用於提取有效信號的方法、記錄介質和程序的製作方法
2023-04-30 18:01:36
專利名稱：用於提取有效信號的方法、記錄介質和程序的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於處理自一個研究對象產生的信號的方法。更具體地，本發明涉及一種用於從自一個研究對象產生的信號提取所需的信號的方法。本發明還涉及一種用於獲得有效信號並對其分類的方法。本發明的方法可以運用於整個細胞的全部通道活動的測量和分類。本發明的方法還可以運用於藥劑篩選、DNA診斷、SNP分析和蛋白質的功能分析。
然而，在捕獲的信號特別是一個數位訊號時，難以從噪聲信號中區分出所需的信號，因此不可能檢測與一個細胞的活動相關的通道的活動中的變化等。
在插線夾技術中，需要一個要求高操縱技巧的顯微操縱器，並且要花很多時間來測量一個樣本。因此，這難以測量大量的樣本。在螢光測量技術中，被檢測的研究對象僅限於發出螢光的離子，或者當在有或沒有化學物質、例如藥劑或改變化學物質的濃度的情況下測量一個細胞的離子通道活動中的變化時，需要另外採用螢光材料。不幸的是，在這種情況下，螢光材料很可能在一個研究對象上有副作用，並且螢光材料的螢光敏感性隨著時間而改變。
這裡所用的術語「所需的信號」指的是由一個研究對象、典型地例如細胞和核酸產生的信號，尤其是從一特定位置、例如一個細胞的離子通道發出的信號，或是由研究對象中一特定事件引起改變的信號、例如細胞的離子通道響應於藥劑和由核酸的雜交形成一個雙鏈(double stranded)序列的活動。
這裡所用的術語「有效信號」主要指的是後一含義，即由研究對象中一特定事件引起改變的信號。
採用本發明的方法，一個不必要求專用控制裝置的簡單測量探針可以被用來容易地測量在短時間內整個細胞的全部通道活動，並且不需要化學物質，使得不需要考慮副作用或螢光敏感性隨時間的改變。還可以對對一個測試樣本和一個藥劑的反應分類並篩選藥劑。
依據本發明的一個方面，一種用於從自至少一個研究對象產生的信號提取出所需的信號的方法，包括如下步驟(A)獲得從所述研究對象產生的時間序列信號，作為包括多個數據段的數據組，(B)從所述數據組獲得多個提取出的數據組，其中，每個提取出的數據組包括從所述數據組選擇的預定數目的數據段，(C)計算多個提取出的數據組的標準偏差，以獲得一個標準偏差組，以及(D)參考在標準偏差組中包括的每個標準偏差，並選擇所需的信號。
在一個實施例中，步驟(D)中的參考可以是計算在標準偏差組中包括的標準偏差的平均值。
在一個實施例中，步驟(D)中的參考可以是將標準偏差劃分成具有作為一個單位的預定寬度的標準偏差的多個類，在一個具有代表類的軸和代表出現在每個類中的標準偏差的數目的另一個軸的坐標系上繪出每個標準偏差，將所得的圖近似到一個正態分布，並計算所得的正態分布的平均值、半寬和方差或標準偏差。
在一個實施例中，該方法可以進一步包括在改變提取出的數據組中包括的數據段數目的同時多次執行步驟(B)至(C)。
在一個實施例中，該方法可以進一步包括在改變提取出的數據組中包括的數據段數目和類的寬度的同時多次執行步驟(B)至(D)。所需的信號可以從多個所得的正態分布的平均值、半寬和方差或標準偏差中選擇。
在一個實施例中，在步驟(A)之後，該方法可以進一步包括合計為多個研究對象中的每一個獲得的數據組。
在一個實施例中，在步驟(A)之後，該方法可以進一步包括減去一個為多個研究對象中的每一個獲得的數據組。
在一個實施例中，在步驟(A)之前，該方法可以進一步包括同時刺激多個研究對象中的每一個。
在一個實施例中，步驟(D)中的參考可以是將標準偏差劃分成具有作為一個單位的預定寬度的標準偏差的多個類，在一個具有代表類的軸和代表出現在每個類中的標準偏差的數目的另一個軸的坐標系上繪出每個標準偏差，通過從包括指數遞減分析、指數遞增分析、高斯分布、洛倫茲分布、σ分析、多峰值分析和非線性分析的組中選擇的曲線近似分析來近似所得的圖，並獲得所得的近似曲線上的峰值之前和之後的梯度。
在一個實施例中，步驟(B)中的選擇可以以時間序列的方式執行。
在一個實施例中，步驟(B)到(D)可以被重複，步驟(B)中的選擇可以以時間序列的方式執行，並且，該方法可以進一步包括在每次重複時以一個預定時間滯後在提取出的數據組中選擇一個第一數據段，並比較在該重複中獲得的標準偏差組的平均值。
在一個實施例中，步驟(B)到(D)可以被重複，步驟(B)中的選擇可以以時間序列的方式執行，並且，該方法可以進一步包括在每次重複時以一個預定時間滯後在提取出的數據組中選擇一個第一數據段，並比較在該重複中獲得的標準偏差組的正態分布的平均值。
在一個實施例中，步驟(B)到(D)可以被重複，步驟(B)中的選擇可以以時間序列的方式執行，並且，該方法可以進一步包括在每次重複時以一個預定時間滯後在提取出的數據組中選擇一個第一數據段，並比較在該重複中獲得的標準偏差組的正態分布的半寬、方差或標準偏差。
