睡眠是生物體所必須的一個(gè)基本活動(dòng)，其對(duì)于健康和生活質(zhì)量有著不可忽視的影響，并且能幫助我們更深入的了解大腦的運(yùn)作機(jī)制。

近十年來(lái)，基于Cell、Nature、Science?及其子刊的論文發(fā)表情況，我們發(fā)現(xiàn)有超過450篇論文使用了睡眠實(shí)驗(yàn)作為研究手段，并且數(shù)量還在持續(xù)增長(zhǎng)，涉及領(lǐng)域廣泛，這反映了睡眠實(shí)驗(yàn)在腦科學(xué)中的重要地位。

睡眠實(shí)驗(yàn)：統(tǒng)計(jì)范圍包含但不限于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物（如大鼠、小鼠、家犬、非人靈長(zhǎng)類等）在睡眠狀態(tài)下的電生理信號(hào)（如EEG,EMG,EOG等），睡眠剝奪實(shí)驗(yàn)，通過藥物與基因操作調(diào)節(jié)睡眠狀態(tài)，行為與認(rèn)知測(cè)試評(píng)估睡眠對(duì)其他功能的影響等實(shí)驗(yàn)。

接下來(lái)我們將說(shuō)明高質(zhì)量的自動(dòng)化睡眠分期與統(tǒng)計(jì)分析是未來(lái)開展睡眠實(shí)驗(yàn)的必要手段，探討睡眠實(shí)驗(yàn)對(duì)于腦科學(xué)研究的重要意義，并總結(jié)其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

如何做好動(dòng)物睡眠實(shí)驗(yàn)

要做好動(dòng)物睡眠實(shí)驗(yàn)，一方面要采集到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，這要求我們有合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、使用高質(zhì)量的采集設(shè)備、準(zhǔn)備穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、對(duì)動(dòng)物進(jìn)行穩(wěn)定一致的手術(shù)；另一方面需要高準(zhǔn)確度的睡眠分期，而這往往是實(shí)驗(yàn)中耗費(fèi)時(shí)間最多、對(duì)結(jié)果影響最大的步驟。

什么是睡眠分期

在動(dòng)物睡眠實(shí)驗(yàn)中，睡眠分期是指根據(jù)在睡眠實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)（包括腦電信號(hào)與運(yùn)動(dòng)信號(hào)）將睡眠周期劃分為不同的階段或狀態(tài)。這些睡眠階段可以幫助研究人員更好地理解動(dòng)物的睡眠模式，以及其在不同睡眠階段的腦功能。

動(dòng)物的睡眠分期通常包括以下幾個(gè)階段：

• 清醒狀態(tài)：動(dòng)物處于清醒并活動(dòng)狀態(tài)。

• 非快速眼動(dòng)（non-rapid eye movement, NREM）睡眠：又被稱為慢波睡眠，是身體恢復(fù)和記憶固化的重要階段。

• 快速眼動(dòng)（rapid eye momvement, REM）睡眠：又被稱為夢(mèng)境睡眠，在這個(gè)階段，動(dòng)物的大腦活動(dòng)模式類似于清醒狀態(tài)，但肌肉處于放松狀態(tài)，只有眼球和呼吸肌在活動(dòng)。這是一種與學(xué)習(xí)、記憶和情緒處理有關(guān)的重要睡眠階段。

如何做好睡眠分期

為了做好動(dòng)物的睡眠分期，有多家國(guó)外廠商研發(fā)了基于規(guī)則的睡眠分期軟件，包括日本Kissei Comtec公司的SleepSign、美國(guó)Pinnacle公司的Sirenia Sleep Pro、美國(guó)DSI公司的NeuroScore。十年間將動(dòng)物睡眠實(shí)驗(yàn)作為研究手段并成功發(fā)表論文（CNS及其子刊）的數(shù)量中，有超過360篇論文使用了睡眠分期軟件，占比高達(dá)80%以上。

