小動物腦電肌電記錄系統(tǒng)主要是用于進行大鼠或小鼠腦電肌電記錄、睡眠評價、睡眠剝奪、同步視頻采集等試驗的儀器設備及軟件。該項目包含以上所有設備的安裝與信號調試，動物手術實驗操作、信號采集、腦電睡眠評分分析的培訓等內容。該項目的重點和難點集中在動物的電肌電采集設備的安裝與調試、腦電和肌電電極安裝的手術操作、如何通過腦電與肌電對自由活動動物的清醒、快速眼動睡眠和非快速眼動睡眠狀態(tài)進行準確客觀的區(qū)分，并進行時長和睡眠-覺醒次數(shù)的統(tǒng)計，以用于后續(xù)藥物干預實驗的藥效評價。

- 小動物無線電生理記錄儀，預約免費試用，上海欣軟-

整體結構

小動物腦電肌電記錄系統(tǒng)的硬件部分包含數(shù)據(jù)采集和調理器、萬向轉向器、前置放大器、動物腦電肌電電極及配件、頭帽、視頻采集系統(tǒng)等；軟件部分包含數(shù)據(jù)采集和睡眠專業(yè)分析軟件。該套系統(tǒng)的整體架構為將已放置好電極的動物放置于清醒活動籠中，使其自由活動、飲水和取食，同時平板支架上的攝像頭對其活動進行不間斷拍攝，重量極輕的前置放大器插入連接適配器（頭帽）中，并連接轉向器和數(shù)據(jù)采集器，信號數(shù)據(jù)通過USB連接線接入電腦軟件中。

工作原理

該系統(tǒng)使用植入動物腦皮層的特質螺釘電極引入腦電、以鉑絲植入動物頸部肌肉引入活動肌電，電信號經(jīng)過前置放大器經(jīng)過初步的放大和過濾，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和調理器進行二次放大和過濾，待植入電極的動物恢復5-7天后，通過數(shù)據(jù)采集軟件記錄其動物皮層腦電（2通道信號）和頸部肌電（1通道信號），記錄過程中動物為清醒自由活動的狀態(tài)，可通過長時間的記錄來研究動物生理或疾病狀態(tài)下清醒和睡眠狀態(tài)。萬向轉向器可防止動物在自由活動中信號線的打結與纏繞，保證實驗結果準確傳輸至采集軟件中。清醒活動籠籠壁有專門的開孔，用于放置水瓶和垂直不銹鋼食槽，以維持動物正常的飼養(yǎng)環(huán)境，保證實驗準確有效的進行。睡眠專業(yè)分析軟件通過對采集的腦電和肌電信號進行再次分析，如進行濾波、傅里葉變換等處理，得到頻譜圖、熱圖等，以此作為清醒、非快速眼動和快速眼動的評分基礎，通過時段區(qū)分得到動物的平均睡眠和清醒時長、時相轉化次數(shù)、睡眠時相序列圖、不同評分人員數(shù)據(jù)對比等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，最后用于睡眠模型、新藥研發(fā)、上市藥物評估等。

體積小，重量輕（記錄子僅5毛硬幣大小，重量僅2.3g（含電池），可用于3周齡小鼠）

成功記錄到腦電肌電最重要的是電極的準確放置：將頭帽粘在顱骨前囟點前2-3mm的位置，此位置能夠記錄到較為明顯的前額葉皮層的腦電信號。對小鼠顱骨進行鉆孔時應注意力度的把握，緩慢旋轉針頭，既要保證鉆孔大小正好能夠使螺釘電極緊密的擰入小鼠顱骨，又要保證剛好穿透硬腦膜，且不會對腦組織產生損傷。操作時須采用顯微彎鑷固定住螺釘頭部，用力慢慢旋轉螺釘，該操作過程中應感到越擰越緊，但要預留1mm的位置，不要擰到最緊。按上述方法在動物頭部共打入4枚螺釘電極，使用電流表進行檢測，所有信號路徑為通路時，驗證電極安裝成功。為增強電極的導電性，應在螺釘未擰緊處涂抹銀膠，該過程中要防止過多的銀膠使螺釘與螺釘之間短路。

信號調試與優(yōu)化

小鼠恢復5-7天后進行腦電和肌電電信號調試。將前置放大器按指定方向插入頭帽裝置，打開軟件觀察腦電肌電信號形態(tài)。正常大小鼠皮層腦電主要呈現(xiàn)不規(guī)律的波形，頻率范圍0-30Hz，與人類腦電類似，在清醒時振幅一般在100uV以下。而小鼠肌電信號隨著動物的活動狀態(tài)會出現(xiàn)顯著的改變，活動時，肌電信號頻率和振幅都明顯增加，安靜時，電信號頻率規(guī)則，振幅較小，能夠維持在10uV左右。在信號調試過程中，可能會遇到信號異常的情況，需要分析原因并進行調整，以獲得最正確的生理信號。