在一個實施例中，步驟(D)中的參考可以包括從標準偏差組獲得多個提取出的標準偏差組，每個提取出的標準偏差組包括以時間序列方式從標準偏差組選擇的預定數目的標準偏差。該方法可以進一步包括如下步驟，計算預定數目的標準偏差的平均值和平均值的時間序列增大率，將每個提取出的標準偏差組的所得平均值與一個預定的設置值進行比較，識別對應於具有大於或等於設置值的平均值的標準偏差組的時間序列信號的產生的時間(a)，識別對應於具有在時間(a)之後提取出的標準偏差組的平均值的小於或等於設置值的時間序列增大率的時間序列信號的產生的時間(b)，並根據產生時間(a)和(b)獲得一個有效信號。
在一個實施例中，研究對象可以是一個細胞，所需的信號可以是一個與離子通道或受體的激活或細胞內信號轉導系統的活動相關的信號。
在一個實施例中，研究對象可以是一個細胞，所需的信號可以是一個由對一個測試化學物質起反應的細胞所產生的有效信號，步驟(A)可以在存在一個對細胞具有已知作用的標準化學物質時或在存在測試化學物質時執行，該方法可以進一步包括將在存在標準化學物質時獲得的平均值與在存在測試化學物質時獲得的平均值進行比較。
在一個實施例中，研究對象可以是一個細胞，所需的信號可以是一個由對一個測試化學物質起反應的細胞所產生的有效信號，步驟(A)可以在存在一個對細胞具有公知作用的標準化學物質時或在存在標準化學物質和測試化學物質時執行，該方法可以進一步包括將在存在標準化學物質時獲得的平均值與在存在標準化學物質和測試化學物質時獲得的平均值進行比較。
上述標準化學物質包括用於一個被研究細胞的興奮劑或抑制劑。
在一個實施例中，研究對象可以是核酸，所需的信號可以是與雙鏈核酸的形成相關的有效信號。
依據本發明的另一個方面，提供了一種計算機可讀的記錄介質，其存儲用於執行下列過程的程序，(A)獲得從所述研究對象產生的時間序列信號，作為包括多個數據段的數據組，(B)從所述數據組獲得多個提取出的數據組，其中，每個提取出的數據組包括從所述數據組選擇的預定數目的數據段，(C)計算多個提取出的數據組的標準偏差，以獲得一個標準偏差組，以及(D)參考在標準偏差組中包括的每個標準偏差，並選擇所需的信號。
依據本發明的另一個方面，提供了一種程序，用於使計算機執行下列過程，(A)獲得從所述研究對象產生的時間序列信號，作為包括多個數據段的數據組，(B)從所述數據組獲得多個提取出的數據組，其中，每個提取出的數據組包括從所述數據組選擇的預定數目的數據段，(C)計算多個提取出的數據組的標準偏差，以獲得一個標準偏差組，以及(D)參考在標準偏差組中包括的每個標準偏差，並選擇所需的信號。
圖2是顯示在本發明的一個實例中所述的用在細胞的離子通道活動的測量中的裝置的結構和步驟的原理圖。圖中的標號指示如下100計算機；101測量部分；102標準偏差計算步驟；105平均值計算步驟；108活動計算步驟；110顯示部分。
圖3是顯示本發明的另一個實例中所述的用在細胞的離子通道活動的測量中的裝置的結構和步驟的原理圖。圖中的標號指示如下100計算機；101測量部分；102標準偏差計算步驟；103正態分布近似步驟；106平均值和半寬計算步驟；109活動分類步驟；以及110數據顯示部分。
圖4是顯示在本發明的又一個實例中所述的用在細胞的離子通道活動的測量中的裝置的結構和步驟的原理圖。圖中的標號指示如下100計算機；101測量部分；102標準偏差計算步驟；103正態分布近似步驟；104樣本時間確定步驟；106平均值和半寬計算步驟；109活動分類步驟；以及110數據顯示部分。
圖5是顯示在本發明的又一個實例中所述的用在細胞的離子通道活動的測量中的裝置的結構和步驟的原理圖。圖中的標號指示如下100計算機；101測量部分；102標準偏差計算步驟；103正態分布近似步驟；106平均值和半寬計算步驟；107信號合計步驟；109活動分類步驟；110數據顯示部分；以及111刺激產生部分。
圖6是顯示出依據本發明的方法測量從椎實螺(Lymnaeastagnails)製備而來的神經元對不同的穀氨酸濃度的應答的結果的示意圖。
圖7是顯示出依據本發明的方法測量從椎實螺製備而來的神經元對應用穀氨酸的細胞外記錄應答的結果的示意圖。
圖8是顯示依據本發明的方法測量從椎實螺製備而來的神經元對應用穀氨酸的細胞內記錄應答的結果的示意圖。
圖9是顯示本發明中根據由硝苯吡啶(nifedipine)引起的細胞離子通道活動變化的資料庫對一個測試藥劑進行分類的結果的示意圖。
圖10是顯示依據本發明的方法測量從椎實螺製備而來的神經元對應用穀氨酸和TTX的應答的結果的示意圖。
圖11是顯示依據本發明方法測量以不同的鈣通道抑制劑處理的平滑肌細胞應答的結果的示意圖。
