program MATLAB, który generuje spektrogramy wielostożkowe dla danych elektroencefalograficznych.
Protokół ten jest istotny, ponieważ umożliwia użytkownikom opracowywanie konfigurowalnych spektrogramów wielostożkowych bez wcześniejszej wiedzy na temat przetwarzania sygnałów. Główną zaletą techniczną programu jest przyjazny dla użytkownika design programu oraz możliwość tworzenia spektrogramów wielostożkowych przy użyciu komputerów bez licencji MATLAB. Siedem do 10 dni po operacji wszczepienia elektrody skonfiguruj system akwizycji danych tak, aby rejestrował wszystkie sygnały w miliwoltach i uzyskiwał zapisy EEG przez pożądany czas trwania eksperymentu.
Wzmacniaj i digitalizuj niefiltrowane sygnały EEG za pomocą odpowiedniego oprzyrządowania do akwizycji danych i oprogramowania. Następnie poproś dwie różne osoby niezależnie o każdą 10-sekundową skrzynkę cyfrowego EEG, niebieskiego śladu i EMG, czarnego śladu, zapisów jako czuwania, snu REM lub snu bez REM w odpowiednim programie do oceny snu. Pobierz skompilowany program Multitaper Spectrogram.
Aby obliczyć spektrogram, należy uzyskać surowe, nieprzetworzone dane EEG w formacie pliku EDF lub CSV i umieścić plik w tym samym miejscu, co skompilowany plik programu, a następnie uruchomić program Spectrogram. Postępuj zgodnie z instrukcjami wyświetlanymi w wyskakujących okienkach i wybierz odpowiedni format pliku. Wprowadź całą nazwę pliku EEG i wybierz parametry do obliczenia spektrogramu.
Wprowadź tytuły zarówno spektrogramu, jak i EEG. Następnie kliknij Plik i Zapisz, aby zapisać wynikowy spektrogram i ślad EEG w żądanym formacie pliku. Rysunek ten pokazuje reprezentatywne podobieństwa i różnice w korowym EEG podczas czuwania, snu innego niż REM i snu REM.
Ten hipnogram został wykorzystany do wykreślenia czasowej organizacji stanów snu i czuwania na podstawie oceny zapisów EEG i EMG. W przeciwieństwie do dyskretnego hipnogramu, spektrogram może być używany do zilustrowania wysoce dynamicznych zmian częstotliwości i mocy EEG w funkcji czasu oraz do podkreślenia podobieństw między korowym sygnałem EEG podczas czuwania i snu REM. Każdy z tych wielostożkowych spektrogramów podsumowuje cztery godziny zapisów EEG po ogólnoustrojowym podaniu soli fizjologicznej, morfiny, buprenorfiny lub fentanylu.
Rysunek ten przedstawia zastosowanie spektrogramów do wizualizacji wpływu różnych opiatów na moc korowego EEG. Aktywność wolnofalowa obecna w stanie soli fizjologicznej jest eliminowana przez morfinę i buprenorfinę. Po podaniu fentanylu można zaobserwować wolnofalową moc delta.
Zmiany EEG zilustrowane za pomocą spektrogramów mogą być dalej określane ilościowo i wyrażane jako średnia dominująca moc widmowa każdej połowy częstotliwości. Na przykład, jak pokazano na tym wykresie, uśrednienie mocy widmowej w określonych pasmach częstotliwości EEG ujawniło, że w zakresie częstotliwości od 0,5 do czterech herców moc EEG była znacznie wyższa w przypadku leczenia solą fizjologiczną niż w przypadku buprenorfiny. Myszy z przewlekle wszczepionymi elektrodami EEG i EMG pozostają zdrowe przez wiele miesięcy, co umożliwia nowatorskie badania interakcji między lekami i przewlekłe podawanie leków.
Ponadto techniki te mogą dostarczyć nowych informacji na temat wysiłków zmierzających do opracowania chemicznych środków zaradczych przeciwko depresji oddechowej wywołanej opiatami.
