我们介绍了一种基于活动性监测的高通量睡眠测量方法,该方法通过动物在栖息笼内的活动情况进行睡眠评估。与传统的基于脑电图(EEG)的方法相比,该方法具有多项优势。该方法在总睡眠时间的测定方面已得到充分验证,可作为监测人类疾病啮齿类动物模型中睡眠状况的有力工具。
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我们介绍了一种基于活动性监测的高通量睡眠测量方法,该方法通过动物在栖息笼内的活动情况进行睡眠评估。与传统的基于脑电图(EEG)的方法相比,该方法具有多项优势。该方法在总睡眠时间的测定方面已得到充分验证,可作为监测人类疾病啮齿类动物模型中睡眠状况的有力工具。
传统上,睡眠通过脑电图(EEG)进行监测。在啮齿类动物中进行EEG研究需要手术植入电极,并经历较长的恢复期。进行EEG记录时,动物需连接至接收器,从而在头部固定装置上形成一种非自然的束缚。EEG监测耗时较长,对动物存在风险,且并非完全自然的睡眠测量环境。若能采用替代方法检测睡眠,尤其是以高通量方式进行检测,将极大推动睡眠研究领域的发展。本文介绍一种经过验证的基于活动性监测的笼内睡眠检测方法。先前研究表明,通过该方法评估的睡眠与传统基于EEG的睡眠定义具有高度一致性。尽管该方法在总睡眠时间的测定上已得到验证,但需注意的是,睡眠片段持续时间的评估仍应采用时间分辨率更高的EEG方法。此外,EEG还可区分快速眼动(REM)睡眠与非REM睡眠,从而提供关于睡眠具体特征的更详细信息。尽管如此,基于活动性的睡眠判定方法仍可用于分析多日无干扰的睡眠情况,并评估睡眠对急性事件(如应激)的反应。本文展示了该系统检测小鼠对每日腹腔注射反应的能力。
睡眠在恢复机体和大脑日常觉醒所承受的负担方面具有重要作用1。研究表明,睡眠在记忆保持和大脑整体可塑性中发挥着作用1。脑电图(EEG)是检测睡眠的金标准2。在啮齿类动物中,EEG监测需要通过手术将电极固定在头帽装置上进行植入,之后动物需要一段时间恢复2。恢复后,将动物连接至记录设备,并给予另一段适应期2。由于这些必要的恢复和适应阶段,EEG监测耗时且费力,难以大规模开展。此外,电极植入手术本身对动物存在固有风险。最后,EEG研究中用于睡眠分期的数据分析也非常繁琐。一种替代性的、非侵入性且高通量的睡眠监测方法将极大促进啮齿类动物睡眠研究。
一种基于活动的笼内监测系统可用于检测睡眠,从而克服了脑电图(EEG)研究的局限性。其基本原理是:不活动的动物很可能处于睡眠状态。已有研究表明,连续40秒的静止(以10秒为时间段进行分段统计)作为睡眠指标,与脑电图测量结果具有高度一致性(一致性达88–94%)3。笼内监测系统可用于大规模动物群体的研究,且所需准备时间极短。我们已证实,动物在该系统中进行单只饲养时,约需一天时间即可适应4,相比之下,脑电图研究则需要数周的恢复期2。此外,某些系统还可同时检测生理参数,如核心体温、心率、活动量和摄食行为。核心体温和心率通过植入小型发射器进行测定。这些参数可提供更多关于小鼠的信息,并可与睡眠记录同步使用,从而进一步加深我们对睡眠及其影响因素的理解。
尽管活动依赖型笼内监测是一种强大的工具,但它在可获取的数据类型方面存在一些局限性。脑电图(EEG)研究能够区分快速眼动(REM)睡眠和非快速眼动(non-REM)睡眠,这对于深入理解睡眠结构可能具有重要意义。而活动依赖型笼内监测系统仅能提供总睡眠时长的数据。此外,尽管活动依赖型笼内监测的输出结果包含关于睡眠片段持续时间的信息,但由于其固有的40秒时间间隔限制,我们无法准确评估片段持续时间3。尽管存在这些局限性,笼内睡眠时长监测仍提供了一项重要的生物学指标,可能会影响包括动物健康和行为在内的多种下游因素5。
基于活动的笼内监测已被多项研究用于检测睡眠,表明其具有广泛的适用性。我们引用了其中部分研究4,6,7,8,9,10,11,12。除本文所述方法外,还有其他基于活动监测的睡眠检测方法,但每种方法均有其局限性13,14。部分研究考察了长时间连续睡眠(72小时),而另一些研究则以24小时为周期分析睡眠。在本研究中,我们展示了脆性X综合征小鼠模型(Fmr1 KO小鼠)在每日腹腔(IP)注射及定期更换笼具后的每个24小时周期内的睡眠分析结果。我们选择Fmr1 KO小鼠,是因为这类小鼠睡眠时间减少4,并被假定对感觉信息呈过度反应状态15。我们的数据突显了该方法检测应激事件引起睡眠模式变化的能力。该方法适用于在大量小鼠群体中获取有关睡眠的一般性信息,有助于理解特定基因改变对睡眠的影响、药物治疗的效果,或对某些事件(如应激刺激)的反应。此外,该方法还为在开展更复杂研究之前初步筛查反应提供了一种简便手段。
