在自由活动的小鼠中记录脑电图（EEG）和肌电图（EMG）是将行为与睡眠和觉醒的生理状态相关联的关键步骤。本文所述的实验方案提供了一种基于电缆的系统，用于在小鼠中获取脑电图和肌电图记录。
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摘要
摘要
在小动物（如小鼠和大鼠）中记录硬膜外脑电图（EEG）和肌电图（EMG）对于研究睡眠-觉醒调节的稳态机制和神经环路至关重要。目前许多实验室采用基于电缆的睡眠记录系统，结合计算机软件对EEG数据进行功率谱分析，从而自动评分自由活动小鼠的警觉状态。本文详细描述了该系统。通过在单侧大脑半球的额叶皮层区和顶叶区上方植入钢质螺钉，用于监测EEG信号；此外，通过在双侧颈部肌肉中植入导线来记录EMG活动。非快速眼动睡眠（Non-REM；NREM）的特征是EEG中出现幅度大、频率慢的脑电波，其δ活动低于4 Hz；而在从NREM睡眠向REM睡眠过渡时，可观察到EEG由低频δ活动转变为6至10 Hzθ频段的快速低幅电活动。相比之下，清醒状态的特征是EEG轨迹中呈现低至中等幅度的脑电波，并伴有显著的EMG活动。
引言
技术进步常常推动神经生物学过程认知的飞跃。例如，汉斯·贝格尔（Hans Berger）于1929年发现，从人类头皮记录到的电位呈正弦波形式，其频率与受试者的清醒程度直接相关，这一发现促进了动物和人类睡眠-觉醒调控机制研究的迅速发展。1 迄今为止，脑电图（EEG）与肌电图（EMG）联合使用 即由骨骼肌产生的电活动，代表了数据 "骨架" 几乎所有旨在将行为和生理活动与动物（包括人类）行为状态下皮层神经元活动相关联的实验和临床评估都依赖于此。在大多数基础睡眠研究实验室中，这些脑电图记录是通过基于电缆的系统进行的图1）其中获取的数据将进行离线的模式和频谱分析[例如应用快速傅里叶变换（FFT）算法来确定被记录受试者的警觉状态。2, 3 睡眠包括快速眼动（REM）睡眠和非快速眼动（NREM）睡眠。REM 睡眠的特征是脑电图（EEG）表现为快速、低电压的波形，伴随随机的眼球运动以及肌肉失张力，即肌肉处于有效麻痹的状态。REM 睡眠也被称为矛盾睡眠，因为此时脑活动类似于清醒状态，而身体大部分与大脑失去联系，表现为深度睡眠。相比之下，NREM 睡眠期间运动神经元被激活，但无眼球运动。人类的 NREM 睡眠可分为 4 个阶段，其中第 4 阶段称为深度睡眠或慢波睡眠，其脑电图特征为具有 0.5 - 4 Hz δ 活动的大而缓慢的脑电波。然而，在大鼠和小鼠等体型较小的动物中，尚未建立 NREM 睡眠的明确分期，主要原因是这些动....
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方案
伦理声明：涉及动物受试者的实验程序已获得筑波大学机构动物实验委员会的批准。
1. 脑电图/肌电图记录用的电极和电缆的制备
- 按照以下步骤制备脑电图（EEG）/肌电图（EMG）记录电极。
注意：该电极为一次性使用，仅可用于1只动物。请仔细规划所有连接器的布线配置，并在连接器上做好标记以确保正确的方向。- 将4针排针的每一针脚焊接至一根2 cm长的不锈钢导线。具体操作为：将导线一端固定在针脚上，将热的焊烙铁接触导线与针脚的连接处，并熔化适量焊料，确保焊料平滑地流入连接点。注意不要对针脚施加过多热量，否则针脚周围的塑料会熔化。
- 将连接在排针上的两根导线的自由端分别焊接至直径为1.0 mm的不锈钢螺钉头部。具体操作为：将导线自由端固定在螺钉头部下方的螺纹处，将热的焊烙铁接触导线与螺钉的连接处，并熔化适量焊料，确保焊料平滑地流入连接点。带螺钉的两根导线作为脑电图（EEG）记录电极，而无螺钉的两根导线则作为肌电图（EMG）记录电极。
- 使用剪刀剥离肌电图（EMG）电极末端1 mm的绝缘层，以提高肌电图信号质量。
- 使用细木棒或牙签将环氧树脂胶完全覆盖所有焊接的针脚，以减少脑电图（EEG）/肌电图（EMG）记录过程中的电噪声。
- 按照以下说明制备用于连接电极与滑环的电缆。该电缆可重复使用。
- 将4针FFC....
