用于识别清醒束缚家兔癫痫发作、心律失常和呼吸暂停的多系统监测

摘要

通过同步视频-脑电图-心电图-血氧饱和度-二氧化碳监测，我们建立了一种评估兔模型诱发心律失常和癫痫发作易感性的方法。这一新型记录系统为测试治疗药物的有效性和安全性提供了平台，并能够捕捉最终导致猝死的多系统复杂事件级联过程。

摘要

离子通道病患者发生癫痫发作和致死性心律失常的风险较高。癫痫患者（即“癫痫性心脏病”）中心脏病和心律失常的患病率更高。此外，已有报道称在癫痫发作前后可出现心脏和自主神经功能紊乱。每年每1,000名癫痫患者中有1例死于癫痫猝死（SUDEP）。目前SUDEP的发病机制尚未完全阐明。脑电图（EEG）和心电图（ECG）是临床中常用于检测和研究癫痫发作及心律失常基础机制或诱因的两种技术。尽管已有大量关于该方法学的研究和描述集中于啮齿类动物，但其心脏电活动与人类存在显著差异。本文介绍了一种在清醒家兔中非侵入性同步记录视频-脑电图-心电图-血氧饱和度-二氧化碳监测的方法。由于家兔与人类的心脏电生理功能相似，因此家兔是开展转化性诊断与治疗研究的理想模型。本文除阐述数据采集的方法学外，还讨论了分析家兔神经-心脏电活动功能及病理状态的分析方法，包括心律失常检测、脑电图谱分析以及为束缚状态家兔建立的癫痫发作评分量表。

引言

心电图（ECG）在临床中常规用于评估心脏电传导以及电激活-复极过程的动态变化。心电图对于心律失常、缺血和梗死的检测、定位及风险评估具有重要意义。通常将电极贴附于患者的胸部、手臂和腿部，以提供心脏的三维视图。当心肌去极化方向朝向电极时，产生正向偏转；当去极化方向远离电极时，则产生负向偏转。心脏周期的心电图成分包括心房去极化（P波）、房室传导（P-R间期）、心室兴奋（QRS波群）和心室复极化（T波）。在多种哺乳动物（包括人类、兔、犬、豚鼠、猪、山羊和马）中，心电图与动作电位的测量结果具有高度相似性 ^1,2,3。

兔子是心脏转化研究的理想模型。兔心在离子通道组成和动作电位特性方面与人心脏相似^2,4,5。兔子已被用于构建遗传性、获得性和药物诱导的心脏疾病模型^2,4,6,

方案

所有实验均按照美国国立卫生研究院（NIH）指南以及上州医科大学动物护理与使用委员会（IACUC）的规定进行。此外，本方案的概要见图1。

1. 准备记录设备

1. 将计算机连接至带有64针头盒的放大器。
   注意：每只动物头部四个象限各植入一根直型皮下头皮针电极（7 或 13 mm），用于记录脑电图，胸部植入三根弯型皮下针电极（13 mm，35˚ 心电图（Einthoven）导联夹角’s 三角形），右腿放置一个弯曲的皮下针状接地电极，头部中央放置一个直的皮下头皮针电极作为参考电极。
2. 为了制作每个8^th 在头箱上固定参考电极，并更新采集软件设置中的采集选项卡，使参考电极为 “独立的” （即研究模式）。
   注意：此设置可通过一个放大器、模数转换器和计算机同时记录最多7只动物的信号，每只动物配备7个电极，另加一个专用参考电极和一个接地电极。所有电极均以单极导联方式采集信号，并以头部中心为参考点。在记录过程中或记录后，可另行设置双极导联和加压导联等其他导联配置。 由于该装置能够同时记录多只动物的信号，因此每只动物的接地电极均并联连接至放大器的接地输入端

结果

上述方法能够检测脑部和心脏的电传导系统异常以及呼吸紊乱。使用数据采集软件评估心电图（ECG）波形，并检测任何异常心率、传导障碍或心电节律（房性/室性异位搏动以及心动过速/过缓性心律失常）（图6）。除了可视化心电图波形外，还对心电图波形进行分析，以量化RR间期、心率、PR间期、P波持续时间、QRS间期、QT间期、校正QT间期（QTc）、JT间期以及T_peak至T_end间期。数据分析结果表明，心动过速/过缓性心律失常可被轻易检测到。

除了分析心电图（ECG）数据外，还对脑电图（EEG）数据进行了分析。基线脑电图通过频谱分析进行采集和分析（图7）。该数据显示，枕区导联的波幅高于额区导联，且所有导联中的主导频率均处于δ波范围。能够以高信噪比记录兔脑电图，对于检测癫痫样放电以及对记录数据进行进一步分析.......