若腦電波形隨動物的活動出現(xiàn)大幅度的變化，振幅遠超過正常范圍，則需要重新調整電極的安裝，尤其注意螺釘在擰入顱骨時不能過松，否則即會出現(xiàn)腦電記錄基線不穩(wěn)，甚至大幅度變化的情況，該過程中也不能造成過量的出血，凝固的血液會影響螺釘電極表面電阻，造成腦電信號失真甚至無信號的情況發(fā)生。

若肌電信號的振幅不隨動物的活動而發(fā)生改變，且幅值接近0uV，說明肌電電極在動物頸部被折斷，需要下次在安裝肌電電極的步驟中保證肌電線不被過度彎折。若在肌電信號中摻雜了大量心電信號，說明肌電電極放置在了小鼠的皮下而非肌肉內部，需要重新安裝肌電電極。

整體優(yōu)化與小鼠睡眠分析

記錄到的小鼠腦電可細分為α、β、θ、δ、γ五種波形，在睡眠專業(yè)分析軟件中，首先使用功率分析定義小鼠α、β、θ、δ、γ各自的頻率范圍（帶通濾波）。δ波：0.5-4Hz;θ波：5.5-8.5Hz；α波：8-13Hz；β波：13-30Hz；γ波：35-44Hz。設置陷波50Hz以濾除外界環(huán)境噪音。

對小鼠進行半自動化睡眠評分，對于長時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，首先常采用散點評分。動物的清醒狀態(tài)可由肌電振幅幅值大小直接判斷。非快速眼動狀態(tài)（Non-Rem）是清醒和深度睡眠的過渡階段，其具有相對突出的腦電信號特征，即在δ波波段處信號功率明顯高于其它頻率波段，且肌電信號處于基線水平；快速眼動睡眠（Rem）屬于深度睡眠，其腦電信號特征較為模糊，主要表現(xiàn)為δ波與θ波的混合波形，相對之下表現(xiàn)為δ波功率較低，且肌電信號處于基線水平。因此在散點評分中，Y軸選擇δ波功率，X軸選擇肌電功率，每個點表示每10s的腦電或肌電信號，根據(jù)各個點的功率分布可將散點劃分為三個區(qū)域，可分別初步歸類為清醒，non-Rem，Rem時段。

其次選擇頻譜分析，對初步分析未歸類的譜圖進行人工手動分析，頻譜圖是對每10s的腦電肌電信號進行傅利葉變換得到的圖形，橫坐標為頻率，縱坐標為功率，可通過此頻譜圖進一步精確睡眠分析。經(jīng)過半自動和手動相結合的分析方法，最終對一段長時程的腦電肌電數(shù)據(jù)進行睡眠的評分和統(tǒng)計。

Fig1 野生型小鼠正常的腦電肌電波形和異常腦電與肌電波形

Fig2 野生型小鼠睡眠分析例圖

1、記錄睡眠剝奪過程中腦電信號示例

采用清醒動物腦電記錄裝置結合水環(huán)境小站臺睡眠剝奪疲勞模型，連續(xù)記錄睡眠剝奪過程中腦電信號和行為，分析疲勞造模過程中腦電信號特征變化。

采用小平臺水環(huán)境法進行睡眠剝奪疲勞模型造模。為方便記錄腦電信號，觀察大鼠行為，對實驗裝置進行了改進。水環(huán)境為一直徑34cm，高68cm的鐵桶。在桶底中心固定一小平臺，平臺直徑6.5cm，高8cm。在桶底面下部固定一個密封的水艙，帶有自動控溫裝置，用于保持實驗過程中水溫的恒定。同時為便于觀察與實驗過程的錄像，在桶壁上固定有一個照明系統(tǒng)。在桶的上部，固定一個多通道電滑環(huán)，用于轉接大鼠腦電電極信號至信號采集系統(tǒng)，防止大鼠活動導致電極導線的纏繞。實驗時水面距平臺1cm。當大鼠進入深度睡眠而肌肉放松時，可因下頜觸水或落水而驚醒。若大鼠跌入水中，也可自行爬上站臺。經(jīng)長時間的站立、無法充分睡眠可致大鼠疲勞。大鼠頭部電極記錄的腦電信號經(jīng)直流前置放大器放大后（低通濾波截至頻率為100Hz），用高速多道信號記錄系統(tǒng)以400Hz的采樣頻率進行采樣，并存入計算機。

