大腦與行為的研究之自由活動馬匹研究中的數(shù)據(jù)整合
腦電圖 (EEG) 是評估腦電波活動的理想診斷工具。這些數(shù)據(jù)可以評估腦功能障礙，或研究睡眠的不同階段。對于人類來說，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，因為記錄的質(zhì)量取決于細微的運動或肌肉活動。
腦電圖記錄在動物模型中也很有價值，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，需要對動物進行剃毛和固定（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，這種方法并不實用，尤其是在使用大型動物（例如馬）進行臨床研究時。
材料與方法
Hugo Cousillas和他的同事希望以一種更適合獸醫(yī)學和動物福利研究的方式，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。目標是打造一套易于使用、可根據(jù)馬匹個體進行調(diào)節(jié)，并且不會像普通籠頭那樣對馬施加更多束縛的系統(tǒng)。
因此，他們研發(fā)了一種耳機（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，研究人員可以從馬匹的兩個半球（每側(cè)兩個電極）獲取記錄，從而獲取大腦枕葉和額葉之間差異活動的數(shù)據(jù)。
Hugo Cousillas和他的同事希望以一種更適合獸醫(yī)學和動物福利研究的方式，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。目標是打造一套易于使用、可根據(jù)馬匹個體進行調(diào)節(jié)，并且不會像普通籠頭那樣對馬施加更多束縛的系統(tǒng)。
因此，他們研發(fā)了一種耳機（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，研究人員可以從馬匹的兩個半球（每側(cè)兩個電極）獲取記錄，從而獲取大腦枕葉和額葉之間差異活動的數(shù)據(jù)。
圖1.(A)腦電圖 (EEG) 耳機，一條由大橡皮筋制成的項鏈，戴在馬頭上；(B) EEG 耳機示意圖；(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兩次，每次15分鐘，分別在馬廄中站立和休息。有觀點認為，馬的頭部有很多肌肉，所以可能會容易干擾信號。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，研究人員使用諾達思的多視頻錄制軟件(Media Recorder)同時錄制多個視頻，然后將這些視頻導入行為觀察記錄分析系統(tǒng)(The Observer XT)，對感興趣的行為進行評分，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)一個數(shù)據(jù)流中發(fā)生的情況來選擇另一個數(shù)據(jù)流的時間段。在本研究中，分析的是馬匹放松站立時的腦電圖數(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兩次，每次15分鐘，分別在馬廄中站立和休息。有觀點認為，馬的頭部有很多肌肉，所以可能會容易干擾信號。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，研究人員使用諾達思的多視頻錄制軟件(Media Recorder)同時錄制多個視頻，然后將這些視頻導入行為觀察記錄分析系統(tǒng)(The Observer XT)，對感興趣的行為進行評分，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)一個數(shù)據(jù)流中發(fā)生的情況來選擇另一個數(shù)據(jù)流的時間段。在本研究中，分析的是馬匹放松站立時的腦電圖數(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) 這些記錄的每個波范圍的表示
研究人員指出，佩戴這款腦電圖耳機后，所有馬匹都出現(xiàn)了α波，而在其他研究中，馬匹有時無法呈現(xiàn)這些波。在本研究中，馬匹因為處于熟悉的環(huán)境中并允許自由活動所以感到很放松，沒有受到耳機的干擾。研究人員認為，焦慮的馬匹可能會增加皮質(zhì)喚醒，導致α波頻率下降。所以，本研究中設計的腦電圖耳機能夠允許馬匹在熟悉的環(huán)境中自由活動，有助于推動對馬匹大腦處理機制的認識。
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隨著動物是否關(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后，所有馬匹都出現(xiàn)了α波，而在其他研究中，馬匹有時無法呈現(xiàn)這些波。在本研究中，馬匹因為處于熟悉的環(huán)境中并允許自由活動所以感到很放松，沒有受到耳機的干擾。研究人員認為，焦慮的馬匹可能會增加皮質(zhì)喚醒，導致α波頻率下降。所以，本研究中設計的腦電圖耳機能夠允許馬匹在熟悉的環(huán)境中自由活動，有助于推動對馬匹大腦處理機制的認識。
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隨著動物是否關(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)境變化導致的注意力過程的變化。
圖3. 在兩個不同的記錄日，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，有助于在真實環(huán)境下對馬匹個體行為和認知的研究，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，有助于在真實環(huán)境下對馬匹個體行為和認知的研究，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
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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