一种用于实验啮齿动物睡眠干扰与记录的装置

1.本发明具体涉及一种用于实验啮齿动物睡眠干扰与记录的装置，属于实验仪器技术领域。


背景技术：

2.流行病学调查显示，全世界约有30％～48％的人群存在睡眠障碍问题，并呈不断上升趋势。睡眠不足及睡眠质量下降与机体多种功能障碍相关，严重损害人们身体健康，并且可导致患者日间功能下降，引起嗜睡、疲劳、焦虑或抑郁，以及精神活动效率下降，妨碍社会功能。睡眠剥夺方法是研究睡眠的生理功能，以及药物改善睡眠作用的重要手段。目前，睡眠剥夺装置主要采用以下几种：
3.1.水平台睡眠剥夺：大鼠站立在水槽的平台上，当其进入快速动眼睡眠时，出现全身肌张力降低而触水惊醒。由于大鼠恐水，会产生水环境应激，干扰睡眠剥夺本身研究的科学性。同时，实验过程中，实验动物容易呛水死亡。
4.2.人为因素物理刺激法：人为观察或通过脑电图描记，判断大鼠进入睡眠状态时，通过声音、光照、轻触等刺激使其保持清醒。缺点在于需要实验人员始终观察大鼠行为，易对实验人员产生睡眠剥夺效应，仅适用于短期睡眠剥夺实验。
5.3.化学试剂刺激法：通过向大鼠体内注射特定化学试剂达到睡眠剥夺的目的，但缺点是大鼠存在个体差异，睡眠剥夺效果及程度难以定量。
6.4.强迫运动法：采用动力装置。强迫动物在装置内不间断运动，从而达到睡眠剥夺的目的。但长时间不间断的运动，会导致动物产生疲劳，产生应激反应，干扰实验的科学性，而且无合适的运动对照。
7.5.剥夺杆睡眠剥夺法：例如cn211482388u公开一种实验啮齿动物睡眠剥夺装置，通过睡眠剥夺杆受驱动干扰小鼠达到睡眠剥夺的效果，该方法模式较温和，产生的应激反应小，是目前接受度较高的方法。但仍存在一定的缺陷，虽然它不需要动物一直处于行走的状态，通过可调节周期的剥夺杆来回扫描鼠笼底部，但是无法做到精确剥夺，动物在周期之内有可能进行睡眠。同时，剥夺杆下方存在一定空间，实验啮齿动物往下钻的习性，容易跑到剥夺杆下方而导致卡死。
8.综上可见，目前睡眠剥夺实验装置都存在一定缺陷，例如环境应激、无法精确干扰睡眠、容易造成运动疲劳，无相关对照等，最终影响实验结果的准确性。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的不足，本发明专利的目的在于提供一种啮齿动物睡眠剥夺装置，解决现在用于啮齿动物的睡眠剥夺装置无法自动化精确剥夺睡眠，并且避免了脑电电极和肌电电极成本高，浸水刺激、运动疲劳等因素干扰，可以设置对照，有利于提高实验的准确性和科学性。
10.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
11.一种用于实验啮齿动物睡眠干扰与记录的装置，包括箱体，转动装置和控制装置，所述转动装置用于放置实验啮齿动物并在实验啮齿动物睡觉过程中给予转动干预，所述转动装置由控制装置控制，所述转动装置的上侧设有存放食物和水的箱体，
12.所述控制装置包括压力传感器，所述压力传感器通过导线和生物电信号装置连接，所述生物电信号装置依次与继电器和电脑相连。
