睡眠觉醒自动解析平台

人生的三分之一在睡眠中度过。对生命而言，睡眠和水、空气、食物一样重要。随着工业化进程加快、工作压力及社会竞争加剧、夜生活及不良生活习惯和人口老龄化等原因，全球约三分之一的人有睡眠问题，5%的人依靠药物维持着低质量的睡眠。受制于科学评价动物睡眠行为方法学的限制，睡眠科学的发展相对滞后，临床治疗缺乏有效对策。近年来，随着传感技术、计算机和信息学、生物物理等相关学科的快速发展，睡眠领域采用自动记录及解析脑电波及肌电波方法，客观判断实验动物睡眠-觉醒的质与量。

        2005年，黄志力教授在复旦大学建立了高度自动化大、小鼠睡眠记录及分析平台。该平台具有恒温（24±0.5）℃、恒湿（60±2）%、隔音、静电屏蔽和光控等功能。通过植于动物颅骨-脑表面和颈项肌的电极，将大脑细胞群自发性、节律性电活动和颈部肌肉的电活动过滤、放大后，经由配套的模数转换卡，通过VirtualRecord软件将其转化为肉眼可见的波形，并同步记录下来。记录结束后或在线，利用SleepSign软件自动进行睡眠时相的判定，结合对睡眠波频率和强度的分析，获得睡眠-觉醒时间、各脑波出现次数、持续时间和能量强度等数据，科学地判断睡眠的质与量。该系统具有实时、安全、高效、稳定、自动给药、自动记录与分析等特点，可在不打扰动物的情况下，进行脑室或神经核团给药。目前，睡眠实验室可同时记录自由运动大鼠40只和小鼠66只的脑电和肌电。该系统运行稳定、规模大、实验操作严格按标准化操作规程，是用于镇静催眠药临床前药效学评价和睡眠基础研究的关键性平台。

图1 睡眠觉醒自动解析平台示意图

        在高度自动化睡眠记录与解析平台的基础上，课题组引进10 余种转基因或基因剔除动物（包括A_2AR-cre, D₁R-cre, PV-cre, HDC-cre, vGAT-cre, VIP-cre, AVP-cre, ChAT-cre等cre小鼠；A_2AR KO, A₁R KO, D₂R KO动物等基因剔除小鼠），并利用光遗传工学或药物遗传学方法特异性控制神经元活性法，探索睡眠启动与维持的神经环路和神经递质机制，阐明睡眠与失眠机制，并据此设计化合物，进行临床前药效学筛选和评价。

       自实验室成立以来，睡眠课题组承担了国家“新药创制重大专项”，国家基础研究重大项目973，国家自然科学基金（杰青、创新群体、重点（国际）合作和面上项目等），上海市科委重点、重点科技攻关及优秀学科带头人等国家及上海市纵向科研项目多项。和国内外著名制药企业合作研究，发现和评价新型镇静催眠药物。

图2 记录电极及啮齿类动物睡眠-觉醒时相示意图。

(a) 记录电极示意图，EEG为脑电，EMG为肌电。(b) (i)为wake，觉醒状态；

(ii) NREM睡眠，非快动眼睡眠；(iii) REM睡眠，快动眼睡眠。

        在基础研究方面，我们首次报道了组胺H₁受体控制睡眠向觉醒的时相转换；发现五种内源性物质和药物能调控组胺能神经元活性，调节睡眠或觉醒行为；纠正睡眠界关于咖啡因促觉醒由腺苷A₁受体介导的观点，确立A_2A是关键受体。研究论文发表在Nat Neurosci、PNAS、J Neurosci等国际杂志，累计IF超过310。研究结果发表后，应邀在Trends Neurosci, Curr Opin Neurobiol, Curr Opin Pharmacol 和Prog Neurobiol 等国际有影响力杂志上发表综述文章，介绍课题组研究进展。利用睡眠觉醒记录和解析平台，筛选数百个候选药物，发现数个天然物中提取的单品有生理性睡眠诱发作用。

图3 睡眠觉醒自动解析平台实景图

(a)平台外观实景图；(b)动物记录笼实景图，箭头所示为记录系统的各个关键部件；

(c)记录电脑实景，可实现视频与脑波的同步记录；(d)转接盒与放大滤波器

       睡眠医学涉及神经科学、生物物理学、心理学、生理学、药理学、临床睡眠医学、航天医学、预防医学、IT 等众多领域。在我国，睡眠疾病控制在疾病防治中的重要作用尚未获得充分重视。课题组正与复旦大学附属中山医院和华山医院等临床单位合作，针对临床问题开展基础研究，探索失眠等睡眠障碍的机制。期待研究结果能为揭示睡眠之谜提供重要科学证据，通过睡眠神经环路功能重塑和新药开发，为治疗失眠症提供新策略，为人类睡眠健康尽力。

图4 睡眠行为学研究团队部分成员合照