圖12是顯示在一個實例中所述的作為本發明的研究對象的、具有不同數目的鹼基替代(base replacement)的DNA探針的排列的示意圖。
圖13是顯示由本發明的方法當在不同溫度實施作為研究對象的、具有不同數目的鹼基替代的DNA探針的雜交時測量螢光強度隨時間變化的結果的示意圖。
圖14是顯示由本發明的方法當實施作為研究對象的、具有不同數目的鹼基替代的DNA探針的雜交時測量螢光強度的結果的示意圖，其中螢光強度是根據鹼基替代的數目繪出的。
圖15繪出了依據本發明方法作為有效信號而獲得的一個平滑肌細胞對去甲腎上腺素的應答。
圖16是以時延方式顯示依據本發明的方法作為有效信號而獲得的一個平滑肌細胞對去甲腎上腺素的應答的示意圖。
依據本發明的另一個實施例的有效信號提取方法是一種用於從自至少一個研究對象產生的信號提取出所需的信號的方法，包括步驟A，以預定頻率或採樣率對從該研究對象產生的時間序列信號採樣，以獲得一個包括多個數據段的數據組，步驟B，從該數據組提取出多個數據集合，每個集合包括預定數目的數據段，以獲得多個提取出的數據組，並計算多個提取出的數據組中的每一個的標準偏差，以獲得一個標準偏差的集合，以及如下步驟，將標準偏差劃分成具有作為一個單位的預定寬度的標準偏差的多個類，在一個具有代表類的軸和代表出現在每個類中的標準偏差的數目的另一個軸的坐標系上繪出每個標準偏差，將所得的圖近似到一個正態分布，並計算所得的正態分布的平均值、半寬和方差或標準偏差，其中，將這些值看作從該研究對象產生的時間序列信號的代表值，並用作用於獲得所需的信號或有效信號的索引。
參看圖1，將描述依據本發明的一個實施例的有效信號提取方法。圖1是用於解釋本發明的一個實施例的有效信號提取方法的原理圖。如圖1(a)所示，將從一個研究對象產生的時間序列信號(例如，電壓振幅)以時間序列方式以預定頻率採樣，以獲得包括多個數據段的數據組。接著，如圖1(b)所示，以時間序列方式從數據組多次提取一個數據集合(圖1(b)顯示了一次提取)，每個集合包括預定數目的時間序列數據段(例如，對應於橫跨5毫秒的數據)。計算每個提取出的數據組的標準偏差，以獲得包括一個標準偏差集合的的標準偏差組。接著，如圖1(c)所示，將作為標準偏差集合的每個成員的標準偏差劃分成具有作為一個單位的預定寬度的標準偏差的多個類並繪出(在圖1(c)中，水平軸代表時間間隔，垂直軸代表標準偏差值)。接著，如圖1(d)所示，在具有代表類的X軸和代表每個類中的標準偏差數目的Y軸的坐標系上繪出標準偏差值，並將所得的圖近似到一個正態分布上。最後，計算所得的正態分布的平均值和半寬、方差或標準偏差。將這些值看作從該研究對象產生的時間序列信號的代表值，並用作用於獲得所需的信號或有效信號的索引。
依據本發明的另一個實施例的有效信號提取方法是一種用於從自至少一個研究對象產生的信號提取出所需的信號的方法，包括步驟A，以預定頻率或採樣率對從該研究對象產生的時間序列信號採樣，以獲得一個包括多個數據段的數據組，步驟B，從該數據組提取出多個數據集合，每個集合包括預定數目的數據段，以獲得多個提取出的數據組，並計算多個提取出的數據組中的每一個的標準偏差，以獲得一個標準偏差的集合，以及如下步驟，將標準偏差劃分成具有作為一個單位的預定寬度的標準偏差的多個類，在一個具有代表類的軸和代表出現在每個類中的標準偏差的數目的另一個軸的坐標系上繪出每個標準偏差，通過從包括指數遞減分析、指數遞增分析、高斯分布、洛倫茲分布、σ分析、多峰值分析和非線性分析的組中選擇的曲線近似分析來近似所得的圖，並獲得所得的近似曲線的每個參數值(X偏移值，Y偏移值，時間常數，放大係數，中心，寬度，指數，乘方，Y的起始值y(-□)，以及Y的結束值(+□))，其中，這些參數中的任何一個被看作從該研究對象產生的時間序列信號的代表值，並用作用於獲得所需的信號或有效信號的索引。
在本發明的實施例中，在改變在提取出的數據組中的一個數據集合中的數據段的數目以及直方圖類的間隔的同時，可以重複從步驟B到繪出標準偏差的步驟的過程，從而提高所得索引值的精度。
在本發明的實施例中，可以使用多個研究對象，從自研究對象產生的時間序列信號獲得的數據組可以被增加或減去，從而提高所得索引值的精度。
在本發明的實施例中，該方法可以進一步包括同時刺激研究對象、從而提高所得索引值的精度或為該刺激獲得一個有效信號的步驟。
在本發明的實施例中，在提取出的數據組中的一個數據集合可以由時間序列或隨機選擇來提取。
在本發明的實施例中，步驟B可以被重複。起始數據可以指定為a。可以從數據組提取出包括預定數目的時間序列數據段的第一提取數據組。可以計算每個第一提取數據組的標準偏差。可以在數據a之後的一預定時間對起始數據b採樣。可以從數據組提取出包括預定數目的時間序列數據段的第二提取數據組。可以計算每個第二提取數據組的標準偏差。
