【脑科学】基于EEG的小动物睡眠研究

小动物（如小鼠和大鼠）的硬膜外脑电图（EEG）和肌电图（EMG）记录对于研究睡眠-觉醒节律至关重要。

睡眠由不同的阶段组成，不同的阶段可以通过脑电和肌电活动的不同模式进行区分。

睡眠总体上可分为两个不同的阶段：快速眼动睡眠（REM Sleep）和非快速眼动睡眠（NREM Sleep)。

REM的特征表现为：快速/低压的脑电图、随机眼动和肌肉处在完全松弛的状态。

REM也被称为异相睡眠（Paradoxical Sleep），因其脑电活动的特征与清醒时相似，而身体却与大脑基本脱节，似乎处于深度睡眠的状态。

相比之下，在NREM中，运动神经元受到刺激，但没有眼动发生。

人类的NREM可分为3个阶段，即N1、N2和N3阶段，其中第3阶段被称为深度睡眠或慢波睡眠，其特征在脑电图中主要表现为大而慢的δ波（0.5-4 Hz）。

另一方面，因为小动物（如大鼠和小鼠）没有像人类那样有长时间的巩固睡眠期，所以其NREM的细分标准还并未确定。

筑波大学国际综合睡眠医学研究所（WPI-IIIS）在2016年时发布了一篇关于测量小鼠睡眠的多导记录过程的论文（Polygraphic Recording Procedure for Measuring Sleep in Mice）。

研究团队在论文中展示了小鼠在NREM、REM和WAKE状态下10秒内典型的EEG、EMG波形图和谱线密度百分比：

· 在NREM睡眠中，EEG展示了以δ波段（0.5-4 Hz）为主的高振幅波；

· 在REM睡眠中，EEG显示了以θ波段（6-10 Hz）为主的低振幅波; 

· 而在WAKE状态下，EEG的波幅较低，没有典型波段主导；

· 同时，在NREM和REM状态下的EMG信号都弱于Wake状态下的EMG信号。

论文中还总结出使用EEG和EMG信号对小动物（大鼠和小鼠）进行睡眠分期的一般标准：

论文同时还指出，EEG/EMG信号的采集质量对于是否能进行准确的睡眠分期十分重要。

在EEG和FFT分析中，电极（螺丝）不稳固通常是电信号产生伪影的原因。

EEG信号的质量可以通过目测明显熟睡中的小鼠，是否具有高幅低频率的EEG信号来进行确认。

Lunion Stage脑电分析平台，利用迁移学习和深度学习的算法模型，解析EEG脑电、EMG肌电、加速度等信息，对每一微小片段的睡眠状态进行WAKE/NREM/REM自动判别。目前适用对象包括小鼠、大鼠和非人灵长类动物。

通过使用Lunion Stage 脑电分析平台，对小鼠数据进行高精度自动睡眠分期，我们可以更加快捷的得到清晰全面的参考信息。

全局图全面展示AI自动睡眠分期结果（WAKE/NREM/REM），EEG数据、EMG数据。EEG波形图和频谱热力图可以任意切换。

在进行人工校验睡眠状态时，放大目标区域的局部图和Epoch视图，配合每个Epoch的放大频谱热力图（Spectrogram）以及频带能量图（Bandpower)进行参考，分析判断睡眠状态。

典型WAKE阶段

典型NREM阶段

典型REM阶段

Lunion Stage 脑电分析平台 

· 将睡眠判读规则转变为算法模型，识别精度超过98%，摆脱规则依赖

· 置信度提示，大幅缩减核验时间，提高睡眠分期效率

· 睡眠状态变迁清晰呈现，轻松区分复杂睡眠阶段，降低分期难度

· 解决数据储存与管理难题，有序规范储存数据，形成良性管理，充分发挥数据价值

参考文献：

[1]Oishi, Y., Takata, Y., Taguchi, Y., Kohtoh, S., Urade, Y., & Lazarus, M. (2016, January 25). Polygraphic Recording Procedure for Measuring Sleep in Mice: Protocol. JoVE (Journal of Visualized Experiments)

[2]Lezak, K. R., Missig, G., & Cariezon, W. A. (2017, June). Behavioral methods to study anxiety in rodents. ResearchGate.

[3]Lacroix, M. M., Lavilléon, G. de, Lefort, J., Kanbi, K. E., Bagur, S., Laventure, S., Dauvilliers, Y., Peyron, C., & Benchenane, K. (2018, January 1). Improved sleep Scoring in mice reveals human-like stages. bioRxiv.

[4]American Academy of Sleep Medicine. (2012, October). The AASM Manual for the Scoring of Sleep and Associated Events The 2007 AASM Scoring Manual vs. the AASM Scoring Manual v2.0 . AASM American Academy of Sleep Medicine.  

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