下圖展示了使用睡眠分期軟件的論文數(shù)量趨勢(shì)，可以看到越來(lái)越多的研究工作使用了睡眠分期軟件來(lái)幫助做好實(shí)驗(yàn)，但是，這些軟件價(jià)格較高、被美日兩國(guó)壟斷、且依舊需要消耗巨大的精力來(lái)完成分期（一份24小時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般需要花費(fèi)4小時(shí)）。

Lunion Stage 自動(dòng)睡眠分期系統(tǒng)?作為國(guó)內(nèi)第一款基于AI算法的自動(dòng)睡眠分期工具，圍繞實(shí)驗(yàn)動(dòng)物（包括大鼠、小鼠、家犬、非人靈長(zhǎng)類等動(dòng)物）的EEG腦電與運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)（肌電或者加速度），可對(duì)動(dòng)物的睡眠狀態(tài)WAKE/NREM/REM進(jìn)行自動(dòng)判別，識(shí)別精度可達(dá)98%以上，一份24小時(shí)的睡眠數(shù)據(jù)的自動(dòng)分期僅需1分鐘，讓腦科學(xué)工作站及研究人員從繁瑣的人工數(shù)據(jù)處理中解放出來(lái)，大幅度提升科研效率，幫助科研團(tuán)隊(duì)從勞動(dòng)密集模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹橇γ芗湍Ｊ剑瑢氋F的時(shí)間用于科研問題，提高科研產(chǎn)出。

睡眠實(shí)驗(yàn)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用

01?睡眠實(shí)驗(yàn)在認(rèn)知研究領(lǐng)域的重要性

通過睡眠實(shí)驗(yàn)研究人員可以了解睡眠對(duì)認(rèn)知功能的影響，包括感知覺、記憶、本能、學(xué)習(xí)、壓力與情緒等方面，幫助研究人員了解睡眠對(duì)腦部結(jié)構(gòu)和功能的影響，以及睡眠中腦電與神經(jīng)信號(hào)的變化，這些研究有助于我們更好地理解大腦的功能及其機(jī)制。

• 快速眼動(dòng)睡眠期間眼球運(yùn)動(dòng)與夢(mèng)境的關(guān)系

美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校的研究團(tuán)隊(duì)在?Science?上發(fā)表了論文?“A?cognitive process occurring during sleep is revealed by rapid eye movements”?。研究小組確認(rèn)了快速眼動(dòng)睡眠（rapid eye movement sleep, REM sleep）中眼球運(yùn)動(dòng)與夢(mèng)境中的頭部方向有密切聯(lián)系。研究團(tuán)隊(duì)記錄了編碼小鼠頭方向信息的神經(jīng)元活動(dòng)，并實(shí)時(shí)解碼小鼠頭向。他們發(fā)現(xiàn)，在REM期間，眼球運(yùn)動(dòng)方向與實(shí)時(shí)解碼的頭運(yùn)動(dòng)方向一致。這表明夢(mèng)境中的眼球運(yùn)動(dòng)不是隨機(jī)的，而可能與對(duì)不同方向的圖像探索相關(guān)。

• 睡眠微結(jié)構(gòu)與記憶的關(guān)系
  

哥本哈根大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在Nature Neuroscience上發(fā)表的論文?"Memory-enhancing properties of sleep depend on the oscillatory amplitude of norepinephrine"，論文中介紹睡眠擁有復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，包括微覺醒，睡眠紡錘波與睡眠階段之間的過渡，睡眠碎片化會(huì)損害記憶鞏固，而擁有豐富睡眠紡錘波與delta波的非快速眼動(dòng)睡眠與快速眼動(dòng)睡眠則可以促進(jìn)記憶鞏固。?

團(tuán)隊(duì)研究喚醒介質(zhì)去甲腎上腺素的釋放如何塑造睡眠的微結(jié)構(gòu)，揭示了去甲腎上腺素的振蕩振幅或許是改善睡眠障礙的一個(gè)目標(biāo)靶點(diǎn)。?