在本發明的實施例中，步驟B可以被重複。起始數據可以指定為a。可以從數據組提取出包括預定數目的時間序列數據段的第一提取數據組。可以計算每個第一提取數據組的標準偏差。可以獲得包括多個標準偏差的第一標準偏差組。可以在數據a之後的一預定時間對起始數據b採樣。可以從數據組提取出包括預定數目的時間序列數據段的第二提取數據組。可以計算每個第二提取數據組的標準偏差。可以獲得包括多個標準偏差的第二標準偏差組。將第一和第二標準偏差組的每一個劃分成具有作為一個單位的預定寬度的標準偏差的多個類，並在具有代表類的軸和代表每個類中的標準偏差數目的另一個軸的坐標系上繪出標準偏差。可以將所得的圖近似到一個正態分布上。可以計算所得的正態分布的平均值和半寬、方差或標準偏差。將這些值看作從該研究對象產生的時間序列信號的代表值，並用作用於獲得所需的信號或有效信號的索引。
依據本發明的另一個實施例的有效信號提取方法是一種用於從自至少一個研究對象產生的信號提取出所需的信號的方法，包括步驟A，以預定頻率或採樣率對從該研究對象產生的時間序列信號採樣，以獲得一個包括多個數據段的數據組，步驟B，從該數據組提取出多個數據集合，每個集合包括預定數目的數據段，以獲得多個提取出的數據組，並計算多個提取出的數據組中的每一個的標準偏差，以獲得一個標準偏差的集合，步驟C，以時間序列方式從標準偏差組多次提取預定數目的標準偏差，以獲得多個提取出的標準偏差組，並計算預定數目的標準偏差的平均值和平均值的時間序列增大率，步驟D，識別對應於當提取出的標準偏差的平均值到達一個預定設置值時的時間的時間序列信號的產生的時間(a)，步驟E，識別對應於當在時間(a)之後提取出的標準偏差組的平均值的增大率到達一個預定設置值時的時間的時間序列信號的產生的時間(b)，步驟F，計算在時間(b)的標準偏差的平均值，以及，步驟G，根據從時間(a)和(b)的標準偏差的改變率和變化獲得一個有效信號。通過根據標準偏差的改變率和變化獲得有效信號，可以定量地估計一個藥劑的固有活動性。此外，可以在不同藥劑之間比較活動性，並比較活動性表現速度。
(實例)此後將參考附圖描述本發明的實例。
(例1)圖2是顯示用在依據本發明的例1的信號提取方法中的裝置的結構和步驟的原理圖。該裝置包括用於連續測量從一個神經元產生的動作電位的測量部分101；包含存儲一個程序的硬碟的計算機100，該程序用於執行用於每隔預定時間計算測量的數據的標準偏差的標準偏差計算步驟102、用於每隔預定時間計算輸出的標準偏差值的平均值的平均值計算步驟105、以及用於從平均值計算步驟105輸出的平均值計算離子通道活動的活動計算步驟108；以及，用於顯示離子通道活動的數據顯示部分110，例如CRT。
該裝置用於測量一個實際上從椎實螺製備的神經元的電信號，其中將0，0.1，0.3，1，3，10，30或100μM的穀氨酸加到神經元上。將所得的橫跨10毫秒的測量出的數據劃分成橫跨100毫秒的多段子數據，隨後計算每個子數據的標準偏差。在圖6中繪出了標準偏差的平均值。在這個實例的離子通道活動提取方法中，確認依賴於穀氨酸濃度的結果。換句話說，穀氨酸濃度越大，100毫秒的標準偏差值的分布越靠右，即100毫秒的標準偏差值越大。此外，顯示出從該數據估計出全部離子通道活動。
(例2)圖3是顯示用在依據本發明的例2的信號提取方法中的裝置的結構和步驟的原理圖。該裝置包括用於連續測量從一個神經元產生的動作電位的測量部分101；包含存儲一個程序的硬碟的計算機100，該程序用於執行用於每隔預定時間計算測量的數據的標準偏差的標準偏差計算步驟102、用於將包括多個所得的標準偏差的標準偏差組劃分成具有作為一個單位的預定寬度的標準偏差的多個類、並在一個X軸代表類和Y軸代表每個類中存在的標準偏差的數目的坐標系上繪出每個標準偏差的正態分布近似步驟103、用於將所得的圖近似到一個正態分布並計算所得的正態分布的平均值和半寬的平均值和半寬計算步驟106、以及用於根據所得的平均值和半寬對離子通道活動分類的活動分類步驟109；以及，用於顯示離子通道活動的數據顯示部分110，例如CRT。
該裝置用於執行一個實際上從椎實螺製備的神經元的細胞外記錄，其中，測量是在將50μM的穀氨酸加到神經元之前和之後進行的。由測量獲得的一組標準偏差被繪在圖7中所示的圖上，其中水平軸代表類。圖7(a)是顯示在施加穀氨酸之前每5毫秒計算出的標準偏差值的直方圖。圖7(b)是顯示在施加穀氨酸之後每5毫秒計算出的標準偏差值的直方圖。如這些圖所示，通過將施加穀氨酸之前和之後的直方圖近似到正態分布而獲得的圖的平均值和半寬在施加之前分別是0.488和0.119，在施加之後分別是0.733和0.170。每隔5毫秒的標準偏差的平均值在施加穀氨酸之前和之後之間增大。這是因為施加穀氨酸激活了椎實螺神經元的離子通道，被激活的通道的打開或關閉引起了出現在圖中的動作電位的變化。