13.进一步的，所述转动装置包括中空底座，所述中空底座的中心槽呈圆柱状，所述中空底座上装有电机，所述中心槽向内设有凹槽，所述凹槽位于所述电机的下方，所述电机的转轴水平旋转，并且所述中空底座在所述电机的转轴垂直方向上设有孔洞，所述孔洞的横切面积大于所述转轴的横切面积，所述孔洞与所述凹槽相连通，所述电机的转轴与小齿轮相连，带动所述小齿轮水平旋转，所述小齿轮与位于所述中心槽内的大齿轮相啮合，所述大齿轮套设在内圈上并且围绕所述内圈自由旋转，所述内圈与所述中空底座固定连接，所述大齿轮上固定设有圆环，所述圆环的直径方向固定设有转动杆，所述中空底座放置在中空固定座上，所述中空固定座上设有固定圆盘，所述固定圆盘上设有可拆卸托盘，所述压力传感器镶嵌在所述固定圆盘的中心位置，所述压力传感器的感应区与可拆卸托盘底部中心微接触。
14.优选的，所述转动杆包括三条不锈钢棍垂直排列，底端的不锈钢棍与所述可拆卸托盘的距离小于实验啮齿动物睡眠状态下的高度，防止实验啮齿动物从转动杆与可拆卸托盘之间的空隙钻过。
15.进一步的，所述箱体包括透明罩体，所述透明罩体与所述中空底座可拆卸连接，所述透明罩体分别设有水瓶槽和食物槽。
16.优选的，所述透明罩体上设有相适配的盖板。
17.本发明还提供一种用于实验啮齿动物睡眠干扰与记录的装置的睡眠剥夺方法，包括如下步骤：
18.步骤1：在箱体内预先放入食物和水，将实验啮齿动物放置在固定圆盘上；
19.步骤2：压力传感器接收到实验动物所产生的振动信号后，转化为电信号输入生物电信号装置；
20.步骤3：继电器基于压力传感器反馈的电信号进行判断：当单位时间内检测压力传感器的电信号幅值超过睡眠剥夺阈值或单幅值超过最大阈值时，判断实验动物处于睡眠状态并执行步骤4；否则，执行步骤5；
21.步骤4：输入到继电器的电流低于规定值，电机运转，通过转轴带动小齿轮转动，从而带动大齿轮上圆环和转动杆转动，继而通过强迫运动使可拆卸托盘中进入睡眠状态的实验动物转为觉醒状态，动物清醒后，返回继续执行步骤3；
22.步骤5：输入到继电器的电流超过规定值，电机不运转，返回继续执行步骤3。
23.进一步的，睡眠剥夺阈值的计算方式为：
[0024][0025]
其中，σ为睡眠剥夺阈值，median为求解平均值函数，x为同等实验中啮齿动物睡眠状态下电信号幅值，表示同等实验中啮齿动物睡眠状态下电信号平均幅值。
[0026]
进一步的，取一只实验啮齿动物作为剥夺组，记录剥夺组基于睡眠剥夺方法进行
睡眠剥夺实验后的总实验时间、总睡眠时间和刺激次数；
[0027]
选取对照组，对照组的总实验时间和刺激次数保持一致，集中刺激，记录对照组同样条件下的总睡眠时间；
[0028]
比较剥夺组和对照组的总睡眠时间变化差异。
[0029]
优选的，步骤7中集中刺激安排在每两小时的最后12-18分钟内。
[0030]
优选的，对照组为同一只实验啮齿动物或同规格条件的实验啮齿动物。
[0031]
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0032]
针对现有技术存在的不足，本发明专利的目的在于提供一种啮齿动物睡眠剥夺装置，解决现在用于啮齿动物的睡眠剥夺装置无法自动化精确剥夺睡眠，并且避免了脑电电极和肌电电极成本高，浸水刺激、运动疲劳等因素干扰，可以设置对照，有利于提高实验的准确性和科学性。
[0033]
1、本发明创造性的提出通过压力传感器将实验动物的振动信号转化为电信号，输入到生物电信号装置中，进而判断实验啮齿动物睡眠与活动状况。通常判别动物睡眠与活动状态是通过电脑图仪记录的，仪器成本高。本发明通过压力传感器间隔判断实验动物的睡眠与活动状况，大大降低了成本，并且具有较高的精度，可供大规模推广应用。
[0034]
