动物行为与电生理专题②丨小动物脑电肌电记录系统是什么？能为睡眠研究带来什么帮助？

小动物脑电肌电记录系统主要是用于进行大鼠或小鼠脑电肌电记录、睡眠评价、睡眠剥夺、同步视频采集等试验的仪器设备及软件。该项目包含以上所有设备的安装与信号调试，动物手术实验操作、信号采集、脑电睡眠评分分析的培训等内容。该项目的重点和难点集中在动物的电肌电采集设备的安装与调试、脑电和肌电电极安装的手术操作、如何通过脑电与肌电对自由活动动物的清醒、快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠状态进行准确客观的区分，并进行时长和睡眠-觉醒次数的统计，以用于后续药物干预实验的药效评价。

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整体结构

小动物脑电肌电记录系统的硬件部分包含数据采集和调理器、万向转向器、前置放大器、动物脑电肌电电极及配件、头帽、视频采集系统等；软件部分包含数据采集和睡眠专业分析软件。该套系统的整体架构为将已放置好电极的动物放置于清醒活动笼中，使其自由活动、饮水和取食，同时平板支架上的摄像头对其活动进行不间断拍摄，重量极轻的前置放大器插入连接适配器（头帽）中，并连接转向器和数据采集器，信号数据通过USB连接线接入电脑软件中。

工作原理

该系统使用植入动物脑皮层的特质螺钉电极引入脑电、以铂丝植入动物颈部肌肉引入活动肌电，电信号经过前置放大器经过初步的放大和过滤，经过数据采集和调理器进行二次放大和过滤，待植入电极的动物恢复5-7天后，通过数据采集软件记录其动物皮层脑电（2通道信号）和颈部肌电（1通道信号），记录过程中动物为清醒自由活动的状态，可通过长时间的记录来研究动物生理或疾病状态下清醒和睡眠状态。万向转向器可防止动物在自由活动中信号线的打结与缠绕，保证实验结果准确传输至采集软件中。清醒活动笼笼壁有专门的开孔，用于放置水瓶和垂直不锈钢食槽，以维持动物正常的饲养环境，保证实验准确有效的进行。睡眠专业分析软件通过对采集的脑电和肌电信号进行再次分析，如进行滤波、傅里叶变换等处理，得到频谱图、热图等，以此作为清醒、非快速眼动和快速眼动的评分基础，通过时段区分得到动物的平均睡眠和清醒时长、时相转化次数、睡眠时相序列图、不同评分人员数据对比等统计数据，最后用于睡眠模型、新药研发、上市药物评估等。

体积小，重量轻（记录子仅5毛硬币大小，重量仅2.3g（含电池），可用于3周龄小鼠）

成功记录到脑电肌电最重要的是电极的准确放置：将头帽粘在颅骨前囟点前2-3mm的位置，此位置能够记录到较为明显的前额叶皮层的脑电信号。对小鼠颅骨进行钻孔时应注意力度的把握，缓慢旋转针头，既要保证钻孔大小正好能够使螺钉电极紧密的拧入小鼠颅骨，又要保证刚好穿透硬脑膜，且不会对脑组织产生损伤。操作时须采用显微弯镊固定住螺钉头部，用力慢慢旋转螺钉，该操作过程中应感到越拧越紧，但要预留1mm的位置，不要拧到最紧。按上述方法在动物头部共打入4枚螺钉电极，使用电流表进行检测，所有信号路径为通路时，验证电极安装成功。为增强电极的导电性，应在螺钉未拧紧处涂抹银胶，该过程中要防止过多的银胶使螺钉与螺钉之间短路。

信号调试与优化

小鼠恢复5-7天后进行脑电和肌电电信号调试。将前置放大器按指定方向插入头帽装置，打开软件观察脑电肌电信号形态。正常大小鼠皮层脑电主要呈现不规律的波形，频率范围0-30Hz，与人类脑电类似，在清醒时振幅一般在100uV以下。而小鼠肌电信号随着动物的活动状态会出现显著的改变，活动时，肌电信号频率和振幅都明显增加，安静时，电信号频率规则，振幅较小，能够维持在10uV左右。在信号调试过程中，可能会遇到信号异常的情况，需要分析原因并进行调整，以获得最正确的生理信号。

若脑电波形随动物的活动出现大幅度的变化，振幅远超过正常范围，则需要重新调整电极的安装，尤其注意螺钉在拧入颅骨时不能过松，否则即会出现脑电记录基线不稳，甚至大幅度变化的情况，该过程中也不能造成过量的出血，凝固的血液会影响螺钉电极表面电阻，造成脑电信号失真甚至无信号的情况发生。