圖8顯示了每隔5毫秒的標準偏差值的直方圖，其中由常規的細胞內記錄方法獲得的數據被進行類似的信號處理。圖8中左邊的曲線是在施加穀氨酸之前每隔5毫秒的標準偏差值的直方圖，圖8中右邊的曲線是在施加穀氨酸之後每隔5毫秒的標準偏差值的直方圖。如這些圖所示，通過將在施加穀氨酸之前和之後的直方圖近似到正態分布而獲得的圖的平均值和半寬在施加之前分別是0.181和0.041，在施加之後分別是0.534和0.204。在圖7和8的結果之間比較，細胞外記錄方法的結果與細胞內記錄方法的結果類似。
因此，取代常規細胞內記錄，這個實例的信號提取方法可以用於僅僅測量和提取並對與離子通道的打開或關閉相關的細胞活動分類。在這個結構中，通過比較在對細胞施加了藥劑之前和之後或相對於藥劑量的離子通道活動的絕對值或離子通道活動中的增大或減小，可以檢測細胞的離子通道活動，並且可以定性地或定量地對藥劑的效果分類。
(例3)細胞內記錄方法和類似方法已經揭示出，當以10μM的去甲腎上腺素刺激細胞時，平滑肌細胞的鈣離子通道由硝苯吡啶以依賴於濃度的方式抑制。因此，由細胞內記錄方法記錄的硝苯吡啶在鈣離子通道上的效果(0.03到30μM)被用作資料庫，由細胞外記錄通過測量兩個鈣通道抑制劑而獲得的數據也被參考來採用與例2相同的信號活動提取方法對藥劑分類。具體地，由細胞內記錄獲得的數據被以兩個變量繪出，即，標準偏差的正態分布的平均值與一個參考值的偏差(相對位移值)和其半寬與一個參考值的偏差(相對展寬)。繪圖結果用作資料庫。這個資料庫用於對兩個藥劑的效果分類(化合物A和B)。平滑肌細胞的鈣離子通道的活動由細胞外記錄測量，同時藥劑A和B的濃度在0.03到30μM的範圍內變化。結果顯示在圖9中。在圖9中，三角形指示化合物A。如圖9所示，化合物A以與硝苯吡啶(圓圈)大致相同的方式表現。因此，化合物A非常可能是一個與硝苯吡啶類似的鈣離子通道抑制劑。相反，在圖9中由方塊指示的化合物B大致沒有變化，而不管化合物B的濃度的變化，因此化合物B非常可能不是一個鈣離子通道阻斷劑，與作用於平滑肌的常規鈣通道阻斷劑不同。
如上所述，這個實例的信號提取方法使得可以推導出未知藥劑的效果。此外，例如，可以採用一個如圖9所示由虛線圓圈指示的閾值來評估藥劑，指示上述相對位移和相對展寬分別都在大約5％內，從而使得可以有效地篩選藥劑。
(例4)由細胞外記錄方法研究了1μM的河豚毒素(TTX)在從椎實螺製備的神經元上的效果，其中50μM的穀氨酸被同時加到該神經元上。神經元的離子通道活動用與例2相同的離子通道活動提取方法來提取。結果顯示在圖10中。圖b是通過將在施加穀氨酸之前每隔5毫秒的標準偏差值近似到一個正態分布而獲得的圖。圖c是通過將在施加穀氨酸之後每隔5毫秒的標準偏差值近似到一個正態分布而獲得的圖。圖a是通過將每隔5毫秒的標準偏差值近似到一個正態分布而獲得的圖，其中允許TTX作用10分鐘，隨後施加穀氨酸。如圖10所示，添加50μM的穀氨酸使得分布的平均值沿水平軸向右移位，並且半寬增大。另一方面，1μM的TTX的作用使得分布的平均值沿水平軸進一步向左移位超過對照，並且半寬減小。因此，如圖2所示，這個實例的信號活動提取方法使得能夠定性地或定量地對藥劑的效果分類。此外，通過另外採用一個近似正態分布的半寬作為用於對藥劑的效果分類的因素，可以更精細地對藥劑的效果分類。
(例5)將取自鼠的主動脈血管的平滑肌細胞用於以細胞外記錄方法測量各種鈣通道阻斷劑的效果。所得的數據用與例2相同的信號提取方法來處理，以確定離子通道活動。
細胞外記錄是採用一個細胞外記錄電極實現的，該細胞外記錄電極具有100個直徑為5μM的通孔，每個通孔在一個在矽基質的2mm×2mm的區域中形成的直徑為20μm和深度為20μm的凹坑中提供。一個平滑肌細胞被固定在100個通孔的每一個中，並從後側吸住來固定細胞以供測量。測量電極在矽基質的後側上以金沉積來提供，以便可以檢測與細胞的通道的打開或關閉相關的電改變。以上述方式在細胞外記錄電極上準備的細胞被以一個鈣通道阻斷劑、即ω-CgTxMVIIC(P/Q類型)、硝苯吡啶(L類型)和ω-CgTxGVIA(N類型)中的每一個來處理。在這種情況下，比較去甲腎上腺素在平滑肌細胞上的效果，結果顯示在圖11中。圖11中的五條曲線代表對施加下面各個藥劑的響應，按照峰值位置從左起為1μM硝苯吡啶(L類型鈣通道抑制劑)+50μM去甲腎上腺素(粗虛線)、無藥劑(對照)(長短交替虛線)、1μMω-CgTxMVIIC(P/Q類型鈣通道抑制劑)+50μM去甲腎上腺素(粗鏈雙虛線)、1μMω-CgTxGVIA(N類型鈣通道抑制劑)+50μM去甲腎上腺素(虛線)、以及50μM去甲腎上腺素(實線)。
因此，特徵偏差值由正態分布近似，以獲得依賴於每種類型的阻斷劑的圖。