2、本发明通过当单位时间内检测压力传感器的电信号大小，进而控制电机运转，致小齿轮转动，同时带动大齿轮转动，进而带动转动杆转动，在睡眠期间进行自动化睡眠剥夺。本实验装置确定的剥夺阈值，相对稳定。即使需要对睡眠剥夺阈值进行更改时，阈值确定的实验亦相对简单，可操作性强。。而应用脑电图进行睡眠剥夺的装置，对脑电图的描记质量要求较高，受手术安装电极技术的熟练程度，描记环境的电信号等因素干扰。同时，动物一天内睡眠压力会发生变化，导致脑电波的振幅会产生昼夜节律性变化，剥夺参数应产生相应的变化，否则难以实现全天24小时自动化精准剥夺。
附图说明
[0035]
图1为本发明所述的一种适用于啮齿动物的慢性睡眠限制装置结构示意图；
[0036]
图2为本发明所述的一种适用于啮齿动物的慢性睡眠剥夺限制装置中的转动装置结构示意图；
[0037]
图3为本发明所述的一种适用于啮齿动物的慢性睡眠限制装置的连接图；
[0038]
图4为本发明睡眠剥夺装置剥夺方法流程图；
[0039]
图5为脑电图人工分析与压力感受器自动分析的原始对比图；
[0040]
图6为24小时脑电图人工分析与压力感受器自动分析的数据对比图；
[0041]
图7为24小时对照组和睡眠剥夺组的基线睡眠和剥夺睡眠的对比图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
实施例1
[0044]
如图1-图3所示，本发明提供一种适用于啮齿动物的慢性睡眠限制装置，包括箱体，转动装置和控制装置组成。所述箱体由可拆卸的盖板1和透明罩体5组成。透明罩体5的四周设有2个食物槽4和2个水瓶槽3，透明罩体5可拆卸的设罩在中空底座10上；盖板1的中心处设有开孔2，开孔2可用于穿设导线进行脑电和肌电描记，盖板1可拆卸的设罩在透明罩体5上；食物槽4设于透明罩体5的内侧壁，用于放置食物，食物槽4内设有栅栏，防止食物从侧边掉落；水瓶槽3设于透明罩体5的内侧壁(食物槽4的侧边)，可供一个水瓶放入，且水瓶槽3底部设置有圆孔6，供水瓶的水管深入透明罩体5；动装置由一四方形中空底座10，由电机7，转动杆8、圆环11、内圈17、大齿轮16和小齿轮15组成。在本发明中，分别包括2个食物槽5和2个水瓶槽3，在睡眠剥夺的同时，可进行食物和水的偏好实验。在本发明中，所有导线连接均以插座的形式固定在中空固定座10中，无外漏导线，装置外观整洁。
[0045]
电机7上部固定在中空底座10的表面中心的外侧，下部固定于中空底座10底面的小齿轮15；内圈17和大齿轮16组成中空转盘，内圈17固定在中空底座10的底部；大齿轮16与小齿轮15啮合；转动杆8固定在圆环11直径处；圆环11固定于大齿轮16；控制装置由中空固定座13，由可拆卸托盘9、固定圆盘14和压力传感器12组成。固定圆盘14固定于中空固定座13的中心；可拆卸托盘9可拆卸的放置在固定圆盘14上；压力传感器12镶嵌在固定圆盘14的中心，感应区与可拆卸托盘9底部中心微接触；从上至下，盖板1，透明罩体5，中空底座10，中空固定座13形成实验动物的密闭式活动空间。
[0046]
本实验装置的各部分均独立存在，动物接触的区域均可拆卸和安装，可拆卸托盘9上铺有垫料，即可保证环境清洁，又可随时拆卸清洗。
[0047]
在本发明中，转动杆8由三条不锈钢棍排列组成，最下面的钢棍与圆筒8的内表面的距离为1cm，垫料的厚度略低于1cm，该高度可以保证实验动物不能从转动杆8与可拆卸托盘9之间的空隙钻过。同时不锈钢棍之间留有缝隙，防止转动杆8转动过程中，堆积大量垫料，增加电机7负荷。不锈钢棍较细，不足以让实验动物踩在上面睡眠，保证了睡眠剥夺的准确性。