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje program MATLAB o otwartym kodzie źródłowym, który generuje spektrogramy wielookienne (multitaper) do analizy danych elektroencefalograficznych (EEG). Umożliwia on użytkownikom tworzenie konfigurowalnych spektrogramów bez konieczności posiadania wcześniejszej wiedzy z zakresu przetwarzania sygnałów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Elektrofizjologia
- Przetwarzanie sygnałów
- Neuronauka
Wstęp
- Elektroencefalografia (EEG) jest wykorzystywana do monitorowania aktywności mózgu.
- Techniki multitaper poprawiają analizę spektralną danych EEG.
- Kluczowe jest zrozumienie wpływu różnych substancji na dynamikę EEG.
- Powszechnie stosowane opiaty wywierają znaczący wpływ na korowe wzorce EEG.
Cel badania
- Aby zapewnić przyjazną dla użytkownika metodę generowania spektrogramów wielooknowych (multitaper).
- Aby przeanalizować dynamiczne zmiany częstotliwości i mocy sygnału EEG.
- Aby zwizualizować wpływ różnych opiatów na moc sygnału EEG kory mózgowej.
Zastosowane metody
- W badaniu wykorzystano skompilowany program MATLAB do obliczania spektrogramów.
- Model biologiczny obejmuje chroniczną implantację elektrod EEG i EMG u myszy.
- Dane EEG muszą zostać zebrane w miliwoltach około 7-10 dni po operacji.
- Uczestnicy oceniają dane EEG za pomocą odpowiedniego oprogramowania w celu skategoryzowania stanów snu.
- Ważne pliki muszą być w formacie EDF lub CSV w celu zapewnienia kompatybilności z programem.
Główne wyniki
- Program skutecznie wizualizuje dynamikę EEG i porównuje działanie różnych opiatów.
- Po podaniu morfiny i buprenorfiny zaobserwowano istotne zmiany mocy widmowej.
- Poziomy mocy EEG były wyższe w grupie leczonej solą fizjologiczną w porównaniu z buprenorfiną w zakresie częstotliwości od 0,5 do 4 Hz.
- Przewlekła implantacja elektrod umożliwiła prowadzenie długoterminowych badań nad wpływem substancji.
Wnioski
- Niniejsze badanie demonstruje użyteczność programu MATLAB w analizie danych EEG.
- Otwarty kod źródłowy programu zapewnia szerszą dostępność w badaniach z zakresu neuronauki.
- Uzyskane spostrzeżenia mogą wyjaśnić wpływ opiatów na aktywność mózgu, wspierając badania nad substancjami psychoaktywnymi.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ten otwartoźródłowy program do tworzenia spektrogramów wielowindowych (multitaper) umożliwia badaczom z sektora biofarmaceutycznego wizualizację i kwantyfikację dynamiki EEG bez konieczności posiadania licencji MATLAB czy specjalistycznej wiedzy z zakresu przetwarzania sygnałów. Dzięki udostępnieniu intuicyjnego narzędzia do analizy stanów czuwania i snu oraz zmian w mocy korowego EEG wywołanych lekami, metoda ta wspiera walidację celów terapeutycznych oraz ograniczanie ryzyka mechanistycznego w procesie odkrywania leków w neurobiologii. Zdolność programu do ujawniania różnic w wpływie opiatów na częstotliwość i moc EEG ma wartość prognostyczną w ocenie aktywności związków z różnych klas terapeutycznych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez wizualizację indukowanych lekami zmian w widmach mocy EEG w różnych pasmach częstotliwości.
- Wartość operacyjna: Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego dzięki mierzalnym i powtarzalnym odczytom EEG, które wyjaśniają stopień zaangażowania celu oraz modulację szlaków sygnałowych.
- Wartość prognostyczna: Ułatwia selekcję projektów w portfolio poprzez identyfikację związków o odrębnych sygnaturach elektrofizjologicznych, takich jak zróżnicowany wpływ morfiny, buprenorfiny i fentanylu na aktywność fal wolnych i wrzecion.
Przesiewy i rozwój testów
- Gotowość analizy: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne (myszy z chronicznie wszczepionymi elektrodami EEG) do późniejszej oceny związków poprzez ustalenie bazowych i reaktywnych na lek sygnatur EEG.