02?神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究中的睡眠實(shí)驗(yàn)

許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病如帕金森綜合征、阿爾茨海默癥、癲癇等與睡眠障礙有關(guān)。通過分析睡眠與疾病進(jìn)展的關(guān)系，研究人員揭示了這些疾病的發(fā)生、發(fā)展和預(yù)防的潛在途徑。這些發(fā)現(xiàn)為改善患者生活質(zhì)量和延緩疾病進(jìn)展提供了依據(jù)。

• 睡眠對(duì)阿爾茨海默癥中大腦損傷的影響

美國(guó)華盛頓大學(xué)圣路易斯醫(yī)學(xué)院的研究人員發(fā)表了論文?“The sleep-wake cycle regulates brain interstitial fluid tau in mice and CSF tau in humans”，通過對(duì)小鼠與人類研究，發(fā)現(xiàn)睡眠剝奪增加了阿爾茨海默癥關(guān)鍵蛋白tau的水平，tau蛋白在某些條件下會(huì)聚集成破壞附近組織和預(yù)示認(rèn)知下降的纏結(jié)物，這是產(chǎn)生大腦損傷的前兆，也是產(chǎn)生癡呆癥狀的關(guān)鍵步驟，該項(xiàng)研究表明睡眠不足會(huì)促進(jìn)這種癥狀的發(fā)生，良好的睡眠習(xí)慣有助于保持大腦健康。

• 發(fā)作間期癲癇樣放電可能會(huì)通過在睡眠期間干擾海馬和皮層之間的相互作用來(lái)影響記憶

紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)系的研究人員對(duì)顳葉癲癇大鼠模型與癲癇受試者進(jìn)行了研究，并發(fā)表了論文?“Interictal epileptiform discharges induce hippocampal–cortical coupling in temporal lobe epilepsy”?，發(fā)現(xiàn)自發(fā)性海馬發(fā)作間期癲癇樣放電（Interictal epileptiform discharges, IEDs）與前額葉皮層中的睡眠紡錘波（Sleep spindle）同步，導(dǎo)致記憶鞏固受損，并且會(huì)在清醒和快速眼動(dòng)睡眠期間誘導(dǎo)睡眠紡錘波。研究結(jié)果提示發(fā)作間期癲癇樣放電可能對(duì)睡眠紡錘波的形成有直接影響，同時(shí)也為治療癲癇患者的記憶障礙提供了一個(gè)潛在的治療靶點(diǎn)。

03?睡眠實(shí)驗(yàn)在精神類疾病研究中的重要性

睡眠與精神類疾病之間的關(guān)聯(lián)已經(jīng)被廣泛研究。通過睡眠實(shí)驗(yàn)，研究人員已經(jīng)揭示了睡眠對(duì)于抑郁癥、精神分裂癥、焦慮和自閉癥等精神疾病的影響。這些研究不僅幫助我們更好地了解這些疾病的病理機(jī)制，還為患者提供了更有效的治療方法。

• 青少年期睡眠對(duì)成年后社交行為的影響

  很多患有神經(jīng)發(fā)育障礙，例如如自閉癥譜系障礙 (ASD) 和精神分裂癥的年輕患者都存在睡眠問題，包括入睡延遲、睡眠持續(xù)時(shí)間縮短和睡眠碎片化，并且這些疾病的共同癥狀都與社交互動(dòng)缺陷有關(guān)。?

美國(guó)斯坦福大學(xué)研究人員在Nature Neuroscience?上發(fā)表了一項(xiàng)題為?“Adolescent sleep shapes social novelty preference in mice”?的研究，研究表明小鼠青少年期的睡眠中斷會(huì)導(dǎo)致社會(huì)新奇偏好的長(zhǎng)期損害，然而在小鼠成年睡眠中斷實(shí)驗(yàn)中卻沒有造成損害。研究人員使用獨(dú)孤癥小鼠模型，探索了通過增加青少年期睡眠來(lái)改善成年后社交行為障礙的可能性，發(fā)現(xiàn)通過藥理學(xué)，光遺傳，化學(xué)遺傳學(xué)手段增加小鼠青少年期睡眠等方式均可以大幅度改善小鼠的社交障礙，在成年之后的社交行為測(cè)試中表現(xiàn)出相對(duì)正常的社會(huì)新奇偏好。