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所有实验程序均经国家精神卫生研究所动物护理与使用委员会批准,并依照美国国立卫生研究院关于动物护理与使用的指南进行。
1. 设置睡眠检测装置
2. 软件设置
3. 动物准备
4. 药物配制与注射
5. 用于记录睡眠的软件
6. 数据分析
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为了确定每日注射对睡眠的影响以及动物是否会对注射产生适应性,我们在连续14天内每天上午9:00(光照周期始于上午6:00)进行腹腔注射,并记录12只动物的睡眠持续时间 Fmr1 敲除 C57Bl/6J 小鼠。我们采用被试内设计,对每只动物连续 4 天(第 1–4 天)注射生理盐水,随后连续 10 天(第 5–14 天)注射 30% 环糊精。选择环糊精是因为其可用于溶解疏水性化合物以进行药物给药,而我们关注的是溶剂注射对小鼠睡眠的影响。鉴于记录时间较长,研究期间我们每周更换两次笼具。换笼时间与指定日期的注射时间同步进行。我们报告了在 14 天注射和换笼期间,光照期和黑暗期的平均睡眠持续时间百分比图1)。动物未接受在无注射条件下对睡眠装置的额外适应期。我们发现相位与天数之间存在显著的交互作用(F = 16.463)(p < 0.001),表明在14天期间,光照期与黑暗期的睡眠时长变化存在差异。 事后检验-测试结果显示,在光照阶段,第1天的睡眠时长与几乎所有其...
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本文介绍一种基于动物在笼内活动监测的非侵入性、高通量睡眠时长测定方法。该方法对总睡眠时间的评估已通过脑电图(EEG)研究验证3。基于活动的笼内监测操作简便、无创,适用于大量动物的群体研究。其局限性在于无法提供有关睡眠的详细信息(如睡眠片段持续时间及睡眠阶段)。
该分析方法的潜在缺陷较容易被发现。研究过程中必须确保没有任何光束被遮挡,这种情况可能因笼具中某区域垫料堆积而发生。 可通过将垫料高度限制在3 mm以内并移除额外的筑巢材料来最大程度减少此类问题。该厚度的垫料足以覆盖笼底,且研究表明低体积垫料不会影响小鼠的应激水平17。额外的筑巢材料也可能干扰光束的通畅性,因此不应提供。 在实验设置过程中,还需确保所有光束正常工作,并在结束研究和提取数据前检查笼具。若某根光束出现故障,可能导致睡眠时长被高估。在数据分析阶段,可通过仔细查看CSV文件来识别光束故障或遮挡情况。若某一轴向上出现大量计数而另一轴向上无任何计数,表明其中一组光束可能处于故障或被遮挡状态。这可能是由于对准问题(探测器与发射器未正确对...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者谨感谢美国国立卫生研究院(NIH)研究员编辑委员会提供的编辑协助。本研究由美国国家精神卫生研究院(NIMH)院内研究项目(项目编号:ZIA MH00889)资助。RMS 还获得了 FRAXA 博士后奖学金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 综合动物实验室监测系统(CLAMS) | Columbus Instruments | 用于分析睡眠时长的设备和软件 | |
| Captisol 研究级 | Captisol | RC-0C7-100 | 用于溶解疏水性化合物的 Captisol |
| 30 G BD 针头,1/2 英寸 | BD | 305106 | 用于注射的针头 |
| BD 一次性注射器 | Fisher | 14-823-30 | 用于注射的注射器 |
| B6.129P2-Fmr1tm1Cgr/J | Jackson Labs | 3025 | Fmr1 基因敲除小鼠 |
| Super Mouse 750 小鼠笼具 | Lab Products, Inc. | 小鼠的饲养笼 | |
| SANI-Chips 垫料 | PJ Murphys | 小鼠用垫料 |
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