- Wyniki ilościowe: Generuje mierzalne średnie mocy widmowej w określonych zakresach częstotliwości (np. 0.5–4 Hz, 8–9 Hz), co umożliwia standaryzowane porównania pomiędzy grupami badawczymi.
- Ponowne wykorzystanie platformy: Program otwartoźródłowy, kompatybilny z systemem Windows, pozwala na skalowalną aplikację w różnych laboratoriach bez barier licencyjnych, wspierając standaryzację analiz oraz porównywalność między badaniami.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie dla jednostek chorobowych: Modeluje zaburzenia cyklu sen-czuwanie oraz zmiany w EEG indukowane opioidami, zapewniając system istotny klinicznie do badania związków aktywnych w OUN.
- Ciągłość translacyjna: Umożliwia prowadzenie badań podłużnych dzięki stabilności chronicznych elektrod, co wspiera decyzje o postępach w badaniach z uwzględnieniem analizy ryzyka – od etapu odkrywania po walidację przedkliniczną.
- Redukcja ryzyka mechanistycznego: Wskazuje na specyficzne dla danej substancji wzorce EEG (np. pasma mocy 3 Hz i 7 Hz indukowane przez fentanyl), co pomaga w rozróżnieniu mechanizmu działania od efektów poza celem (off-target).
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum odkryć – od testowania hipotez po identyfikację związków wiodących – oferując funkcjonalne odczyty oparte na EEG, które łączą fenotypowanie in vivo z wglądem w mechanizmy działania.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez poprzez wizualizację sposobu, w jaki związki modyfikują dynamikę EEG kory mózgowej w stanach snu i czuwania, co pozwala na doprecyzowanie celów neurofizjologicznych.
- Screening: Dostarcza ilościowe wyniki EEG gotowe do analizy (np. średnią dominującą moc spektralną), które umożliwiają wiarygodną ocenę związków i potwierdzenie trafień.
- Analityka: Zapewnia możliwości analizy spektralnej (spektrogramy multitaper, kwantyfikacja mocy w pasmach częstotliwości), co pozwala zespołom na porównywanie warunków i wykrywanie subtelnych, dynamicznych zmian w aktywności mózgu.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną dzięki chronicznemu monitorowaniu EEG u swobodnie poruszających się myszy, umożliwiając ocenę trwałych efektów działania leków oraz rozwoju tolerancji.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Sformułowany jako wielokrotnego użytku zasób o otwartym dostępie, a nie technika jednorazowa, program wspiera standaryzację w różnych ośrodkach i projektach badawczych w dziedzinie neuropsychfarmakologii.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celu poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej dzięki obiektywnemu fenotypowaniu EEG w rozdzielczości częstotliwościowej.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację i odtwarzalność dzięki spójnej, przyjaznej dla użytkownika platformie do analizy spektralnej stosowanej w różnych laboratoriach.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go poprzez umożliwienie wczesnego wykrywania efektów związków neuroaktywnych, co redukuje biologiczne ryzyko na późnych etapach opracowywania leków na OUN.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko poprzez identyfikację związków o korzystnych profilach EEG, takich jak te, które zachowują lub modulują określone pasma częstotliwości powiązane z zamierzonym działaniem terapeutycznym.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest podstawowa biegłość w akwizycji danych EEG, zarządzaniu plikami (EDF/CSV) oraz ocenie stanów snu przy użyciu zwalidowanego oprogramowania.
- Wymagane jest instrumentarium zdolne do wzmacniania i digitalizacji niefiltrowanych sygnałów EEG w milivoltach z chronicznie implantowanych elektrod.
- Konieczna jest standaryzacja międzyzespołowa w zakresie wstępnego przetwarzania danych EEG, protokołów oceny oraz doboru parametrów spektrogramu w celu zapewnienia powtarzalności.
- Należy uwzględnić kwestie adaptacji przy stosowaniu modelu u innych gatunków, szczepów lub w modelach chorobowych poza myszami C57BL/6J naiwnymi na opioidy.
- Ograniczenie praktyczne: użytkownicy komputerów Macintosh wymagają licencji MATLAB do uruchomienia programu, co ogranicza dostęp dla niektórych zespołów pomimo dostępności wersji open-source na system Windows.
