大腦與行為的研究之自由活動(dòng)馬匹研究中的數(shù)據(jù)整合
腦電圖 (EEG) 是評(píng)估腦電波活動(dòng)的理想診斷工具。這些數(shù)據(jù)可以評(píng)估腦功能障礙，或研究睡眠的不同階段。對(duì)于人類來說，收集腦電圖數(shù)據(jù)只需將電極放置在頭皮上即可；最難的部分是讓受試者靜坐，因?yàn)橛涗浀馁|(zhì)量取決于細(xì)微的運(yùn)動(dòng)或肌肉活動(dòng)。
腦電圖記錄在動(dòng)物模型中也很有價(jià)值，可用于研究腦部疾病、腦損傷、睡眠、麻醉的影響、癲癇等。但是，收集可靠的記錄非常困難。通常來講，需要對(duì)動(dòng)物進(jìn)行剃毛和固定（鎮(zhèn)靜），甚至在某些情況下需要手術(shù)和植入。由于多種原因，這種方法并不實(shí)用，尤其是在使用大型動(dòng)物（例如馬）進(jìn)行臨床研究時(shí)。
材料與方法
Hugo Cousillas和他的同事希望以一種更適合獸醫(yī)學(xué)和動(dòng)物福利研究的方式，更輕松地獲取可靠的馬匹腦電圖數(shù)據(jù)。他們著手研發(fā)一套系統(tǒng)，使其能夠在馬匹的居家環(huán)境（馬廄）中自由活動(dòng)。目標(biāo)是打造一套易于使用、可根據(jù)馬匹個(gè)體進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且不會(huì)像普通籠頭那樣對(duì)馬施加更多束縛的系統(tǒng)。
因此，他們研發(fā)了一種耳機(jī)（如圖1A所示），可以讓電極與馬頭保持良好而穩(wěn)定的接觸。通過這款耳機(jī)，研究人員可以從馬匹的兩個(gè)半球（每側(cè)兩個(gè)電極）獲取記錄，從而獲取大腦枕葉和額葉之間差異活動(dòng)的數(shù)據(jù)。
Hugo Cousillas和他的同事希望以一種更適合獸醫(yī)學(xué)和動(dòng)物福利研究的方式，更輕松地獲取可靠的馬匹腦電圖數(shù)據(jù)。他們著手研發(fā)一套系統(tǒng)，使其能夠在馬匹的居家環(huán)境（馬廄）中自由活動(dòng)。目標(biāo)是打造一套易于使用、可根據(jù)馬匹個(gè)體進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且不會(huì)像普通籠頭那樣對(duì)馬施加更多束縛的系統(tǒng)。
因此，他們研發(fā)了一種耳機(jī)（如圖1A所示），可以讓電極與馬頭保持良好而穩(wěn)定的接觸。通過這款耳機(jī)，研究人員可以從馬匹的兩個(gè)半球（每側(cè)兩個(gè)電極）獲取記錄，從而獲取大腦枕葉和額葉之間差異活動(dòng)的數(shù)據(jù)。
圖1.(A)腦電圖 (EEG) 耳機(jī)，一條由大橡皮筋制成的項(xiàng)鏈，戴在馬頭上；(B) EEG 耳機(jī)示意圖；(C) 直徑 10 毫米的電極 用彈簧安裝在一根管子上，與人類使用的電極類似；(D) 電極的位置，RO，右枕骨；RF，右額骨；LO，左枕骨；LF，左額骨；G，身體接地；(E) 電極位置、解剖標(biāo)志和測量值顯示在位于額骨正下方的馬腦示意圖上
五匹7-9歲的馬每天佩戴耳機(jī)兩次，每次15分鐘，分別在馬廄中站立和休息。有觀點(diǎn)認(rèn)為，馬的頭部有很多肌肉，所以可能會(huì)容易干擾信號(hào)。但研究者的測試證明，能夠捕捉到α、β和γ波，數(shù)據(jù)似乎與之前的研究一致。