通過採用例5的信號提取方法並比較在向細胞施加藥劑之前和之後或相對於藥劑量的離子通道活動的絕對值或離子通道活動的增大或減少，可以檢測一個細胞的離子通道活動，並且可以對藥劑的效果定性或定量地分類。
(例6)由取自帶有Eco RI和Hind III的E.coli的雙消化DNA(產生片段產品A至H)獲得的樣本被用作樣品。如圖12所示，與雙消化產品(單鏈DNA)互補的探針被放在一個載片上。在行A上，通過以其他鹼基替代一個與產品A的單鏈DNA互補的鹼基順序的0到5鹼基而獲得的探針被以從左開始從0到5的順序固定。在行B上，通過以其他鹼基替代一個與產品B的單鏈DNA互補的鹼基順序的0到5鹼基而獲得的探針被以類似方式固定。在行C到H上，通過以其他鹼基替代一個與產品C到H的單鏈DNA互補的鹼基順序的0到5鹼基而獲得的探針被以類似方式固定。此後，對應於載片上的所有行和列的反應環被提供，從E.coli產生的DNA樣本被滴落在載片上，其中，通過加熱到100℃用Eco RI和Hind III雙消化DNA並使其是單鏈而獲得樣本。與雙鏈DNA反應的指示劑、例如CyberGreen I被添加到每個反應環。在這種情況下，執行螢光測量，同時每隔5分鐘溫度從5℃增加到80℃。
圖13顯示了在10kHz的採樣率採樣的行C上的螢光強度中的時間序列變化。如圖13所示，所替代的鹼基數越少，即，雜交越大，則螢光強度越大。對於在行A、B和D到H上提供的產品也是這樣。在測量開始之後從45分鐘到50分鐘的5分鐘獲得的行C的螢光強度數據被以與例2中相同的方法近似到正態分布，圖14中顯示了結果以供比較。如圖14所示，所替代的鹼基數越少，即，雜交越大，則近似正態分布曲線的峰值之前和之後的梯度或正態分布的半寬、方差或標準偏差越大。其結果是，發現本發明的信號處理可以檢測到由於鹼基不同而在形成雙鏈的能力中的不同。
於是，顯示出本發明的有效信號提取方法可以非常有效地不僅估定細胞活動，還估定物理特性中的變化，即，DNA診斷，SNP分析，等等。
(例7)將取自鼠大動脈血管的平滑肌在一個特別處理的半導體基質上培養。
半導體基質在1mm2的面積上具有100個直徑為5μm的通孔，通孔的深度是30μm。半導體基質的表面以10μg/cm2的密度覆蓋有0.01％(w/v)膠原蛋白類型I溶液(Sigma C8919)，隨即允許其在37℃反應30分鐘，隨後是空氣幹化。取自鼠大動脈血管的平滑肌在以無菌水淨化的基質上培養。在培養三天之後，進行下面的實驗。
當測量離子通道活動時，通過從半導體基質的後面施加預定壓力來吸入血管平滑肌細胞，以使得細胞與半導體基質相接觸。以10μM去甲腎上腺素刺激平滑肌細胞。在一個實驗系統中，以10μM去甲腎上腺素刺激平滑肌細胞，並測量電勢變化60秒。以例2中的方法將所得的時間序列數據近似到一個正態分布。在圖15所示的圖上繪出正態分布的平均值。注意，時間序列數據的採集在實驗開始10毫秒之後開始，這樣不會從時間滯後提取出測量的數據。此後，每隔100毫秒從時間序列數據計算標準偏差，從而清楚地提取出由興奮劑引起的離子通道活動。其結果是，發現所得的曲線清楚地向比沒有施加藥劑時更高的類值移動，如圖15所示。注意，當時間滯後小於50毫秒時，可以清楚地提取出平均值位移，然而，相反，50毫秒或更多的時間滯後使得活動提取無效。這是這個實驗系統的結果。認為使用其他細胞和其他興奮劑可以導致相應的特定特性。
(例8)除了在可選10μM派唑嗪(α1阻斷劑)作為抑制劑的情況下執行10μM去甲腎上腺素刺激以外，進行與例7相同的實驗。在該實驗系統中，首先以10μM去甲腎上腺素刺激平滑肌細胞，並測量其電勢變化60秒。在這種情況下，如圖16所示，以實三角形繪出橫跨一秒平均值的時間序列數據的每隔100毫秒的標準偏差的平均值。進一步，以空三角形繪出以10毫秒的時間位移分開的一秒時間序列的每隔100毫秒的標準偏差的平均值。接著，實圈和空圈指示當在以10μM去甲腎上腺素刺激平滑肌細胞之前用10μM派唑嗪對平滑肌細胞處理10分鐘並執行類似信號處理時獲得的數據。空圈指示帶有10毫秒的時間位移的一秒時間序列數據的每隔100毫秒的標準偏差的平均值，並對應於實三角形所指示的結果。其結果是，表明通過處理帶有時間位移的時間序列數據，可以清楚地捕獲對一個刺激的反應。例8的結果指示出該方法可以識別具有根據刺激變化的活動的定時的通道類型的可能性。此外，建議該方法可以通過為標準偏差的平均值設置一個任意閾值來確定興奮劑或抑制劑的強度。
如上所述，本發明的有效信號提取方法以各種方式劃分以預定採樣率或頻率捕獲的數位訊號，從而使得能夠從噪聲中提取、測量和分類與一個生物反應相關的有效信號。
即使在螢光圖象的螢光強度被CCD相機捕獲為數位訊號、但在螢光強度中未觀察到變化時，本發明的有效信號提取方法也能夠提取、測量和分類不僅是生物信號、而且是化學或物理信號中的微小變化。
注意，雖然在上述實例中採用了圖2或3所示的裝置結構和步驟，但也可以採用圖4或5中所示的裝置結構和步驟。
