癫痫动物模型建立与脑电采集系统实现

癫痫动物模型建立与脑电采集系统实现1

刘旋，郭亮，雷洋，高小榕

清华大学, 北京（100084）

E-mail：gxr-dea@

摘要：本文建立了一个癫痫动物脑电采集系统：以氯化锂－匹罗卡品法制备慢性颞叶癫痫大鼠模型，其发作频率可达10－20次/周；为实验大鼠植入骨钉式电极以提取大鼠硬膜脑电信号；自主开发的大鼠脑电记录系统，能够长时间连续记录自由活动的癫痫大鼠的8导脑电信号；配合视频监视系统同步监视大鼠行为并用于大鼠癫痫发作时刻的确定。该实验平台为开展动物脑电研究提供了一种可借鉴的解决方案。

关键词：颞叶癫痫大鼠模型；电极植入手术；脑电记录系统；视频监视系统。

1. 引言

癫痫是一种常见多发的慢性脑部疾病，以脑部神经元过度放电所致的突然出现反复和短暂的中枢神经系统功能失常为特征。形成癫痫的原因多种多样，病理表现也各不相同。脑电图上的痫性发放和临床发作是癫痫的两个主要特征。痫性发放是局部神经元异常同步化活动在脑电图上的表现。作为大脑神经元活动的一种客观反映，目前通过脑电图检查发现痫样放电，仍是癫痫病诊断和癫痫灶定位的主要客观依据。

由于受条件的限制，人体癫痫脑电数据的样本收集比较困难，而且数据易受外界环境和患者运动的干扰，一些实验在道义和方法上也受到种种制约。如果能够先在实验室建立癫痫动物模型，通过对它进行实验并采集到大量样本，以验证现有算法的正确性，再进一步转向人体数据，就能克服这些不足，缩减科研工作的周期。

鉴于大鼠是医学研究中最常用的一种实验动物，并且国内外已有几种可供选择的慢性癫痫模型，因此我们选择成年Wistar大鼠为实验对象，完成慢性颞叶癫痫模型的制备和数据的采集。

2. 癫痫大鼠模型的制备

选择氯化锂－匹罗卡品方法[1]制备慢性颞叶癫痫大鼠模型。取健康Wistar大鼠7只，5只作为模型制备组，2只作为正常对照组。对模型制备组首日腹腔注射氯化锂（3mmol/kg 体重），次日（24小时后）每隔30min反复腹腔注射匹鲁卡品（20mg/kg体重）。若注射3次内大鼠出现癫痫持续状态（达到5级，并且能够持续1小时以上），则终止注射匹鲁卡品；若注射3次内大鼠没有出现癫痫持续发作状态，则继续腹腔注射匹鲁卡品，剂量减到10mg/kg 体重，每隔15min注射一次，直至出现癫痫持续状态，停止注射。待癫痫持续状态出现60min 以上，腹腔注射安定（10mg/kg体重），终止癫痫发作，若注射一次安定不能终止，则每隔10min注射第一次剂量的15%～25%，直至发作基本终止。

模型制备组的5只大鼠在腹腔注射匹鲁卡品后，出现不同程度的活动减少、震颤、点头、搔抓、“洗脸样活动”、面部抽搐、单肢阵挛、湿狗样抖动和平衡失调，肢体强直阵挛伴有

1教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（No. 20020003031）。

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站立及前肢阵挛，进一步发展到5级，全身强直阵挛发作伴有站立、跌倒，呈癫痫持续状态。注射后第5天，死亡一只，其余四只成活。检查监视录像显示，四只大鼠在注射匹罗卡品2周后均出现一周3次以上5级发作，2号和4号鼠甚至可以达到每天发作2～3次，证实了模型制备成功。对制备成功的慢性颞叶癫痫大鼠独立饲养，以免由于发作或脾气暴躁而造成相互伤害。

3. 电极的植入

对慢性颞叶癫痫模型制备成功的大鼠进行电极植入手术。手术前通过对大鼠腹腔注射盐酸氯胺酮注射液（0.2ml/100g）实行麻醉，大鼠很快进入麻醉状态。并通过腹腔注射0.1ml 阿托品，以减少实验过程中的分泌物。

电极植入手术过程[2]包括：将麻醉后的大鼠头部固定在立体定位仪上，剪去其头颈部的毛，露出皮肤，用酒精消毒。在头部皮肤上剪出一个头尾方向的5cm的口，去除颅骨外硬性组织，露出颅骨表面。用大鼠立体定位仪定位前囱点，并在此基础上得到12个电极的位置。用大鼠立体定位仪定位后囱点，并在此基础上得到参考电极和接地电极的位置。在以上十四个位置用小钻各钻一个约0.5mm深的小洞。将用做电极的螺丝钉拧入钻好的小孔，螺丝钉头部通过漆包信号线连接至大鼠头部的电极接口。用牙科水泥（自凝牙托粉和牙托水混合调制而成）把漆包线和电极接口固定在颅骨上，形成近似立方体的“电极帽”。

最后，给大鼠腹腔注射青霉素1ml（80万单位粉状青霉素用5ml生理盐水溶解），以防止大鼠术后感染。约一周后大鼠可恢复。

4. 脑电记录系统

脑电记录系统包括脑电模拟信号放大采集，模数转换，单片机通信控制系统以及计算机端的数据

显示和存盘。硬件框图如

图 1所示。

图 1 脑电记录系统硬件框图

4.1 脑电模拟信号放大采集部分

脑电模拟信号放大采集部分主要实现的功能是采集原始脑电并将其放大若干倍以达到模数转换芯片正常所能接受的范围。这一部分电路性能要求比较高[3]。由于脑电本身幅度很小，而诸如工频和电磁辐射之类的干扰往往比信号强几十倍甚至几百倍。因此相对于一般的生理电信号放大器来说，脑电放大器需要比较高的放大倍数，至少是几百倍或上千倍。前置级需要很高的共模抑制比来抑制50Hz的工频干扰，除此以外还要用陷波滤波器来去除它。由于放大倍数很大，对于低频漂移，即使其值很小也有可能导致放大器的饱和从而丢掉有用

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的信息。考虑到感兴趣的脑电频率成分主要集中在100Hz以内，我们采用高通和低通滤波来抑制其它频段的噪声和干扰。其中一个通道的电路结构如图 3所示。

图 2 脑电模拟信号放大采集部分电路结构

前置放大环节采用AD公司的AD620芯片，这一芯片具有低功耗，宽电压供电（正负2.3V到18V供电均可），共模抑制比高（100dB以上）等特点。在前置放大级里同时加入了隔直高通滤波环节，采用的是简单的阻容滤波。这个高通滤波器的转折频率很低，主要用于滤除直流分量，以保证信号经其后的主放大器时不会造成饱和。

信号的主放大环节[3][4]采用AD公司的OP470运算放大器，它具有低噪声、高增益、高共模抑制比的特点，主放大环节包括一阶低通滤波、正向放大、工频陷波以及二阶低通滤波。一阶低通滤波由一阶低通无源滤波与电压跟随串级构成，上限截止频率为159Hz；正向放大增益为21倍并带有隔直高通滤波环节，下限截止频率为0.16Hz；工频陷波为双T有源带阻滤波电路，中心频率50.33Hz，品质因数Q为0.9；二阶低通滤波器采用无限增益多路反馈二阶低通滤波电路，上限截止频率65.5Hz，通带增益为-2~-2.9倍。

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