摘要：开发睡眠障碍药物最广泛使用的动物模型是啮齿动物，特别是大鼠和小鼠。然而，与人类不同，啮齿动物是夜间活动。因此，白天活动的非人灵长类动物是研究睡眠的一种有价值且更具转化性的动物模型。尽管已经在非人类灵长类动物中筛查了睡眠障碍药物，但遥测系统的使用对于快速药物功效评估系统并不是理想的方法，因为需要昂贵的设备，复杂的手术以及通过检查分析需要很长时间才能得出结果 。传统上，运动活动被用作药物、基因和疾病模型影响的指标。Nano-Tag是一种新的分析植入术后活动的装置，它在不需要昂贵设备和数据处理检查的情况下测量运动活动，总体成本远低于遥测系统。在这项研究中，我们比较了多导睡眠图及前额皮下植入 Nano-Tag和服用睡眠障碍药物的植入猴遥测发射器的运动活动数据来 确认是否可以使用Nano标签测量睡眠-唤醒状态。当我们比较使用多导睡眠图测量的单位时间清醒时间和使用Nano标签测量的单位时间运动活动计数的变化时，食蟹猴表现出昼夜偏好，且在24小时内相关系数为正。另外，当给予嗜睡治疗药物莫达非尼时，在夜晚的12小时内相关系数为正。当服用失眠治疗药物三唑仑时，在12小时光照期间的相关系数也为正。这些结果表明，测量运动能力是一种有效的工具，可用于识别睡眠-觉醒状态和筛选低成本、低负担的睡眠障碍药物的有效工具。

关键词：神经科学  生理  动物学  动物生理学 动物行为 食蟹猴 遥测 

简介：睡眠障碍的病因和发病机制非常复杂，治疗方法各不相同，但治疗药物是必不可少的。药物，包括莫达非尼或哌醋甲酯，用于治疗嗜睡。失眠治疗药物通常被称为睡眠诱导剂或简单的睡眠药物；这些药物包括影响GABAA受体的药物，如巴比妥、三唑仑和唑吡坦。褪黑素受体，如ramelteon。据报道，睡眠障碍治疗药物的副作用包括肌肉松弛作用，记忆缺陷，成瘾性和抵抗力。 随着开处方睡眠障碍治疗药物的频率增加，迫切需要开发适用于长期的安全药物。

模型系统的实验对于开发新药和理解睡眠机制至关重要。 斑马鱼，小鼠，大鼠，猫，狗和猴等各种动物被用于开发睡眠障碍治疗药物。其中最常用的实验动物是小鼠和大鼠，它们是啮齿动物，是多相睡眠动物，即它们是夜间活动的，每天睡眠几次。因此，小鼠和大鼠与人类不同，人类具有单相睡眠模式且白天活动。猴每天也睡好几次，但它们也是白天活动的动物，与其他实验动物相比，它们的睡眠模式与人类最相似。在进行药物代谢酶活性因动物种类不同而不同的睡眠实验时，特别是在对成瘾性进行分析时，必须充分考虑试验动物模型。因此，作为灵长类动物的猴将是一种适合于睡眠相关实验的动物模型。可以使用多导睡眠图来识别醒觉醒和睡眠的不同类型和阶段，多导睡眠图可同时使用脑电图（EEG），肌电图（EMG）和眼电图（EOG）测量多种身体功能。非人类灵长类动物的多导睡眠图数据已经用遥测植入系统记录下来了。虽然遥测是一种远程系统，能够电子捕获自由移动的动物体内的生物信号，从而减少压力及减少睡眠特征改变，但遥测涉及复杂的手术。睡眠结构遵循快速眼动（REM）和非快速眼动（NREM）的交替周期，在实验室通过记录人类和模型动物中大量神经元和肌肉细胞的电场活动来定义。相比之下，一种可植入的运动活动测量装置，如Nano-Tag，因为它很小（直径17.9mm，重量2.5g），可以通过相对容易的手术植入皮下。它不需要昂贵的设备，可以使用随附的软件处理数据，并且总成本远低于遥测技术。