圖4是顯示用在依據本發明的又一個實例的信號提取方法中的裝置的結構和步驟的原理圖。該裝置包括用於連續測量從一個神經元產生的動作電位的測量部分101；包含存儲一個程序的硬碟的計算機100，該程序用於執行用於每隔預定時間計算測量的數據的標準偏差的標準偏差計算步驟102，用於確定計算一個標準偏差的時間的樣本時間確定步驟104，用於將包括多個所得的標準偏差的標準偏差組劃分成具有作為一個單位的預定寬度的標準偏差的多個類、並在一個其中X軸代表類和Y軸代表在每個類中存在的標準偏差的數目的坐標系上繪出每個標準偏差的正態分布近似步驟103，用於將所得的圖近似到一個正態分布並計算所得的正態分布的平均值和半寬的平均值和半寬計算步驟106，以及用於根據所得的平均值和半寬對離子通道活動分類的活動分類步驟109；以及，用於顯示離子通道活動的數據顯示部分110，例如CRT。
圖5是顯示用在依據本發明的又一個實例的信號提取方法中的裝置的結構和步驟的原理圖。該裝置包括用於刺激一個神經元的刺激產生部分111；用於連續測量從神經元產生的動作電位的多個測量部分101；用於合計由測量部分101獲得的信號的信號合計部分107；包含存儲一個程序的硬碟的計算機100，該程序用於執行用於每隔預定時間計算測量的數據的標準偏差的標準偏差計算步驟102，用於將包括多個所得的標準偏差的標準偏差組劃分成具有作為一個單位的預定寬度的標準偏差的多個類、並在一個其中X軸代表類和Y軸代表在每個類中存在的標準偏差的數目的坐標系上繪出每個標準偏差的正態分布近似步驟103，用於將所得的圖近似到一個正態分布並計算所得的正態分布的平均值和半寬的平均值和半寬計算步驟106，以及用於根據所得的平均值和半寬對離子通道活動分類的活動分類步驟109；以及，用於顯示離子通道活動的數據顯示部分110，例如CRT。
如上所述，參考實例描述了本發明，但本發明不限於這些。在不偏離本發明的範圍的情況下，根據本領域技術人員的知識，可以實現包括變化、改變和修改的其他實施例。
工業實用性本發明提供了用於從難以或不可能識別的信號中提取出一個有效信號的方法。特別地，本發明提供了一種方法，其中，一個不必要求專用控制裝置的簡單測量探針可以被用來容易地測量和分類在短時間內整個細胞的全部通道活動，並且不需要化學物質，使得不需要考慮副作用或螢光敏感性隨時間的改變，還提供了一種可用於藥劑篩選的方法。
本發明的有效信號提取方法可以運用於藥劑篩選、DNA分析、蛋白質分析、DNA和蛋白質功能分析等。例如，在電生理學細胞功能測量、電化學DNA分析等中，從一個捕獲為數位訊號的信號提取出一個有效信號，並測量和分類，使得該方法對於高速藥劑篩選是非常有用的。此外，在DNA分析領域，可以採用螢光插入或電化學測量在SNP分析中執行依賴於反應溫度的雜交分析，使得該方法在醫藥開發或DNA診斷領域中是有用的。
權利要求
1.一種用於從自至少一個研究對象產生的信號提取出一個所需的信號的方法，包括如下步驟(A)獲得一個從所述研究對象產生的時間序列信號，其中所述研究對象作為一個由多個數據段構成的數據組；(B)從所述數據組獲得多個提取出的數據組，其中，每個提取出的數據組包括從所述數據組選擇的預定數目的數據段；(C)計算多個提取出的數據組的標準偏差，以獲得一個標準偏差組；以及(D)參考在標準偏差組中包括的每個標準偏差，並選擇所需的信號。
2.如權利要求1所述的方法，其中，步驟(D)中的參考是計算在標準偏差組中包括的標準偏差的平均值。
3.如權利要求1所述的方法，其中，步驟(D)中的參考是將標準偏差劃分成多個類，其中每個類具有作為一個單位的預定寬度的標準偏差，在一個具有代表類的軸和另一個代表出現在每個類中的標準偏差的數目的軸的坐標系上繪出每個標準偏差，將所得的圖近似為一個正態分布，並計算所得的正態分布的平均值、半寬和方差或標準偏差。
4.如權利要求1所述的方法，進一步包括在改變提取出的數據組中所包括的數據段的數目的同時多次執行步驟(B)至(C)。
5.如權利要求3所述的方法，進一步包括在改變提取出的數據組中所包括的數據段的數目和類的寬度的同時多次執行步驟(B)至(D)，其中，從多個所得的正態分布的平均值、半寬和方差或標準偏差中選擇所需的信號。
6.如權利要求1所述的方法，其中，從自多個研究對象而產生的信號中提取出所需的信號，並且，在步驟(A)之後，所述方法進一步包括合計為多個研究對象中的每一個而獲得的數據組。
7.如權利要求1所述的方法，其中，從自多個研究對象而產生的信號中提取出所需的信號，並且，在步驟(A)之後，所述方法進一步包括減去一個為多個研究對象中的每一個而獲得的數據組。
8.如權利要求1所述的方法，其中，從自多個研究對象而產生的信號中提取出所需的信號，並且，在步驟(A)之前，所述方法進一步包括同時刺激多個研究對象中的每一個。
