Pinnacle | 小动物“一站式”EEG/EMG睡眠监测分析系统

2023-11-22 14:56:55 上海玉研科学仪器有限公司

应用背景

Application Background

现代脑科学研究显示，睡眠不仅仅是是简单的活动停止，更是维持高度生理功能的适应行为和生物防御技术所必需的状态。拥有良好的睡眠，觉醒时才能高度发挥大脑信息处理功能的能力。在探求精神和意识、学习和记忆等高级功能时，无疑睡眠占有重要地位。

觉醒和睡眠是人和高等动物普遍存在的生理现象。觉醒和睡眠的周期性变化是人和高等动物依赖于中枢神经系统，维持正常生理功能的一种共同表现。随着动物的种系进化和其他原因，睡眠觉醒形式有很大变化，由动物的多周期睡眠觉醒演变为人所具有的昼夜睡眠觉醒周期。

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正常睡眠是由两个交替出现的不同时相组成：一个时相称为慢波睡眠，又称非快速眼动睡眠（nonrapid eye movement，NREM sleep）；另一个时相称为异相睡眠，又称快速眼动睡眠（rapid eye movementsleep，REM sleep）。

在整个生物界中，快速眼动睡眠在进化历程中出现较晚，在鸟类当中才开始出现，普遍存在于哺乳类动物。实验室中，最常用的哺乳类实验动物是大、小鼠等啮齿类动物。据研究，大鼠的睡眠与人类七个月的婴儿相似，均显示短暂的睡眠和觉醒。即尽管每天睡眠长达多个小时，但是睡眠周期短，呈现“醒醒又睡睡”的间断睡眠状况。

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慢波睡眠（slow wave sleep）：人们入睡后所发生的睡眠大多数属于此种。根据人脑电波的特征，一般将此时相区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ期，相应于睡眠由浅入深的过程。

异相睡眠（paradoxical sleep）：此时相为在睡眠过程中周期性出现的一种激动状态。脑电图与觉醒时的相似，呈现低振幅去同步化快波。

在睡眠时相的研究方面，重要的判断依据就是脑电图（EEG）与肌电图（EMG）。

觉醒（W）：EEG主要波率为α节律；伴有眼球运动和眨眼；张力性肌电波幅较高。

NREM睡眠阶段：EEG以慢波为主，无明显眼球运动，肌张力降低。

REM睡眠阶段：EEG与S1类似；有锯齿波提示REM开始，α波增多；伴有快速眼球运动；张力性肌电最低。

在整个睡眠过程中NREM睡眠和REM睡眠的时相交替存在。

实验研究发现，成年大鼠的NREM期占总睡眠时间的80-90%左右，REM期占10-20%，而人类的这两个睡眠时期分别占睡眠时间的75-80%和20-25%。从所占比例上来看，大鼠的睡眠结构非常近似人类。

产品背景

美国Pinnacle公司生产的神经生理工作站是以啮齿动物自由活动状态下脑电肌电（EEG/EMG）采集为核心，结合睡眠剥夺、光遗传、神经化学物质检测、同步视频采集等技术，对动物睡眠、癫痫、认知行为等进行细致全面评估的实验解决方案。其中，EEG/EMG睡眠监测系统从性能优越的硬件到专业性高级睡眠分析软件，其“一站式”产品及技术服务可以满足用户各个实验阶段研究的不同需求，且能够有效降低用户实验成本。

Sirenia® Sleep Pro睡眠分析软件

Pinnacle Sirenia® Sleep Pro睡眠分析软件采用金标准睡眠分析方式，通过脑电δ波、θ波以及肌电信号的强弱，基于多种评分工具，对动物各睡眠时相进行快速准确对评分分析，获得动物睡眠觉醒时相图、睡眠时长、觉醒次数等睡眠相关数据。有数据表明，经SleepPro软件分析获得的数据准确性达90%以上，15min内即可对动物24h脑电数据进行完整分析，是目前国际上最为高效和准确的睡眠分析软件之一。

一、多元化评分工具，高效睡眠评分

Sirenia® Sleep Pro软件提供多种有效性睡眠评分工具，聚类评分、阈值评分可对大量实验数据进行快速筛选，频谱图、热图、睡眠时相图可辅助实验人员手动对筛选后数据精确分析。这种半自动和手动相结合的评分方式，不仅降低了全自动分析对于数据阈值设定专业性的要求，同时通过实验人员手动分析补足了睡眠评分的精确度。

①聚类评分

聚类评分是将大量待评分数据以用户自定义方式以散点图的形式进行可视化呈现，通过某些特征（如肌电信号强度）将部分明显睡眠时相进行快速分类评分，以降低手动评分的工作量，提高分析速度。