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结果
图1B 展示了小鼠在不同觉醒状态下的脑电图示例。如表1所示，若脑电图显示低于4 Hz的δ节律大而慢的脑波，且肌电图仅有微弱或无信号，则将该时间段归类为非快速眼动睡眠（NREM睡眠）。若脑电图显示6至10 Hzθ频段的快速低电压脑波，且肌电图显示低振幅，则将该时间段归类为快速眼动睡眠（REM睡眠）。其余时间段应归类为清醒状态（即，脑电图为低至中等电压，并出现肌电活动）。
例如，本方案中描述的脑电图（EEG）/肌电图（EMG）记录装置可用于测定C57BL/6小鼠在基线条件或咖啡因处理后的睡眠时长及睡眠/觉醒谱型。图2和图3).
在基线条件下，小鼠作为夜行性动物表现出明显的昼夜睡眠-觉醒节律，如图中所示，在光照期的睡眠量.......
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讨论
本方案描述了一种用于脑电图（EEG）/肌电图（EMG）记录的实验装置，可在低噪声、低成本且高通量的条件下评估睡眠与觉醒状态。由于EEG/EMG电极头端组件体积较小，该系统可与其他脑内植入装置联合使用，包括光遗传学实验（光纤植入）或结合同时进行的套管植入，实现向小鼠脑内微量输注药物31。此外，电极头端组件采用多针接口设计，若需记录额外的电信号（例如：对侧EEG、眼电图或局部场电位），可灵活调整记录通道的数量。
然而，本方案中所述的基于电缆的设计需要单独饲养，因此限制了对行为状态的评估。 即，睡眠与觉醒状态，结合社交互动或复杂行为学测试。在这些情况下，无线睡眠监测系统可能更为合适，尽管遥测设备并非没有其自身的局限性，尤其是电池成本和寿命问题。
根据图1和表1所示标准对行为状态进行评分时，脑电图（EEG）和肌电图（EMG）信号的质量至关重要。电极（即，螺丝）松动通常是导致电噪声的原因，从而在.......
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披露
作者 Yujiro Tauguchi 和 Sayaka Kohtoh 是 Kissei Comtech Co., Ltd 的员工，该公司开发了本研究中用于采集和自动分析 EEG/EMG 数据的 SleepSign 软件。
致谢
感谢 Larry D. Frye 博士在本文手稿编辑方面提供的帮助。本研究得到了日本科学促进会科学研究费补助金 24300129（授予 M.L.）、25890005（授予 Y.O.）和 26640025（授予 Y.T.）、日本国立农业与食品研究机构（授予 Y.U.）、文部科学省世界顶级国际研究中心计划（WPI）（授予 Y.O.、Y.T.、Y.U. 和 M.L.）以及日本雀巢营养理事会（授予 M.L.）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 4针插头 | Hirose | A3B-4PA-2DSA(71) | |
| 氨苄青霉素 | 明治制果 | ||
| 模数转换器 | Contec | AD16-16U(PCIEV) | |
| 咖啡因 | Sigma | C0750 | |
| 硬质合金切削刀具 | Minitor | B1055 | |
| 压接外壳 | Hirose | DF11-4DS-2C | |
| 压接插座 | Hirose | DF11-30SC | |
| 牙科水泥（Toughron Rebase） | Miki Chemical Product | ||
| 环氧粘合剂 | Konishi | #16351 | |
| FFC/FPC连接器 | 本田通信工业 | FFC-10BMEP1(B) | |
| 扁平电缆 | 日立电线 | 20528-ST LF | |
| 瞬干胶（Aron Alpha A） | 东曹 | N/A | |
| 美洛昔康 | 勃林格殷格翰 | N/A | |
| 戊巴比妥 | 协和化学工业 | N/A | |
| 信号放大器 | Biotex | N/A | |
| 睡眠记录舱 | APL | N/A | |
| SleepSign软件 | Kissei Comtec | N/A | 用于脑电图/肌电图记录/分析 |
| 滑环 | Biotex | N/A | |
| 不锈钢螺钉 | 山崎 | N/A | φ1.0 × 2.0 |
| 不锈钢导线 | Cooner Wire | AS633 |
参考文献
- Berger, H. Über das Elektrenkephalogramm des Menschen. Arch. Psych. 87 (1), 527-570 (1929).
- Tobler, I., Deboer, T., Fischer, M. Sleep and sleep regulation in normal and prion protein-deficient mice. J. Neurosci. 17 (5), 1869-1879 (1997).
- Kohtoh, S., et al.
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重印与许可
