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Pinnacle | 大小鼠睡眠研究的金標(biāo)準(zhǔn)——EEG/EMG采集與分析，“一站式”睡眠研究解決方案

2026年06月03日 08:32:30 來(lái)源：上海玉研科學(xué)儀器有限公司 >> 進(jìn)入該公司展臺(tái) 閱讀量：9

2023年10月華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院同濟(jì)醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科汪明煥團(tuán)隊(duì)于Nature子刊Translational Psychiatry在線發(fā)表了一篇題為“Melatonin alleviates depression-like behaviors and cognitive dysfunction in mice by regulating the circadian rhythm of AQP4 polarization”的文章，驗(yàn)證了褪黑素通過(guò)調(diào)節(jié)水通道蛋白4（AQP4）的晝夜節(jié)律減輕小鼠抑郁行為和認(rèn)知功能障礙的機(jī)制。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)者發(fā)現(xiàn)由于星形膠質(zhì)細(xì)胞中AQP4晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)紊亂，導(dǎo)致了慢性不可預(yù)測(cè)輕度應(yīng)激（CUMS）小鼠在睡眠-覺(jué)醒周期中的glymphatic通路破壞，表現(xiàn)為CUMS小鼠白天睡眠碎片化，總睡眠時(shí)間和非快速眼動(dòng)睡眠（NREM）時(shí)間減少。

在評(píng)估褪黑素通過(guò)調(diào)節(jié)AQP4晝夜節(jié)律影響小鼠睡眠質(zhì)量的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)者在小鼠顱骨上植入腦電信號(hào)采集電極，并在頸部肌肉處植入肌電電極，通過(guò)頭戴式裝置連接到數(shù)據(jù)采集器以長(zhǎng)時(shí)間記錄小鼠的腦電（EEG）和肌電（EMG）信號(hào)，以此分析褪黑素對(duì)CUMS小鼠睡眠結(jié)構(gòu)的影響。（圖A）

在白天，CUMS組的總睡眠時(shí)間和非快速眼動(dòng)睡眠（NREM）的持續(xù)時(shí)間減少，但褪黑素治療組小鼠則恢復(fù)正常。在夜間，對(duì)照組、CUMS和褪黑素治療組三組小鼠的總睡眠時(shí)間、快速眼動(dòng)睡眠（NREM）和快速眼動(dòng)睡眠（REM）持續(xù)時(shí)間沒(méi)有差異，24小時(shí)的總睡眠時(shí)長(zhǎng)也沒(méi)有差異（圖B-E）。這些結(jié)果表明，褪黑素治療可恢復(fù)CUMS小鼠的睡眠節(jié)律，尤其對(duì)白天效果更為顯著。

在評(píng)估小鼠睡眠質(zhì)量方面，作者則是通過(guò)對(duì)小鼠睡眠潛伏期、睡眠持續(xù)時(shí)間和睡眠-清醒時(shí)相轉(zhuǎn)變次數(shù)進(jìn)行評(píng)估（圖F）。與對(duì)照組相比，CUMS組的睡眠潛伏期增加，褪黑素治療顯著縮短了睡眠潛伏期（圖G）。對(duì)24小時(shí)和白天記錄的分析顯示，CUMS組的睡眠時(shí)間縮短，并通過(guò)服用褪黑素而增強(qiáng)（圖H）。夜間小鼠在睡眠持續(xù)時(shí)間和睡眠-清醒時(shí)相轉(zhuǎn)換次數(shù)上在三組之間沒(méi)有顯著差異。上述結(jié)果表明，褪黑素通過(guò)增加睡眠節(jié)段持續(xù)時(shí)間而不增加睡眠節(jié)段次數(shù)的方式提高了CUMS小鼠的睡眠質(zhì)量。

腦電肌電（EEG/EMG）睡眠分析的“前世今生”