電極埋置手術以10％水合氯醛麻醉后固定在立體定位儀上，暴露大鼠頂蓋，按照大鼠腦立體定位圖譜，利用三維立體定位技術將自制皮層電極定位（不銹鋼記錄電極，直徑0.1mm）在大腦右側枕葉上方，在小腦上方放置接地參考電極（直徑0.1mm不銹鋼絲），并將深部電位記錄電極（除了頭部以外被聚酯漆絕緣的0.08mm鎳鉻金屬絲）植入海馬區(qū)。皮層電極用小螺釘固定。而后用牙科水泥固定，保證電極不隨動物的正?；顒佣苿踊蛩蓜?；術后肌注青霉素抗菌處理，恢復5～7d，直至恢復正常的行動與飲食，外形無萎靡不振等不良手術反應。

實驗過程每只實驗大鼠在早上8∶00進行約2h的水站臺適應，再聯(lián)接腦電電極與前置生物放大器，開始進行實驗記錄。實驗中大鼠在小站臺上，可以自由飲水。每天9∶00和21∶00將大鼠取出稱重，然后放入鼠籠中30min，此時大鼠可自由進食。清潔水環(huán)境，30min后將大鼠放回水環(huán)境。實驗中同步進行大鼠腦電采集和行為攝像記錄。睡眠剝奪過程中，24h光照，水溫保持22℃左右，室溫20～22℃，濕度（50±5）%。連續(xù)睡眠剝奪72h后，從水環(huán)境中取出大鼠，單獨放置在鼠籠內正常飼養(yǎng)，并在恢復24h和48h記錄腦電數(shù)據(jù)1h。實驗結束后，對腦電和行為記錄進行離線分析。

2、腦電信號處理

腦電信號處理將大鼠的狀態(tài)分為清醒活動狀態(tài)（WA）、清醒安靜狀態(tài)（WQ）和慢波睡眠狀態(tài)（SWS）。清醒活動狀態(tài)可通過行為錄像來識別。在動物靜止不動條件下，清醒安靜狀態(tài)和慢波睡眠狀態(tài)利用腦電功率頻特征來識別。清醒狀態(tài)下腦電信號為低幅高頻信號，總能量較低，而在慢波睡眠狀態(tài)下，腦電信號為高幅值低頻率，總能量較高。根據(jù)實驗過程中的行為錄像和記錄的腦電，間隔4h左右，取其后的1h內大鼠清醒活動狀態(tài)、清醒安靜狀態(tài)和慢波睡眠狀態(tài)腦電信號各1min數(shù)據(jù)段，按周期圖法計算信號的功率譜。

腦電功率譜分析對實驗記錄的大鼠腦電進行離線分析，發(fā)現(xiàn)β波頻帶信號能量占總能量的百分比在睡眠剝奪過程中變化最明顯。在清醒活動狀態(tài)，睡眠剝奪后β波比例即開始顯著上升，35h左右至最大值并維持一段時間，在60h左右出現(xiàn)下降的趨勢，恢復24h，即恢復至睡眠剝奪前水平。（α＋θ）/β先呈現(xiàn)下降趨勢，至睡眠剝奪35h達到最小值后，基本穩(wěn)定。恢復24h后，恢復至睡眠剝奪前水平。在清醒安靜狀態(tài)，β波比例與（α＋θ）/β值在睡眠剝奪20h后才發(fā)生顯著變化，35h達峰，55h開始反向變化，35h后達上限，55h開始呈下降趨勢。兩個參數(shù)在恢復48h后仍明顯未達到睡眠剝奪前的基礎水平。對于慢波睡眠狀態(tài)，β波比例、（α＋θ）/β值在睡眠剝奪開始時迅速變化，10h達峰后即開始緩慢恢復，在睡眠剝奪70h時已接近睡眠剝奪前的基礎水平。恢復期基本穩(wěn)定。

Fig3 和波總能量與波能量比值在睡眠剝奪過程中的變化

文獻引用

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典型應用場景案例

動物房籠旁記錄方案

方案特點：單設備小體積，可置于鼠房籠旁內；數(shù)據(jù)全無線傳輸，無需值守，可在實驗室遠程下載分析數(shù)據(jù)。適合于大批量長時程腦電、心電、肌電監(jiān)測；

視頻行為監(jiān)測方案

方案特點：無線記錄子搭配視頻監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)完全自由活動狀態(tài)下的長時程癲癇監(jiān)測，完整記錄每一次癲癇發(fā)作視頻和電生理數(shù)據(jù)。

睡眠剝奪監(jiān)測

方案特點：無線記錄子搭配睡眠剝奪系統(tǒng)，可實現(xiàn)完全自由活動狀態(tài)下的睡眠剝奪干預，動物節(jié)律更貼近生理狀態(tài)，且無纏線風險。

閉環(huán)調控方案

方案特點：靈活豐富的API，可實時讀取多模態(tài)（EEG、ECG、EMG、Motion）數(shù)據(jù)流，根據(jù)自定義的閉環(huán)調控算法，通過外部觸發(fā)信號驅動第三方刺激器發(fā)出各種形式刺激信號（tES、光遺傳、fUS等），適用于閉環(huán)調控研究。

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