[0048]
通过压力传感器12将实验动物的振动信号转化为电信号，输入到生物电信号装置19中，同时描记实验动物的脑电/肌电信号，进行对比，发现与脑电图信号稳合率达95％以上，为精准睡眠剥夺提供了依据。描记的原始波形和分析数据见图5和图6。
[0049]
图5为脑电图人工分析与压力感受器自动分析的原始对比图。上部为描记的原始波形窗口，下部为数据的分析窗口。原始波形窗口从上至下，依次为脑电(eeg)，肌电(emg)，压力感受器电信号(pza)。分析窗口中，第一行为脑电分析数据，第二行为肌电分析数据，第三行为压力感受器分析数据。通过人工分析脑电和肌电信号划分觉醒-睡眠时相，绿色代表nrem睡眠，黄色为rem睡眠，红色为觉醒。通过压力感受器接收的振动信号转化为电信号时，在觉醒期(红色标记)振幅明显增加，而睡眠期(绿色和黄色标记)，振幅低平，可见压力感受器电信号可以明显的区分动物觉醒-睡眠状态，精准睡眠剥夺提供了依据。
[0050]
图6为24小时脑电图人工分析与压力感受器自动分析的数据对比图。其中红色线为基于压力传感器采集的信号，自动分析所得的睡眠-觉醒时间；绿色线为基于脑电和肌电信号人工分析所得的睡眠-觉醒时间；上部分为觉醒时间，下半部分为睡眠时间。
[0051]
多导睡眠图是临床用于睡眠诊断和分析的“金标准”,而脑电/肌电信号的采集与分析，是客观评价实验动物的睡眠分析的“金标准”。除脑电/肌电信号的采集与分析以为，
现有分析实验动物睡眠-觉醒状态的仪器，多根据动物的体动，即动物规定时间内“活动”即为觉醒，“不活动”即为睡眠，由此会造成诸多的评判误差，如动物处于“不活动”状态，但是处于觉醒状态。即使目前采用的常用睡眠剥夺方法——轻柔刺激，即实验者时刻观察动物的状态，当动物静止不动时，人工敲打鼠笼以叫醒动物，同样会出现动物处于觉醒(不活动)时，错误的认为动物处于睡眠，而对动物进行干预。本实验装置通过对压力传感器记录的睡眠-觉醒信号，与脑电图记录的睡眠-觉醒信号进行对比分析，发现吻合率达95％以上，且脑电图分析主要采用人工分析，亦存在误差。由此可见，本装置，相对于其他装置而言，可实现精准睡眠剥夺。
[0052]
实施例2
[0053]
如图4所示，本发明还提供一种用于实验啮齿动物睡眠干扰与记录的装置的睡眠剥夺方法，包括如下步骤：
[0054]
步骤1：在箱体内预先放入食物和水，将实验啮齿动物放置在固定圆盘(14)上；
[0055]
步骤2：压力传感器(12)接收到实验动物所产生的振动信号后，转化为电信号输入生物电信号装置(19)；
[0056]
步骤3：继电器(18)基于压力传感器(12)反馈的电信号进行判断：当单位时间内检测压力传感器(12)的电信号幅值超过睡眠剥夺阈值或单幅值超过最大阈值时，判断实验动物处于睡眠状态并执行步骤4；否则，执行步骤5；
[0057]
步骤4：输入到继电器(18)的电流低于规定值，电机(7)运转，通过转轴带动小齿轮(15)转动，从而带动大齿轮(16)上圆环(11)和转动杆(8)转动，继而通过强迫运动使可拆卸托盘(9)中进入睡眠状态的实验动物转为觉醒状态，动物清醒后，返回继续执行步骤3；
[0058]
步骤5：输入到继电器(18)的电流超过规定值，电机(7)不运转，返回继续执行步骤3。
[0059]
进一步的，睡眠剥夺阈值的计算方式为：
[0060][0061]