汪明煥團(tuán)隊(duì)采用的腦電肌電采集系統(tǒng)研究睡眠的方法可追溯至19世紀(jì)，1929年，Hans Berger等學(xué)者便發(fā)現(xiàn)，從人類(lèi)頭皮上記錄的腦電信號(hào)呈正弦波，其頻率與受試者的清醒程度直接相關(guān)，這直接導(dǎo)致了神經(jīng)科學(xué)研究者對(duì)包括人類(lèi)和動(dòng)物的睡眠-覺(jué)醒調(diào)節(jié)相關(guān)的神經(jīng)電生理研究的進(jìn)步。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)睡眠相關(guān)的神經(jīng)電生理的研究也在不斷產(chǎn)生巨大飛躍。2016年Yo Oishi等在“Polygraphic Recording Procedure for Measuring Sleep in Mice”論文中詳細(xì)闡述了嚙齒動(dòng)物的睡眠特征，即睡眠包括快速眼動(dòng)（REM）和非快速眼動(dòng)（NREM）兩種模式。快速眼動(dòng)睡眠的特點(diǎn)是腦電圖呈現(xiàn)快速的低電壓波形，主要由5.5-8.5 Hz的θ波段為主，伴隨有隨機(jī)的眼球運(yùn)動(dòng)和肌肉松弛；非快速眼動(dòng)睡眠的特點(diǎn)則是腦電圖呈現(xiàn)慢速的高電壓波形，主要由0.5-4 Hz的δ波段為主，不伴有眼球的運(yùn)動(dòng)。

時(shí)至今日，腦電圖（EEG）與（EMG）的記錄已經(jīng)是睡眠相關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床評(píng)估必部分，該類(lèi)研究可將實(shí)驗(yàn)對(duì)象的行為、生理學(xué)與大腦皮層神經(jīng)元的活動(dòng)相關(guān)聯(lián)。

嚙齒動(dòng)物腦電肌電采集與分析的“選手”

美國(guó)Pinnacle公司生產(chǎn)的一站式EEG/EMG采集系統(tǒng)是在上述理論基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的大小鼠睡眠研究解決方案，該系統(tǒng)被國(guó)內(nèi)外大量腦科學(xué)研究者應(yīng)用于不同的睡眠模型當(dāng)中，引用文獻(xiàn)達(dá)上千篇，得到了充分的科研實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Pinnacle EEG/EMG采集系統(tǒng)包括有線式和無(wú)線式兩種類(lèi)型，并配有專(zhuān)業(yè)的高級(jí)睡眠分析軟件Sleep Pro，用于數(shù)據(jù)采集后的睡眠離線分析。

1.硬件系統(tǒng)

美國(guó)Pinnacle有線式EEG/EMG系統(tǒng)采用低扭矩萬(wàn)向轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)規(guī)避動(dòng)物活動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)采集線纜產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、纏繞等現(xiàn)象，保證動(dòng)物信號(hào)采集過(guò)程活動(dòng)不受影響。獨(dú)特的頭戴式前置放大器設(shè)計(jì)將腦電信號(hào)進(jìn)行放大和過(guò)濾，旨在降低信號(hào)偽影（包括運(yùn)動(dòng)偽影），再加上數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行二次數(shù)據(jù)放大和過(guò)濾，從而可獲得異常干凈的數(shù)據(jù)波形。

2.植入耗材

在腦電和肌電植入操作上，Pinnacle建議將分別植入顱骨前囟點(diǎn)前后2-3mm的位置，在此位置可記錄到較為明顯的動(dòng)物前額葉皮層的腦電信號(hào)，而在肌電植入時(shí)，根據(jù)動(dòng)物睡眠與清醒頸背肌肉放電存在顯著差異，實(shí)驗(yàn)中肌電電極均會(huì)在頸部肌肉處植入。按上述方法在動(dòng)物頭部安裝采集腦電肌電的頭戴式頭帽，方便后續(xù)連接信號(hào)采集器采集數(shù)據(jù)。Pinnacle除了提供大小鼠腦電肌電采集硬件系統(tǒng)，還提供全套腦電肌電植入耗材以及操作器械，方便用戶(hù)快速上手操作，加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。

