非侵入性、高通量测定啮齿类动物睡眠时长

摘要

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。

摘要

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。

引言

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。

方案

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

1. 购买所需数量的设备和软件。
2. 按照说明设置监测系统。
   1. 将探测器与发射器相对放置。确保红外光束朝内，并在同一高度对齐。
   2. 使用提供的螺丝将探测器和发射器固定在金属支架的指定高度。调整高度时，应使笼内垫料位于红外光束水平以下，同时确保光束高度能够准确检测动物活动。由此形成的内部区域为 27 cm × 32 cm（10.625 in × 12.75 in）。
      1. 如需更多螺丝，可在五金店另行购买（6-32 ¼ in Pan Head Screw）。
3. 将每个探测器与对应的发射器连接。将发射器连接至配套的集线器，再将集线器连接至接收器。对 x 轴和 y 轴两个方向均执行此操作。所有设备设置均需重复此步骤。
4. 使用提供的 USB 集线器将接收器连接至计算机。

2. 软件设置

1. 安装分析软件，并选择提供的硬件配置文件作为默认设置。硬件配置文件仅可由公司进行更改。
2. 点击 文件 | 打开实验配置，打开默认实验配置。
3. 点击 实验 | 属性。
4. 点击 扫描 选项卡，将 扫描速率 更改为 10 s。
5. 点击 活动性 选项卡，将 活动性采样率 更改为 10 s。
6. 点击 文件 | 另存实验为，以保存这些配置设置，供后续实验使用。

3. 动物准备

1. 将小鼠单独饲养于洁净的笼中，笼子长31 cm（12.25 in），宽16.5 cm（6.5 in）。为防止小鼠堆积垫料并遮挡光束，使用厚度为3 mm的垫料。不要为小鼠提供额外的筑巢材料。
2. 为小鼠提供食物和水 随意摄取 通过位于笼子顶部且不妨碍光束的导线输送器提供食物。在研究期间，每3-5天更换笼子时，必要时补充食物并更换水瓶。
3. 将小鼠笼置于红外光束装置内，确保其位于光束大致中央位置，以实现完全覆盖。
4. 确保房间的明暗循环与小鼠正常饲养条件下的明暗循环一致，或根据实验需求进行相应调整。

4. 药物配制与注射

1. 获取无菌水和无菌环糊精。
2. 所有注射均使用带25.5–30.5 G皮下注射针头的1 mL注射器。每只小鼠应使用新的无菌针头和注射器。
3. 为缩短注射间隔时间，应预先准备好所有注射器。
4. 进行环糊精注射时：将3 g环糊精加入10 mL水中，配制30%环糊精溶液。
5. 通过腹腔注射给予0.3 mL生理盐水或环糊精溶液。

5. 用于记录睡眠的软件

1. 打开默认的硬件配置文件。
2. 点击 文件 | 打开实验配置，打开所需的或默认的实验配置。
3. 点击 实验 | 设置。
   1. 指定数据文件的保存位置以及备份文件的保存位置。软件要求将数据文件存储在特定程序文件夹下的 程序文件 目录中。
      注意：由于某些计算机将 程序文件 视为敏感区域，实验结束后可能无法访问数据文件。因此，建议将备份文件保存到本地计算机上的其他非敏感区域。
   2. 为每个睡眠舱指定动物编号，并根据需要输入动物体重。如果某个舱在实验中不使用，取消勾选该选项即可停用该舱。输入完识别信息后，点击 完成。
4. 点击 文件 | 另存为实验，将当前实验配置以所需文件名保存。
5. 点击 实验 | 运行 或按 F5 开始记录。等待一个10秒的时段，确保所有舱均能检测到活动。由于动物刚被注射，极有可能会移动足够幅度而被红外光束检测到。
   1. 如果未检测到活动，可尝试手动移动小鼠笼子，以确保光束能够检测到运动。若仍无法记录活动，则继续排查问题或更换至正常工作的舱位。
      注意：注射完成后应立即开始实验。
6. 使用不透明盖板覆盖计算机屏幕以阻隔光线，并遮盖活动监测仪上的闪烁指示灯。
7. 持续运行实验24小时。
   注意：由于注射操作所需时间，实际记录时长可能不足完整的24小时。每天应在相同时间进行注射，且在注射期间不应记录睡眠数据。
8. 次日注射前，点击 实验 | 停止 结束记录。点击 文件 | 导出 | 生成个体CSV文件，以收集每只小鼠的原始数据。
   注意：导出过程可能需要一定时间，建议立即执行此操作，随后在计算机处理的同时进行注射。
9. 点击 文件 | 导出 | 睡眠，通过在任意安装了该软件的计算机上打开原始 .CDTA 数据文件，导出每次实验的睡眠数据文件。
   1. 在 检测参数 活动源 下，确保x轴和y轴的复选框均已被勾选。
   2. 在 睡眠阈值 时段数 下，确保选择4个时段。
   3. 在 睡眠阈值 活动阈值 下，确保选择0次计数。
   4. 在 明暗周期 下，选择正确的明暗时间设置。
   5. 在 分析窗口 下，选择所需的分析时间段。对于注射研究，将 天数 保持默认。将 开始时间 设为 ExpSTART。将 持续时间 设为 24:00，即24小时。使用该软件进行分析的最长时间为72小时。
   6. 保存配置，以便后续导出数据时节省时间。
   7. 点击 更新。
   8. 点击 生成CSV文件，并将文件保存至指定位置。

6. 数据分析

1. 每次记录时，打开睡眠文件。为分配受试者编号，打开每个腔室对应的单独 CSV 文件以确定受试者编号。记录所有动物在光照期和黑暗期的总睡眠时间 hh:mm:ss。
   1. 检查个体受试者的 CSV 文件是否存在异常，以判断记录是否失败。若某一平面检测到高光束计数，而另一平面无任何计数，则表明光束系统出现故障。
      注：光照期和黑暗期的"% sleeping"是基于包括光照期和黑暗期在内的整个记录时长计算得出。对于12小时光照/12小时黑暗循环，将该数值乘以2，即可得到12小时光照期或黑暗期的"% sleeping"。由于注射实验未持续完整的24小时，因此直接计算出的"% sleeping"并不准确。为获得正确的"% sleeping"，应将"TOT sleep hh:mm:ss"除以"实验经过时间：hh:mm:ss"，再乘以2，最后乘以100，得到百分比数值。若注射操作在光照期进行，则仅需对光照期按此方式进行校正。
2. 由于需对不同日期和不同阶段进行比较，应分别分析每一天、每一阶段的睡眠百分比时长。

结果

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...

讨论

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...

材料

本文使用的材料清单

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