Аннотация
Методы электрофизиологии в неврологии значительно эволюционировали за последние годы с растущим вниманием к плотной записи сигнала массива. Такое усложнение и увеличение объема регистрируемых данных не сопровождалось усилиями по рационализации и облегчению доступа к методам обработки, которые также подвержены усложнению. Более того, неудачные попытки воспроизведения рецензируемых публикаций свидетельствуют о проблеме прозрачности в науке.
Эту растущую проблему можно было бы решить путем обеспечения неограниченного доступа к методам, способствующим повышению транспарентности исследований и обмену данными и обеспечивающим воспроизводимость публикуемых результатов. Здесь мы предоставляем бесплатное, обширное программное обеспечение с открытым исходным кодом, которое обеспечивает анализ данных, управление данными и мультимодальные интеграционные решения для инвазивной нейрофизиологии. Пользователи могут выполнять весь анализ в удобной для них среде, без необходимости в навыках программирования, отслеживаемым (записанным в журнал) образом. Эта работа вносит вклад в открытую науку, стандартизацию анализа, прозрачность и воспроизводимость в инвазивной нейрофизиологии.
Введение
Записи инвазивных электродов являются уникальным источником нейрофизиологических данных in vitro и in vivo с высоким разрешением как в пространстве, так и во времени, записанных в отношении сложного поведения животных и человека. Сложность такого рода данных возросла в последние годы с появлением все более плотных многоканальных и многосайтовых электродных массивов. Эта эволюция предоставляет захватывающие возможности для изучения взаимосвязи между местными событиями, такими как потенциалы действий, и более глобальной динамикой на системном уровне, такой как колебания активности колебательных сетей. В то же время такие многомасштабные исследования требуют применения методов, отличных от тех, которые традиционно используются в полевых условиях.
Проблемы, связанные с изучением пространственно-временных массивов данных большого объема, не являются специфическими для электрофизиологии: они часто возникают в данных нейровизуализации, поскольку сканеры генерируют все большие объемы данных, которые часто используются несколькими группами или исследовательскими центрами. В ответ на это сообщество специалистов по визуализации мозга добилось значительных успехов в разработке общих программных платформ для согласования аналитических методов и содействия обмену данными. Действительно, бесплатные программные комплекты с открытым исходным кодом имеют решающее значение для облегчения подготовки кадров и повышения эффективности научных исследований. Этот подход перешел в область электрофизиологии кожи головы, но до сих пор он не нашел широкого применения в инвазивной нейрофизиологии (IN).
Программные средства действительно существуют для определенных сегментов рабочего процесса IN, таких как обнаружение и сортировка всплесков и анализ временных рядов, но они остаются относительно специализированными, некоторые с ограниченной поддержкой и документацией и большинство с ограниченной функциональной совместимостью с другими инструментами.
Хотя мы признаем значительные усилия по гармонизации форматов данных для электрофизиологии , представляется, что эта область отстает от других в удовлетворении требований рекомендованной практики управления данными и прозрачности. В этой связи для создания аналитических рабочих процессов, которые были бы проверенными, хорошо документированными и воспроизводимыми, требуются хорошо поддерживаемые программные средства. Важные компоненты включают организацию данных, обзор и контроль качества, верифицированное применение методов извлечения и декомпозиции сигналов, решения для передовой визуализации, зарегистрированной в анатомии, а также надежные подходы к машинному обучению и статистическим выводам.
Как и в области визуализации мозга, такие инструменты будут способствовать воспроизводимости опубликованных результатов и распространению методов внутри исследовательских групп и между ними. Они также позволят сэкономить значительное время и ресурсы, необходимые в настоящее время для перекодирования опубликованных методов. Кроме того, перекодировка создает проблемы при проверке кода по сравнению с опубликованным методом, вызывая возможные опасения в отношении достоверности конечных результатов и ограничивая долгосрочную ценность усилий.
Здесь мы внедряем и распространяем программное обеспечение с открытым исходным кодом (называемое Инвазивная нейрофизиология - мозговой шторм, или IN-Brainstorm), которое объединяет различные аспекты анализа данных для большинства условий и типов сигналов для основной электрофизиологии: от отдельных клеток до распределенных сетей каналов, от пикирующих событий до местных потенциалов поля, от текущих записей до событийных ответов, и от подготовки in vitro до моделей свободного поведения. Мы также подчеркиваем важность обширного графического интерфейса для удобного доступа к передовым аналитическим методам, гибких возможностей написания сценариев для высокопроизводительных вычислений и прослеживаемого выполнения кода. Предлагаемый инструмент сопровождается обширной онлайновой документацией и поддержкой со стороны веб-форума сообщества пользователей.
Это бесплатное приложение основано на платформе Brainstorm, которая является хорошо зарекомендовавшей себя (21 000 учетных записей пользователей), бесплатным открытым программным обеспечением для магнитоэнцефалографии (МЭГ) и электроэнцефалографии (ЭЭГ). Мозговой штурм может объединять мультимодальные объемы данных в дополнение к электрофизиологии кожи головы, например, магнитно-резонансной томографии (МРТ), КТ-сканирования и функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (ФНИРС). Он также имеет расширенный источник моделирования для электрофизиологических сигналов.
Приложение IN-Brainstorm предоставляет полный набор инструментов, который взаимодействует с другими, более конкретными и постоянно развивающимися IN инструментами, доступными в открытом сообществе, например, для выполнения сортировки всплесков. Конечным результатом является уникальный и расширенный программный инструментарий, который связывает воедино все уровни и методы регистрации данных, регистрирует инвазивную нейрофизиологию с данными структурной анатомии и тем самым обеспечивает единую аналитическую среду для сообщества нейрофизиологов-исследователей.
Результаты
Функции IN-Brainstorm, описанные здесь, предлагают комплексные решения для импорта и анализа данных, включая сортировку пиковых значений, выделение местного потенциала поля и корреляцию между этими измерениями по нескольким каналам. Важно отметить, что благодаря интуитивно понятному графическому интерфейсу пользователя не требуется навыков программирования для доступа и использования передовых методов, в том числе для сборки и обмена передовыми методами анализа данных.
Основой современных разработок является платформа "мозговой штурм". Brainstorm написан на языках Matlab (Matlab 2008 и выше) и Java. Поэтому он не зависит от операционной системы (Windows, MacOS и Linux). Управление кодом сообщества осуществляется через GitHub. Пользователи, не имеющие доступа к лицензии Matlab, могут использовать полностью исполняемую версию приложения, скомпилированную для вышеуказанных операционных систем. Обширная документация, содержащая специализированные руководства, наборы данных и видеоматериалы, свободно доступна в онлайновом режиме ). Недавно было опубликовано подробное сравнение "мозгового штурма" и других инструментов с открытым исходным кодом.
Дальше, больше с вами Био-инфо!