3.專(zhuān)業(yè)版睡眠分析軟件

Pinnacle還配套專(zhuān)業(yè)版睡眠分析軟件Sirenia Sleep Pro，通過(guò)動(dòng)物腦電δ波、θ波以及肌電信號(hào)的強(qiáng)弱，基于多種評(píng)分工具，對(duì)動(dòng)物各睡眠時(shí)相進(jìn)行快速準(zhǔn)確的評(píng)分分析，獲得動(dòng)物睡眠覺(jué)醒時(shí)相圖、睡眠時(shí)長(zhǎng)、覺(jué)醒次數(shù)等睡眠相關(guān)數(shù)據(jù)。經(jīng)Sleep Pro軟件分析獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性達(dá)90%以上，15min內(nèi)即可對(duì)動(dòng)物24h腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行完整分析，是目前國(guó)際上高效和準(zhǔn)確的睡眠分析軟件之一。

Sirenia Sleep Pro具有自動(dòng)化的睡眠統(tǒng)計(jì)分析功能，可對(duì)動(dòng)物睡眠的不同時(shí)相進(jìn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)，包括清醒、REM和NREM的時(shí)間、數(shù)量和百分比統(tǒng)計(jì)，用于分析動(dòng)物的不同睡眠節(jié)段的時(shí)長(zhǎng)；睡眠節(jié)段包括動(dòng)物不同睡眠時(shí)相的切換次數(shù)和切換時(shí)間間隔可評(píng)估動(dòng)物的睡眠質(zhì)量。用戶(hù)可一鍵生成統(tǒng)計(jì)圖或自定義生成圖表，多種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式有利于文獻(xiàn)的發(fā)表。

除了有線式EEG/EMG采集系統(tǒng)，Pinnacle還推出了一款無(wú)線式EEG/EMG系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用輕巧的無(wú)線穩(wěn)壓器裝置在動(dòng)物頭部即完成腦電肌電信號(hào)等數(shù)字化處理，并通過(guò)藍(lán)牙傳輸至電腦采集軟件進(jìn)行處理分析。無(wú)線式EEG/EMG系統(tǒng)消除了傳統(tǒng)有線式設(shè)備對(duì)于動(dòng)物活動(dòng)的限制，使動(dòng)物更加接近于其生理狀態(tài)，特別適合與迷宮、探洞等行為學(xué)實(shí)驗(yàn)聯(lián)合使用。

上海玉研科學(xué)儀器有限公司與美國(guó)Pinnacle公司保持長(zhǎng)期友好合作關(guān)系，我們致力于研發(fā)和引進(jìn)的科學(xué)儀器，為國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、課題研究推薦科學(xué)合理的解決方案，并提供最真誠(chéng)可靠的技術(shù)服務(wù)。

更多案例

案例1

2017年霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)系Kai Liu等研究者在Nature上發(fā)表了題為“Lhx6-positive GABA-releasing neurons of the zona incerta promote sleep”的高分文章，實(shí)驗(yàn)者采用Pinnacle EEG/EMG采集系統(tǒng)驗(yàn)證了下丘腦腹側(cè)核帶GABA能神經(jīng)元釋放的Lhx6因子對(duì)睡眠有促進(jìn)作用。

實(shí)驗(yàn)中，研究者使用Pinnacle 4通道有線式2EEG/1EMG/1BIO系統(tǒng)，通過(guò)在小鼠頭骨上錨定螺釘電極（用于記錄EEG1信號(hào)的兩個(gè)前螺釘?shù)奈恢梅謩e為：AP:+2 mm，ML:±1.5 mm。用于記錄EEG2信號(hào)的兩只后螺釘?shù)奈恢脼椋篈P:?4 mm，ML：±1.5 mm），并將兩個(gè)EMG電極插入小鼠左右頸部肌肉，然后用牙科水泥固定頭帽和電極。待動(dòng)物恢復(fù)10天左右將動(dòng)物放入12h-12h晝夜節(jié)律的記錄室中，動(dòng)物在其中適應(yīng)5-7天后使用 Pinnacle Sirenia acquisition基礎(chǔ)軟件記錄小鼠的腦電肌電信號(hào)。