在这项研究中，为了确认是否可以测量睡眠和觉醒状态，以及是否可以使用活动性测量来开发睡眠障碍药物筛选系统，我们从遥测发射器和植入食蟹猴中的Nano-Tag获得测量值，比较从多导睡眠图获得的数据和服用代表性嗜睡和失眠治疗药物后的运动活动数据。

动物：食蟹猴（雄性，3-4岁，体重3.0-5.0公斤），单笼饲养，允许自由采食和饮水。环境温度 24 ± 3 °C，湿度55 ± 25%，12h光暗循环（光照时间段：7:00–19:00 h）。

手术：根据我们先前的报告，一个由三通道生物电位装置组成的遥测传输器被植入到每个受试者的腹腔内，用于测量脑电图、脑电图和肌电信号。将一个参考电极和两个脑电图电极固定至颅骨，并在眶弓骨水平放置两个EOG电极。在遥测发射器植入手术后至少2周，将Nano-Tag植入一只猴的额头，背部，胸部，腹部和右上臂。用5 mg / kg氯胺酮和0.02 mg / kg美托咪定麻醉猴。 切开皮肤，在每个位置皮下植入Nano-Tag，并用缝合线缝合皮肤。手术后，给猴服用止痛药（盐酸丁丙诺啡）和抗炎药（泼尼松龙）和抗生素（青霉素G钾）。

图1、用于测量食蟹猴运动活性的脑电电极和Nano-Tag的植入位置。

遥测发射器和Nano-Tag数据收集

猴被转移到单独的监视笼中。EEG、EOG和EMG信号通过接收器和Dataquest ART软件采集。使用FeliCa读取器，将Nano-Tag存储的运动活动数据转移到Nano-Tag / Viewer程序中，该程序位于植入物1 cm以内。使用红外摄像头记录行为。

关于睡眠-觉醒状态的遥测系统数据分析

使用SleepSign软件分析了遥测系统记录的数据。 唤醒状态的持续时间被分为1小时的增量。在30-s的时间段内，猴的警戒状态被确定，并被确定为三种不同的状态：觉醒、NREM睡眠和REM睡眠。觉醒的特征是低振幅、高频率的EEG活动伴随着高振幅的EOG和EMG活动。在睡眠状态下，脑电波活动的脑电图记录显示NREM睡眠的特征是非常缓慢但相对较高的振幅或高压振荡（随着睡眠的加深，频率逐渐减慢，振幅逐渐增大），而REM睡眠具有更快和更低的振幅轨迹，类似于正常的清醒活动。肌电图对骨骼肌活动的跟踪显示，尽管在快速眼动睡眠期间身体有效地处于静止状态，但在快速眼动睡眠期间身体确实做出了有限的运动。EOG显示NREM睡眠时很少或没有眼球运动，REM睡眠时眼球运动迅速。

图2.食蟹猴的觉醒和睡眠阶段记录。

使用Nano-Tag系统测量运动活动

使用Nano-Tag系统将运动活性作为交叉计数数据进行测量。 首先，由Nano-Tag 3轴加速度计测量的X，Y和Z值生成3轴复合波。 对于每个记录间隔，将超过3轴复合波阈值的力矩记录为运动活动。阈值设置为100。随后，我们使用Nano-Tag/Viewer程序获得了运动活动的测量值。活性计数按1h递增。

药物：使用的药物是莫达非尼和三唑仑。每种药物混悬在0.5%（w/v）甲基纤维素中。在黑暗期之前（18:30），将莫达非尼或溶媒通过鼻饲管给药。 在光照后3小时（在10:00时），三唑仑或溶媒通过鼻饲管给药。每只动物在每个实验日只接受一次单一剂量的药物/溶媒。每种药物或溶媒至少间隔7天给药。

结论：Nano-Tag 手术效果及合适的植入部位

为了评估皮下植入手术的效果（n=2），在手术日（第0天）到手术后6天（第6天）及手术后14天的黑暗时间内连续收集Nano-Tag测量值。在先前的一项研究中，将Nano-Tag植入食蟹猴背部皮下后，连续14天观察手术的影响。结果显示，术后3～14天（0天）运动活动无明显变化。我们在12小时黑暗期的数据显示，在Nano-Tag植入前额后的第3天到第6天之间，有相似的运动活动计数。