若肌电信号的振幅不随动物的活动而发生改变，且幅值接近0uV，说明肌电电极在动物颈部被折断，需要下次在安装肌电电极的步骤中保证肌电线不被过度弯折。若在肌电信号中掺杂了大量心电信号，说明肌电电极放置在了小鼠的皮下而非肌肉内部，需要重新安装肌电电极。

整体优化与小鼠睡眠分析

记录到的小鼠脑电可细分为α、β、θ、δ、γ五种波形，在睡眠专业分析软件中，首先使用功率分析定义小鼠α、β、θ、δ、γ各自的频率范围（带通滤波）。δ波：0.5-4Hz;θ波：5.5-8.5Hz；α波：8-13Hz；β波：13-30Hz；γ波：35-44Hz。设置陷波50Hz以滤除外界环境噪音。

对小鼠进行半自动化睡眠评分，对于长时间的监测数据，首先常采用散点评分。动物的清醒状态可由肌电振幅幅值大小直接判断。非快速眼动状态（Non-Rem）是清醒和深度睡眠的过渡阶段，其具有相对突出的脑电信号特征，即在δ波波段处信号功率明显高于其它频率波段，且肌电信号处于基线水平；快速眼动睡眠（Rem）属于深度睡眠，其脑电信号特征较为模糊，主要表现为δ波与θ波的混合波形，相对之下表现为δ波功率较低，且肌电信号处于基线水平。因此在散点评分中，Y轴选择δ波功率，X轴选择肌电功率，每个点表示每10s的脑电或肌电信号，根据各个点的功率分布可将散点划分为三个区域，可分别初步归类为清醒，non-Rem，Rem时段。

其次选择频谱分析，对初步分析未归类的谱图进行人工手动分析，频谱图是对每10s的脑电肌电信号进行傅利叶变换得到的图形，横坐标为频率，纵坐标为功率，可通过此频谱图进一步精确睡眠分析。经过半自动和手动相结合的分析方法，最终对一段长时程的脑电肌电数据进行睡眠的评分和统计。

Fig1 野生型小鼠正常的脑电肌电波形和异常脑电与肌电波形

Fig2 野生型小鼠睡眠分析例图

1、记录睡眠剥夺过程中脑电信号示例

采用清醒动物脑电记录装置结合水环境小站台睡眠剥夺疲劳模型，连续记录睡眠剥夺过程中脑电信号和行为，分析疲劳造模过程中脑电信号特征变化。

采用小平台水环境法进行睡眠剥夺疲劳模型造模。为方便记录脑电信号，观察大鼠行为，对实验装置进行了改进。水环境为一直径34cm，高68cm的铁桶。在桶底中心固定一小平台，平台直径6.5cm，高8cm。在桶底面下部固定一个密封的水舱，带有自动控温装置，用于保持实验过程中水温的恒定。同时为便于观察与实验过程的录像，在桶壁上固定有一个照明系统。在桶的上部，固定一个多通道电滑环，用于转接大鼠脑电电极信号至信号采集系统，防止大鼠活动导致电极导线的缠绕。实验时水面距平台1cm。当大鼠进入深度睡眠而肌肉放松时，可因下颌触水或落水而惊醒。若大鼠跌入水中，也可自行爬上站台。经长时间的站立、无法充分睡眠可致大鼠疲劳。大鼠头部电极记录的脑电信号经直流前置放大器放大后（低通滤波截至频率为100Hz），用高速多道信号记录系统以400Hz的采样频率进行采样，并存入计算机。

电极埋置手术以10％水合氯醛麻醉后固定在立体定位仪上，暴露大鼠顶盖，按照大鼠脑立体定位图谱，利用三维立体定位技术将自制皮层电极定位（不锈钢记录电极，直径0.1mm）在大脑右侧枕叶上方，在小脑上方放置接地参考电极（直径0.1mm不锈钢丝），并将深部电位记录电极（除了头部以外被聚酯漆绝缘的0.08mm镍铬金属丝）植入海马区。皮层电极用小螺钉固定。而后用牙科水泥固定，保证电极不随动物的正常活动而移动或松动；术后肌注青霉素抗菌处理，恢复5～7d，直至恢复正常的行动与饮食，外形无萎靡不振等不良手术反应。