讨论

该实验装置可实现对兔子进行详细的同时视频-脑电图-心电图-血氧测定-二氧化碳图记录与分析，尤其适用于心脏和/或神经系统疾病模型。本文结果表明，该方法能够检测癫痫发作和心律失常，并将其与脑电伪迹区分开来。当给予兔子致惊厥剂以诱发癫痫发作时，获得了预期的结果。通过视频-脑电图记录获得的数据可进一步分析，以区分自主运动与运动性癫痫发作严重程度的进展，以及脑电图异常，包括光驱动反应、脑病和癫痫样放电。各种类型的癫痫样放电被进一步表征，并与运动活动相关联。心电图分析显示该方法具有高信噪比，能够识别并量化心脏周期中各个电生理相关成分。该方法还可检测多种心脏异常，包括室性早搏、心动过缓、心脏传导阻滞、心动过速、快速性心律失常以及心搏停止。建立一种稳健的方法以深入研究多系统疾病中的神经-心脏相互作用，是一项重要的技术进步，对于更好地理解这些疾病至关重要。此外，对呼吸功能进行长期监测有助于更深入地理解癫痫发作后呼吸衰竭及其在猝死中的作用。

该系统还为药物研究（例如心脏安全性测试）提供了一个可靠的平台。采用这些技术的研究项目能够实时探究神经、 心脏和呼吸表现之间的相互作用。尽管已有大量研究在.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
0.9% 氯化钠灌洗液，USP - 软质容器	辉瑞（赫士睿）	7983-09	稀释剂
10毫升鲁尔锁型注射器配20G×1" 针	Sur-Vet	SS-10L2025	药物注射后的冲洗使用
4×4 纱布敷料	Fisher Scientific	22-415-469	用套管针固定耳部并卷入试管中进行夹板固定
苹果酱	柯克兰	897971	口服药物载体
计算机	Dell	Optiplex 5040	采集计算机
E-4031	Tocris	1808	已知可延长QT间期的药物
心电图电极	RhythmLink	RLSND116-2.5	13毫米35度弯曲（0.4毫米直径）皮下针电极
脑电图电极	RhythmLink	RLSP513	5圈扭转 13毫米直型（0.4毫米直径）皮下针电极
EEGLAB (2020)	斯瓦茨计算神经科学中心	开放获取	可进行脑电图的频谱分析
以太网转以太网适配器	Linksys	USB3G16	连接相机与计算机的适配器
安乐死-III 溶液	Med-Pharmex	ANADA 200-280	包含戊巴比妥钠和苯妥英钠，管制药品
泡沫垫	通用型	N/A	减少固定装置对小型兔子颈部施加的压力，以防止颈部受压引发的心肺不良反应
肝素封管冲洗液	Medline	EMZ50051240	保持血管导管通畅
红外光	博世	EX12LED-3BD-8W	便于在暗处进行记录
LabChart Pro（2019，版本 8.1.16）	ADInstruments	N/A	心电图分析
JELCO PROTECTIV 安全型静脉留置针，25 号规格	Smiths Medical	3060	用于导管插入耳缘静脉
MATLAB（R2019b，Update 5）	MathWorks	N/A	运行 EEGLAB 所需条件
麦克风	索尼立体声	ECM-D570P	记录癫痫发作的可听表现
白色纸质微孔医用胶带	3M	1530-1	用于固定导线并制作耳夹板
Natus NeuroWorks	Natus	LC101-8	数据采集与分析软件
戊四氮（1 - 10 mg/kg，始终溶于1 mL体积中）	Sigma-Aldrich	88580	在生理盐水中配制的稀释液
光刺激器	草	PS22	用于控制光脉冲频率、延迟、持续时间及强度的刺激器
塑料线缆整理器/捆扎器	12Vwire.com	LM-12-100-BLK	捆绑电线以减少噪声
PS 22 光刺激器	Grass Instruments	BZA641035	可调节闪光频率、延迟和强度的频闪灯
PVC管	通用	N/A	防止小型兔子因后肢蹬踢而导致脊柱损伤
量子放大器	Natus	13926	放大器/数字化仪
Quantum HeadBox 放大器	Natus	22134	64针引出盒
兔用固定器	Plas-Labs	501-TC	可提供多种尺寸的兔用固定器。6" ×18" × 6" 在本研究中。
橡胶垫（增压垫）	通用	N/A	将小兔子在固定器中轻轻抬起，以防止颈部受压
SpO2 耳夹	NONIN	61000	纯化SAT/SpO2
SpO2传感器适配器	NONIN	13931	XPOD PureSAT/SpO2
SRG-X120 1080p HDMI与IP云台摄像机 & 3G-SDI 输出	索尼	SRG-X120	Impela 摄像头
Terumo Sur-Vet 结核菌素注射器 1cc 25G × 5/8" 标准鲁尔	Sur-Vet	13882	用于注射静脉药物
兽医注射塞 Luer 锁	Sur-Vet	SRIP2V	用于静脉给药时插入针头的注射塞
Webcol 酒精消毒棉片，无菌，大号，双层	Covidien	5110	在导管插入前准备耳缘静脉