Реконструкция сигналов мозга грызунов во время эвтаназии с использованием алгоритма Eigensystem Realization Algorithm (ERA)

Введение

Понимание сложных биологических и физических процессов долгое время основывалось на нелинейных системах и теории управления. В последние годы методы, основанные на данных, стали мощной альтернативой традиционным подходам, предлагая более простые математические уравнения для описания наблюдаемых данных. Эти методы позволяют реконструировать сложные сигналы с использованием больших линейных систем. В данном исследовании мы применяем такие методы для анализа сигналов локальных полевых потенциалов (LFP), записанных из мозга анестезированных и свободно передвигающихся крыс до и во время эвтаназии CO₂.

Методы

Животные и экспериментальные процедуры

Экспериментальные данные были получены из предыдущего исследования мигрени у грызунов. Использовались десять самцов крыс Sprague Dawley, разделенных на две группы: бодрствующих (AW) и анестезированных (AN). Анестезия поддерживалась изофлураном.

Расположение имплантированных электродов LFP

На основе атласа мозга Paxinos и Watson четыре биполярных электрода были имплантированы в следующие области: передняя поясная кора (ACC), заднее ядро таламуса (Po), тройничный ганглий (TG) и первичная зрительная кора (V1M).

Администрирование CO₂ и клиническая смерть

Эвтаназия начиналась после 5 минут записи базовых LFP, при этом непрерывно подавался 100% CO₂. Клиническая смерть подтверждалась через 5–7 минут.

Предварительная обработка данных

Длинные записи были разделены на фазы по 5 минут. Для уменьшения шума применялась функция сглаживания в MATLAB. Алгоритм BEAST использовался для сегментации временных рядов.

Алгоритм Eigensystem Realization Algorithm (ERA)

ERA применялся для идентификации линейной динамической системы, способной генерировать наблюдаемые данные. Метод основан на сингулярном разложении матрицы Ганкеля, построенной из временных рядов.

Результаты

Точные реконструкции LFP с использованием ERA

ERA обеспечил высококачественные реконструкции временных рядов для всех каналов. Количество стеков (NS) варьировалось в зависимости от фазы эксперимента и состояния крысы.

Изменение NS в различных фазах

После введения CO₂ значения NS снижались, отражая уменьшение функциональности мозга. У бодрствующих крыс наблюдался более устойчивый профиль сложности.

Биологическая валидация снижения NS

Снижение NS коррелировало с уменьшением активности мозга, что подтверждалось анализом спектра мощности. У бодрствующих крыс отмечался феномен «последнего сопротивления».

Обсуждение

Представленный вычислительный framework позволяет точно реконструировать LFP-сигналы и анализировать изменения в сложности мозга во время эвтаназии. Методология может быть применена к другим типам электрофизиологических данных.

Методологические ограничения

Основные ограничения включают невозможность учета внешних стимулов в текущей формулировке ERA. В будущих исследованиях планируется ввести параметр для временных внешних воздействий.

Биологические инсайты и будущие исследования

Планируется применение модели к публичным наборам данных, таким как записи Allen, для дальнейшей валидации. Также необходимо изучить механизмы «последнего сопротивления».