为了检查最适合植入Nano-Tag的位置（n = 1），在遥测系统的手术植入后，将Nano-Tag皮下植入猴的前额，背部，胸部，腹部和右上臂。我们在手术后第16天收集数据，并检查了用遥测多导睡眠图测量的清醒时间变化与用Nano-Tag测量的运动活动计数之间的相关性。虽然从19:00到第二天19:00（24小时持续时间）所有5个部位（前额：r=0.898，背部：r=0.883，胸部：r=0.874，腹部：r=0.828，右上臂：r=0.885）的相关系数都很高，但前额的相关系数最高。

用多导睡眠图测量的单位时间清醒时间与用Nano标记测量的单位时间运动活动计数之间的相关性：

在初步研究的基础上，我们统计分析了用多导睡眠图测量的单位时间清醒时间与用Nano-Tag在术后9天测量的单位时间运动活动计数之间的相关性（n=3）。从19:00到第二天19:00，在多导睡眠图测量的24小时内计算每单位时间的清醒时间。结果与用Nano-Tag测量的单位时间内运动活动的观察结果非常相似。证实了食蟹猴的日偏好。睡眠-觉醒状态模式证实，猴在12小时的光照期间主要是清醒的，在光照的后半段会小睡。动物在黑暗期开始时很快就睡着了。睡眠在12小时黑暗期占主导地位，在关灯后1-6小时睡眠逐渐减少，在关灯后6-12小时睡眠逐渐增加。在12小时光照期间检测到攻击性活动，在光照后5小时达到峰值。尽管在打开灯后6–12 h处逐渐减小，但在打开灯后9 h仍检测到第二个峰值。在12小时的黑暗期中观察到少量的运动活动。24小时相关系数为0.950。 然而，在黑暗周期过渡到光照周期之前，使用多导睡眠图测量的每单位时间的清醒时间增加了，而使用Nano-Tag测量的每单位时间的运动活动计数却减少了。基于视频的观察显示，在从黑暗期过渡到光照期之前，几乎没有运动活动。

图3.食蟹猴（n = 3）一天中的每小时清醒时间和运动活动计数。

服用睡眠障碍治疗药物时清醒时间和活动计数的比较：

通过对食蟹猴（n=3）使用经证实有效的睡眠障碍治疗药物进行研究。我们比较了在服用高浓度治疗药物莫达非尼后使用多导睡眠描记术测量的单位时间清醒时间和使用纳米标签测量的单位时间运动活动计数的变化。在12 mg/kg组中，黑暗期前半段的觉醒与溶媒组相对相似，表明睡眠状态占主导地位。在关灯后6-9 h，清醒度有增加的趋势，然后在关灯后10-12小时逐渐下降。在36 mg / kg莫达非尼治疗的组中，与溶媒组相比，清醒度显著提高，并且在12小时的黑暗期中清醒的优势仍然存在。利用遥测数据观察到每组的运动活动有相似的模式。各组在12小时黑暗期的相关系数均为正相关，溶媒组、12 mg/kg组和36 mg/kg组的相关系数分别为0.937、0.953和0.663。

图4.在黑暗期，注射莫达非尼的食蟹猴（n = 3）的每小时清醒时间（A）和运动活动计数（B）。

我们比较了在服用三唑仑后使用多导睡眠描记术测量的单位时间清醒时间和使用纳米标签测量的单位时间运动活动计数的变化。证实，在12小时的光照期间，觉醒占主导地位。

图5.在光照期间，注射三唑仑的食蟹猴（n = 3）的每小时清醒时间（A）和运动能力计数（B）。

结论：通过测量运动活性，Nano-Tag是一种识别睡眠-觉醒状态和筛选睡眠障碍药物的有效工具，其成本较低且对动物受试者的负担较小。

原文出自：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405844020303698