其中，σ为睡眠剥夺阈值，median为求解平均值函数，x为同等实验中啮齿动物睡眠状态下电信号幅值，表示同等实验中啮齿动物睡眠状态下电信号平均幅值。
[0062]
本发明可设定睡眠剥夺阈值，当单位时间内检测压力传感器12的电信号平均幅值超过睡眠剥夺平均阈值或单幅值超过最大阈值时，该发明中的电机7运转，致小齿轮15转动，同时带动固定于大齿轮16上的圆环11上的转动杆8转动，在睡眠期间进行自动化睡眠剥夺。
[0063]
本实验装置通过对压力传感器记录的睡眠-觉醒信号，与脑电图记录的睡眠-觉醒信号一致。在此基础上，通过实验确定了睡眠剥夺阈值，即睡眠剥夺平均阈值0.25，睡眠剥夺最大阈值为0.3。而应用脑电图进行睡眠剥夺的装置，对脑电图的描记质量要求较高，受手术安装电极技术的熟练程度，描记环境的电信号等因素干扰。同时，动物一天内睡眠压力会发生变化，导致脑电波的振幅会产生昼夜节律性变化，剥夺参数应产生相应的变化，否则难以实现全天24小时自动化精准剥夺。本实验装置确定的剥夺阈值，相对稳定。即使需要对睡眠剥夺阈值进行更改时，阈值确定的实验亦相对简单，可操作性强。
[0064]
进一步的，取一只实验啮齿动物作为剥夺组，记录剥夺组基于睡眠剥夺方法进行
睡眠剥夺实验后的总实验时间、总睡眠时间和刺激次数；
[0065]
选取对照组，对照组为同一只实验啮齿动物或同规格条件的实验啮齿动物。对照组的总实验时间和刺激次数保持一致，集中刺激，记录对照组同样条件下的总睡眠时间；
[0066]
比较剥夺组和对照组的总睡眠时间变化差异。
[0067]
其中，步骤7中集中刺激安排在每两小时的最后12-18分钟内。
[0068]
现有的强迫运动睡眠剥夺装置多采用固定模式进行剥夺。如剥夺8a.m.-13p.m.的睡眠，即在8a.m.-11a.m.进行强迫运动以剥夺睡眠，但是其剥夺睡眠的量并不清楚，因即使运动装置一直工作，也不能达到长时间完全睡眠剥夺。而本实验装置中，可根据实验要求，确定具体睡眠剥夺的量。如将每两个小时当作一个b l ock。在光期，允许动物在每个时间b l ock中的前60％的时间睡，其余时间动物一睡就剥夺睡眠(每两秒钟检测一次)。在暗期，允许动物在每个时间b l ock的前20％的时间睡，其余时间剥夺睡眠。这样可以连续做几天，每天大约达到25％的睡眠剥夺。
[0069]
本发明中，通过睡眠剥夺可以自动统计睡眠剥夺组大鼠每2h的转动杆8的转动次数，并将剥夺组每2h内转动杆8的次数，自动于每2h的最后12分钟全部施于对照组的实验动物中，以保证两组实验动物的运动可比性，可见睡眠剥夺的实施方法s2，结果可见图7。图7为24小时对照组和睡眠剥夺组的基线睡眠(base l i ne)和剥夺睡眠(sr day)的对比图。其中绿色柱形图代表对照组，红色柱形图代表睡眠剥夺组。对照组的基线睡眠和剥夺睡眠无显著性差异。
[0070]
此外，本实验装置不仅可用于睡眠剥夺，还可进行睡眠描记，准确描记睡眠-清醒的时间，解决了脑电电极和肌电电极等耗材昂贵的问题。目前用于描记实验动物的脑电和肌电电极多为p l ast i csone公司生产，其费用较高，平均一只动物的脑电和肌电合计费用为人民币800元(至少2根脑电电极和2根肌电电极)，且不考虑描记用的导线，万向轮等耗材的价钱。与其他睡眠剥夺装置中应用脑电图进行精准剥夺的成本相比，免去了脑电和肌电电极等材料的消耗费用。
[0071]
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。