实验过程每只实验大鼠在早上8∶00进行约2h的水站台适应，再联接脑电电极与前置生物放大器，开始进行实验记录。实验中大鼠在小站台上，可以自由饮水。每天9∶00和21∶00将大鼠取出称重，然后放入鼠笼中30min，此时大鼠可自由进食。清洁水环境，30min后将大鼠放回水环境。实验中同步进行大鼠脑电采集和行为摄像记录。睡眠剥夺过程中，24h光照，水温保持22℃左右，室温20～22℃，湿度（50±5）%。连续睡眠剥夺72h后，从水环境中取出大鼠，单独放置在鼠笼内正常饲养，并在恢复24h和48h记录脑电数据1h。实验结束后，对脑电和行为记录进行离线分析。

2、脑电信号处理

脑电信号处理将大鼠的状态分为清醒活动状态（WA）、清醒安静状态（WQ）和慢波睡眠状态（SWS）。清醒活动状态可通过行为录像来识别。在动物静止不动条件下，清醒安静状态和慢波睡眠状态利用脑电功率频特征来识别。清醒状态下脑电信号为低幅高频信号，总能量较低，而在慢波睡眠状态下，脑电信号为高幅值低频率，总能量较高。根据实验过程中的行为录像和记录的脑电，间隔4h左右，取其后的1h内大鼠清醒活动状态、清醒安静状态和慢波睡眠状态脑电信号各1min数据段，按周期图法计算信号的功率谱。

脑电功率谱分析对实验记录的大鼠脑电进行离线分析，发现β波频带信号能量占总能量的百分比在睡眠剥夺过程中变化最明显。在清醒活动状态，睡眠剥夺后β波比例即开始显著上升，35h左右至最大值并维持一段时间，在60h左右出现下降的趋势，恢复24h，即恢复至睡眠剥夺前水平。（α＋θ）/β先呈现下降趋势，至睡眠剥夺35h达到最小值后，基本稳定。恢复24h后，恢复至睡眠剥夺前水平。在清醒安静状态，β波比例与（α＋θ）/β值在睡眠剥夺20h后才发生显著变化，35h达峰，55h开始反向变化，35h后达上限，55h开始呈下降趋势。两个参数在恢复48h后仍明显未达到睡眠剥夺前的基础水平。对于慢波睡眠状态，β波比例、（α＋θ）/β值在睡眠剥夺开始时迅速变化，10h达峰后即开始缓慢恢复，在睡眠剥夺70h时已接近睡眠剥夺前的基础水平。恢复期基本稳定。

Fig3 和波总能量与波能量比值在睡眠剥夺过程中的变化

文献引用

1.Sleep deprivation induced by the modified multiple platform technique: quantification of sleep loss and recovery[J]. Ricardo Borges Machado;;Débora C Hipólide;;Ana Amélia Benedito-Silva;;Sergio Tufik.Brain Research,2004(1)

2.Establishment and assessment of a rat model of fatigue[J]. Masaaki Tanaka;;Fusao Nakamura;;Shigekazu Mizokawa;;Akira Matsumura;;Satoshi Nozaki;;Yasuyoshi Watanabe.Neuroscience Letters,2003(3)

3.Caffeine During Sleep Deprivation[J]. Sarah W Wurts;;Dale M Edgar.Pharmacology, Biochemistry and Behavior,2000(1)

4.王娟.脑电肌电记录仪的系统安装与信号调试[J].科学技术创新,2021(13):146-148.

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6.张恒义,邵晓卓,周骏.睡眠剥夺疲劳模型大鼠脑电分析[J].航天医学与医学工程,2011,24(05):341-344.

典型应用场景案例

动物房笼旁记录方案

方案特点：单设备小体积，可置于鼠房笼旁内；数据全无线传输，无需值守，可在实验室远程下载分析数据。适合于大批量长时程脑电、心电、肌电监测；

视频行为监测方案

方案特点：无线记录子搭配视频监测系统，可实现完全自由活动状态下的长时程癫痫监测，完整记录每一次癫痫发作视频和电生理数据。

睡眠剥夺监测

方案特点：无线记录子搭配睡眠剥夺系统，可实现完全自由活动状态下的睡眠剥夺干预，动物节律更贴近生理状态，且无缠线风险。

闭环调控方案

方案特点：灵活丰富的API，可实时读取多模态（EEG、ECG、EMG、Motion）数据流，根据自定义的闭环调控算法，通过外部触发信号驱动第三方刺激器发出各种形式刺激信号（tES、光遗传、fUS等），适用于闭环调控研究。

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