復(fù)雜的數(shù)據(jù)，需要更多信息才能完全理解。為了監(jiān)測馬的行為，研究人員使用諾達(dá)思的多視頻錄制軟件(Media Recorder)同時(shí)錄制多個(gè)視頻，然后將這些視頻導(dǎo)入行為觀察記錄分析系統(tǒng)(The Observer XT)，對(duì)感興趣的行為進(jìn)行評(píng)分，并將行為數(shù)據(jù)與腦電圖數(shù)據(jù)同步。
同步數(shù)據(jù)的優(yōu)勢在于，您可以根據(jù)一個(gè)數(shù)據(jù)流中發(fā)生的情況來選擇另一個(gè)數(shù)據(jù)流的時(shí)間段。在本研究中，分析的是馬匹放松站立時(shí)的腦電圖數(shù)據(jù)。在此期間，所有馬匹的腦電圖數(shù)據(jù)在兩個(gè)半球之間均未表現(xiàn)出差異，并且兩天的數(shù)據(jù)收集之間也沒有差異。這說明電極兩次放置位置都是精確的。
結(jié)果
數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，本研究獲得的腦電圖記錄與其他方法獲得的腦電圖相似（圖2）。所有馬匹的腦電圖均相似，馬匹呈現(xiàn)安靜清醒狀態(tài)，與先前使用外部或植入電極的研究中的腦電圖結(jié)果一致。
五匹7-9歲的馬每天佩戴耳機(jī)兩次，每次15分鐘，分別在馬廄中站立和休息。有觀點(diǎn)認(rèn)為，馬的頭部有很多肌肉，所以可能會(huì)容易干擾信號(hào)。但研究者的測試證明，能夠捕捉到α、β和γ波，數(shù)據(jù)似乎與之前的研究一致。
復(fù)雜的數(shù)據(jù)，需要更多信息才能完全理解。為了監(jiān)測馬的行為，研究人員使用諾達(dá)思的多視頻錄制軟件(Media Recorder)同時(shí)錄制多個(gè)視頻，然后將這些視頻導(dǎo)入行為觀察記錄分析系統(tǒng)(The Observer XT)，對(duì)感興趣的行為進(jìn)行評(píng)分，并將行為數(shù)據(jù)與腦電圖數(shù)據(jù)同步。
同步數(shù)據(jù)的優(yōu)勢在于，您可以根據(jù)一個(gè)數(shù)據(jù)流中發(fā)生的情況來選擇另一個(gè)數(shù)據(jù)流的時(shí)間段。在本研究中，分析的是馬匹放松站立時(shí)的腦電圖數(shù)據(jù)。在此期間，所有馬匹的腦電圖數(shù)據(jù)在兩個(gè)半球之間均未表現(xiàn)出差異，并且兩天的數(shù)據(jù)收集之間也沒有差異。這說明電極兩次放置位置都是精確的。
結(jié)果
數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，本研究獲得的腦電圖記錄與其他方法獲得的腦電圖相似（圖2）。所有馬匹的腦電圖均相似，馬匹呈現(xiàn)安靜清醒狀態(tài)，與先前使用外部或植入電極的研究中的腦電圖結(jié)果一致。
圖2.(A) 在一匹放松站立的馬身上獲得的 10 秒腦電圖 (EEG) 記錄的示例；(B) 這些記錄的每個(gè)波范圍的表示
研究人員指出，佩戴這款腦電圖耳機(jī)后，所有馬匹都出現(xiàn)了α波，而在其他研究中，馬匹有時(shí)無法呈現(xiàn)這些波。在本研究中，馬匹因?yàn)樘幱谑煜さ沫h(huán)境中并允許自由活動(dòng)所以感到很放松，沒有受到耳機(jī)的干擾。研究人員認(rèn)為，焦慮的馬匹可能會(huì)增加皮質(zhì)喚醒，導(dǎo)致α波頻率下降。所以，本研究中設(shè)計(jì)的腦電圖耳機(jī)能夠允許馬匹在熟悉的環(huán)境中自由活動(dòng)，有助于推動(dòng)對(duì)馬匹大腦處理機(jī)制的認(rèn)識(shí)。