9.如權利要求1所述的方法，其中，步驟(D)中的參考是將標準偏差劃分成多個類，其中每個類具有作為一個單位的預定寬度的標準偏差，在一個具有代表類的軸和另一個代表出現在每個類中的標準偏差的數目的軸的坐標系上繪出每個標準偏差，通過從包括指數遞減分析、指數遞增分析、高斯分布、洛倫茲分布、σ分析、多峰值分析和非線性分析的組中選擇的曲線近似分析來近似所得的圖，並獲得所得的近似曲線上的峰值之前和之後的梯度。
10.如權利要求1所述的方法，其中，以時間序列的方式執行步驟(B)中的選擇。
11.如權利要求2所述的方法，其中，重複步驟(B)到(D)，以時間序列的方式執行步驟(B)中的選擇，並且，所述方法進一步包括在每次重複時以一個預定時間滯後在提取出的數據組中選擇一個第一數據段，並比較在多次重複過程中所獲得的標準偏差組的平均值。
12.如權利要求3所述的方法，其中，重複步驟(B)到(D)，以時間序列的方式執行步驟(B)中的選擇，並且，所述方法進一步包括在每次重複時以一個預定時間滯後在提取出的數據組中選擇一個第一數據段，並比較在多次重複過程中獲得的標準偏差組的正態分布的平均值。
13.如權利要求3所述的方法，其中，重複步驟(B)到(D)，以時間序列的方式執行步驟(B)中的選擇，並且，所述方法進一步包括在每次重複時以一個預定時間滯後在提取出的數據組中選擇一個第一數據段，並比較在多次重複過程中獲得的標準偏差組的正態分布的半寬、方差或標準偏差。
14.如權利要求1所述的方法，其中，步驟(D)中的參考包括從標準偏差組中獲得多個提取出的標準偏差組，每個提取出的標準偏差組包括以時間序列方式從標準偏差組選擇的預定數目的標準偏差，以及，所述方法進一步包括如下步驟計算預定數目的標準偏差的平均值和平均值的時間序列增大率；將每個提取出的標準偏差組的所得平均值與一個預定的設置值進行比較；識別對應於具有大於或等於設置值的平均值的標準偏差組的時間序列信號的產生時間(a)；識別對應於具有在時間(a)之後提取出的標準偏差組的平均值小於或等於設置值的時間序列增大率的時間序列信號的產生時間(b)；以及根據產生時間(a)和(b)獲得一個有效信號。
15.如權利要求1所述的方法，其中，研究對象是一個細胞，以及，所需的信號是一個與離子通道或受體的激活或細胞內信號轉導系統的活動相關的信號。
16.如權利要求1所述的方法，其中，研究對象是一個細胞，所需的信號是一個由對一種測試化學物質起反應的細胞而產生的有效信號，以及在存在對細胞具有公知作用的標準化學物質時或在存在測試化學物質時執行步驟(A)，以及，所述方法進一步包括將在存在標準化學物質時獲得的平均值與在存在測試化學物質時獲得的平均值進行比較。
17.如權利要求1所述的方法，其中，研究對象是一個細胞，所需的信號是一個由對測試化學物質起反應的細胞所產生的有效信號，以及在存在一個對細胞具有公知作用的標準化學物質時或在存在標準化學物質和測試化學物質時執行步驟(A)，以及，所述方法進一步包括將在存在標準化學物質時獲得的平均值與在存在標準化學物質和測試化學物質時獲得的平均值進行比較。
18.如權利要求1所述的方法，其中，研究對象是核酸，以及，所需的信號是與雙鏈核酸的形成相關的有效信號。
19.一種計算機可讀的記錄介質，存儲用於執行下列過程的程序(A)獲得從所述研究對象產生的時間序列信號，作為包括多個數據段的數據組；(B)從所述數據組獲得多個提取出的數據組，其中，每個提取出的數據組包括從所述數據組選擇的預定數目的數據段；(C)計算多個提取出的數據組的多個標準偏差，以獲得一個標準偏差組；以及(D)參考包括在標準偏差組中的每個標準偏差，並選擇所需的信號。
20.一種程序，用於使計算機執行下列過程(A)獲得從所述研究對象產生的時間序列信號，其中所述研究對象作為一個包括多個數據段的數據組；(B)從所述數據組獲得多個提取出的數據組，其中，每個提取出的數據組包括從所述數據組選擇的預定數目的數據段；(C)計算多個提取出的數據組的多個標準偏差，以獲得一個標準偏差組；以及(D)參考包括在標準偏差組中的每個標準偏差，並選擇所需的信號。
全文摘要
一種用於從自至少一個研究對象產生的信號提取出一個所需的信號的方法，包括如下步驟(A)獲得從所述研究對象產生的時間序列信號，作為包括多個數據段的數據組，(B)從所述數據組獲得多個提取出的數據組，其中，每個提取出的數據組包括從所述數據組選擇的預定數目的數據段，(C)計算多個提取出的數據組的標準偏差，以獲得一個標準偏差組；以及(D)參考在標準偏差組中包括的每個標準偏差，並選擇所需的信號。
文檔編號G01N33/487GK1462361SQ02801438
公開日2003年12月17日 申請日期2002年4月26日 優先權日2001年4月27日
發明者小川龍太, 岡弘章, 尾崎亙彥, 杉原宏和 申請人:松下電器產業株式會社