②阈值评分

阈值评分也是半自动评分工具，通过用户创建较详细规则设置快速眼动睡眠、非快速眼动睡眠和清醒期的最低和最高阈值，软件自动以所创建规则对所有待评分数据进行分类评分。

③手动评分

Sirenia® Sleep Pro具有频谱分析、热图、睡眠时相图等数据呈现方式，实验人员可直观观察当前分析数据各类特征，结合自身专业程度辅助睡眠评分，如Histagram睡眠时相图可观察已评分结果和数据前后关联，辅助实验人员分析。

二、自动化统计，缤纷数据呈现

Sirenia® Sleep Pro提供Sleep/Bouts Analysis自动睡眠统计分析功能，通过用户睡眠评分结果自动统计获得各睡眠时相时长、百分比、时相转换次数、睡眠时相节段等分析数据，保存导出可视化图表。频谱分析、热图、睡眠时相图等手动辅助评分工具也可进行呈现和保存。

三、评分结果校验功能

Sirenia® Sleep Pro提供用户间评分比对、自动频率校验分析功能。用户间比对允许多个用户对相同实验数据进行各自评分并保存于相同文件，各用户评分结果可进行相互比对从而更好的对评分结果进行评估，与专业人士比对更能够提高实验者专业性，促进成长。自动频率分析功能对用户评分结果中各睡眠时相进行频率统计，根据频率统计结果可了解评分是否正确，如非快速眼动睡眠动物脑电δ波占比较高，其平均频率统计图中峰值频率应在0.5-4Hz之间，若不在这个范围，说明用户对于非快速眼动睡眠的评分有误。

平均频率分析图及用户间比对图表

四、自定义数据输出

Sirenia Sleep Pro软件提供多种形式数据格式，包括TEXT文档、EDF波形数据文件、pvfs专用格式，各种类型数据图表，并允许用户根据个人实验需求，自行设计导出不同的可视化报告，用于直观分析和文献发表。

EEG/EMG睡眠监测系统

除Sirenia® Sleep Pro专业睡眠分析软件外，Pinnacle公司亦提供睡眠研究配套硬件用于动物EEG/EMG数据采集。

根据采集方式等不同，EEG/EMG采集系统可分为有线式和无线式两种：

有线式EEG/EMG系统

Pinnacle有线式EEG/EMG系统采用低扭矩万向转向器设计，可规避动物活动对数据采集线缆产生的扭转、缠绕等现象，保证动物生理信号采集过程中活动不受很大影响。有线式系统适合长时程实验研究，具有扩展光遗传、生物化学物质检测等功能，适合全面的神经生理学研究。根据采集参数的多寡，有线式EEG/EMG系统又分为3通道系统和4通道系统。

①3通道EEG/EMG系统：采集同一动物的2EEG/1EMG或者3EEG信号用于睡眠或癫痫分析，系统无法扩展其他功能；

②4通道EEG/EMG系统：在3通道系统采集的参数基础上，多出一个额外通道，可用于EEG、光遗传、神经化学物质、加速度等数据的测量。系统通过更换前置放大器的类型即可完成不同参数的检测，如2EEG/1EMG/1opt为脑电肌电光遗传检测，2EEG/1EMG/1bio为脑电肌电生物传感器检测等。

脑电肌电光遗传谷氨酸检测数据示意图

有线式EEG/EMG系统最大的优势就在于信号的稳定性和可扩展性。实验过程中可稳定获得脑电肌电信号，不受外界环境的干扰；其扩展性使得研究者能够将动物脑电结合脑内神经化学物质、光遗传学等进行全方位多角度的综合研究，以建立两者或多者之间的联系模型。

无线式EEG/EMG系统

无线式EEG/EMG系统利用轻巧的无线稳压器装置，在动物头部即可完成脑电肌电信号的数字化处理，并通过蓝牙技术传输至电脑采集软件进行处理分析。无线式EEG/EMG系统消除了传统有线式设备对于动物活动的限制，使动物可以更加接近于自由活动的生理状态，因而采集的数据精确度更高。相对于传统脑电遥测设备，Pinnacle系统具有成本低廉、蓝牙传输信号接收范围广且信号干扰更小等特点。另一方面，由于受限于电池的使用寿命，Pinnacle的无线式EEG/EMG系统连续采集脑电肌电的时间较短，不适合于长时程的检测研究。

更多扩展产品

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啮齿动物非侵入式睡眠监测系统

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关于玉研

上海玉研科学仪器有限公司是专业为动物实验、动物研究领域提供科学仪器和技术服务的公司。我们着力引进国外的先进科学仪器和实践经验，选择使用广泛、应用成熟、性能先进的实验仪器和实验方法，为国内实验室建设、研究课题进展提供科学、合理的解决方案。美国Pinnacle公司在大小鼠脑科学领域特别是在睡眠监测研究方面秉持开拓创新的生产理念，持续不断地开发和完善大小鼠脑电肌电睡眠监测技术，以助力广大科研工作者在脑科学研究领域取得新的科研突破。上海玉研仪器科学有限公司长期与Pinnacle公司保持友好合作关系，为国内外研究者带来技术创新福音。

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