在三種波中，β波更為穩(wěn)定。馬匹處于清醒、安靜和環(huán)顧四周的狀態(tài)，這意味著它們的注意力可能會(huì)隨著動(dòng)物是否關(guān)注周圍發(fā)生的事情而變化（圖3）。β波是清醒狀態(tài)的特征，而γ波則與更高意識(shí)狀態(tài)有關(guān)，α波則與安靜清醒狀態(tài)有關(guān)。α波和γ波的較高變異性可能反映了環(huán)境變化導(dǎo)致的注意力過程的變化。
研究人員指出，佩戴這款腦電圖耳機(jī)后，所有馬匹都出現(xiàn)了α波，而在其他研究中，馬匹有時(shí)無法呈現(xiàn)這些波。在本研究中，馬匹因?yàn)樘幱谑煜さ沫h(huán)境中并允許自由活動(dòng)所以感到很放松，沒有受到耳機(jī)的干擾。研究人員認(rèn)為，焦慮的馬匹可能會(huì)增加皮質(zhì)喚醒，導(dǎo)致α波頻率下降。所以，本研究中設(shè)計(jì)的腦電圖耳機(jī)能夠允許馬匹在熟悉的環(huán)境中自由活動(dòng)，有助于推動(dòng)對(duì)馬匹大腦處理機(jī)制的認(rèn)識(shí)。
在三種波中，β波更為穩(wěn)定。馬匹處于清醒、安靜和環(huán)顧四周的狀態(tài)，這意味著它們的注意力可能會(huì)隨著動(dòng)物是否關(guān)注周圍發(fā)生的事情而變化（圖3）。β波是清醒狀態(tài)的特征，而γ波則與更高意識(shí)狀態(tài)有關(guān)，α波則與安靜清醒狀態(tài)有關(guān)。α波和γ波的較高變異性可能反映了環(huán)境變化導(dǎo)致的注意力過程的變化。
圖3. 在兩個(gè)不同的記錄日，五匹放松站立的馬記錄到的α、β和γ波功率譜比例
總結(jié)
研究人員在自由活動(dòng)的馬匹身上獲取更優(yōu)質(zhì)的腦電圖數(shù)據(jù)方面無疑取得了良好的開端。首次試用這款腦電圖耳機(jī)，有助于在真實(shí)環(huán)境下對(duì)馬匹個(gè)體行為和認(rèn)知的研究，在數(shù)據(jù)集成環(huán)境中效果顯著，可能是未來更多研究的有力工具。
研究人員在自由活動(dòng)的馬匹身上獲取更優(yōu)質(zhì)的腦電圖數(shù)據(jù)方面無疑取得了良好的開端。首次試用這款腦電圖耳機(jī)，有助于在真實(shí)環(huán)境下對(duì)馬匹個(gè)體行為和認(rèn)知的研究，在數(shù)據(jù)集成環(huán)境中效果顯著，可能是未來更多研究的有力工具。
參考文獻(xiàn)
Cousillas, H.; Oger, M.; Rochais, C.; Pettoello, C.; Ménoret, M.; Henry, S.; Hausberger, M. (2017). An ambulatory electroencephalography system for freely moving horses: an innovating approach. Frontiers in Veterinary Science, 4, 57.
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Cousillas, H.; Oger, M.; Rochais, C.; Pettoello, C.; Ménoret, M.; Henry, S.; Hausberger, M. (2017). An ambulatory electroencephalography system for freely moving horses: an innovating approach. Frontiers in Veterinary Science, 4, 57.
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