04?睡眠實(shí)驗(yàn)在代謝類疾病研究中的作用

睡眠實(shí)驗(yàn)在代謝疾病研究中扮演著重要角色，能夠提供有關(guān)睡眠與代謝調(diào)節(jié)之間復(fù)雜關(guān)聯(lián)的深入了解。睡眠實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭芯咳藛T探究睡眠時(shí)間、睡眠質(zhì)量、睡眠周期和睡眠呼吸障礙等睡眠特征與代謝指標(biāo)（例如血糖、胰島素、甘油三酯、膽固醇等）之間的關(guān)系，評(píng)估不同睡眠干預(yù)措施（如光照、行為治療等）對(duì)代謝疾病風(fēng)險(xiǎn)的影響，有助于制定個(gè)性化的預(yù)防和治療策略。

• 睡眠期間產(chǎn)生的海馬體尖波漣漪（Sharp wave ripples, SPW-Rs）可能調(diào)節(jié)血糖水平

美國(guó)紐約大學(xué)的研究人員發(fā)表了論文?“A metabolic function of the hippocampal sharp wave-ripple”?，在對(duì)大鼠的研究中發(fā)現(xiàn)海馬體腦區(qū)中的尖波漣漪在數(shù)分鐘內(nèi)可能導(dǎo)致大鼠體內(nèi)的血糖水平下降。尖波漣漪通常出現(xiàn)在非快速眼動(dòng)睡眠期間，因此睡眠障礙對(duì)尖波漣漪的影響可能為2型糖尿病患者的睡眠障礙與高血糖水平之間提供機(jī)制上的聯(lián)系。

• 睡眠碎片化與肥胖風(fēng)險(xiǎn)

  睡眠碎片化會(huì)促進(jìn)脂肪組織炎癥，導(dǎo)致胰島素抵抗從而增加肥胖風(fēng)險(xiǎn)。

05?睡眠實(shí)驗(yàn)在藥物開發(fā)研究中的作用示例

治療失眠藥物的神經(jīng)機(jī)制及其功能損害差異的研究。

06?睡眠實(shí)驗(yàn)在心血管疾病研究中的作用示例

易發(fā)動(dòng)脈粥樣硬化小鼠模型在缺乏睡眠的情況可能增加炎癥細(xì)胞，從而加速動(dòng)脈粥樣硬化。

07?睡眠實(shí)驗(yàn)在麻醉研究中的作用示例

賓夕法尼亞醫(yī)學(xué)院的麻醉與重癥監(jiān)護(hù)部門團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)激活POA Tac1神經(jīng)元可以有效促進(jìn)小鼠從麻醉無(wú)意識(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榍逍褷顟B(tài)。

通過對(duì)睡眠在各個(gè)領(lǐng)域的研究，我們不僅能夠更好地了解大腦功能和機(jī)制，還能為許多疾病的預(yù)防和治療提供重要參考。未來(lái)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與研究方法的創(chuàng)新，我們有理由相信，睡眠實(shí)驗(yàn)將在腦科學(xué)研究中發(fā)揮更大的作用。

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Lunion Stage 自動(dòng)睡眠分期系統(tǒng)圍繞實(shí)驗(yàn)動(dòng)物（包括大鼠、小鼠、家犬、非人靈長(zhǎng)類等動(dòng)物）的EEG腦電和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)（肌電或者加速度），采用深度學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)的算法, 可對(duì)動(dòng)物的睡眠狀態(tài)WAKE/NREM/REM進(jìn)行自動(dòng)判別，識(shí)別精度可達(dá)98%以上。

系統(tǒng)支持在線使用與本地部署，針對(duì)24小時(shí)記錄數(shù)據(jù)的處理時(shí)間小于50秒，支持批量處理數(shù)據(jù)功能，多用戶可同時(shí)執(zhí)行睡眠分期。

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