Pinnacle EEG/EMG系統(tǒng)采集的實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的小鼠腦電圖，圖中顯示了清醒階段（黃色），快速眼動(dòng)睡眠階段（紅色）和非快速眼動(dòng)睡眠階段（紫色），以及實(shí)時(shí)睡眠圖、FFT生成的δ功率圖、EEG頻譜圖以及EEG/EMG原始圖。

案例2

2022年哈佛醫(yī)學(xué)院精神病學(xué)系David S. Uygun等在Nature上發(fā)表了題為“Knockdown of GABAA alpha3 subunits on thalamic reticular neurons enhances deep sleep in mice”的高分文章，探究丘腦網(wǎng)狀神經(jīng)元GABAAα3亞基對(duì)深度睡眠的影響。實(shí)驗(yàn)中為了記錄小鼠皮層腦電，研究者采用Pinnacle 2EEG/EMG系統(tǒng)，將EEG螺旋電極分別植入AP+1.9 mm，ML±1.5點(diǎn)，參考電極植入AP?3 mm，ML+2.7，接地電極植入AP?6 mm， M L=0處，并將電極焊接在頭帽上，然后將EMG電極植入到小鼠頸部肌肉中，最后用牙科水泥固定頭帽和電極。動(dòng)物恢復(fù)一周后分別在注射AAV前后記錄小鼠的EEG/EMG信號(hào)，并用Sleep pro離線睡眠分析軟件進(jìn)行了睡眠階段分析。

與對(duì)照組相比，α3KD小鼠和α1KD小鼠實(shí)驗(yàn)組小鼠的NREM持續(xù)時(shí)間和次數(shù)沒(méi)有顯著改變；在α3KD小鼠中，持續(xù)<60 s的時(shí)間節(jié)段比例顯著減少，而α1KD小鼠組小鼠與對(duì)照組之間沒(méi)有顯著差異。

擴(kuò)展閱讀

[1].Yao, D., et al., Melatonin alleviates depression-like behaviors and cognitive dysfunction in mice by regulating the circadian rhythm of AQP4 polarization. Translational Psychiatry, 2023. 13(1): p. 310.

[2].Uygun, D.S., et al., Knockdown of GABAA alpha3 subunits on thalamic reticular neurons enhances deep sleep in mice. Nature communications, 2022. 13(1): p. 2246.

[3].Liu, H., et al., Microglia modulate stable wakefulness via the thalamic reticular nucleus in mice. Nature Communications, 2021. 12(1): p. 4646.

[4].Wang, D., et al., GABAergic Neurons in the Dorsal–Intermediate Lateral Septum Regulate Sleep–Wakefulness and Anesthesia in Mice. Anesthesiology, 2021. 135(3): p. 463-481.

[5].Xing, L., et al., Mutant neuropeptide S receptor reduces sleep duration with preserved memory consolidation. Science translational medicine, 2019. 11(514): p. eaax2014.

[6].Jiang-Xie, L., et al., A common neuroendocrine substrate for diverse general anesthetics and sleep. Neuron, 2019. 102(5): p. 1053-1065. e4.

[7].Liu, K., et al., Lhx6-positive GABA-releasing neurons of the zona incerta promote sleep. Nature, 2017. 548(7669): p. 582-587.

[8].Ehlen, J.C., et al., Bmal1 function in skeletal muscle regulates sleep. Elife, 2017. 6: p. e26557.

[9].Anaclet, C., et al., Basal forebrain control of wakefulness and cortical rhythms. Nature communications, 2015. 6(1): p. 8744.

[10].Anaclet, C., et al., The GABAergic parafacial zone is a medullary slow wave sleep–promoting center. Nature neuroscience, 2014. 17(9): p. 1217-1224.

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