Farelerde Uyku Ölçüm Basım Kayıt Prosedürü
Summary
The recording of electroencephalogram (EEG) and electromyogram (EMG) in freely behaving mice is a critical step to correlate behavior and physiology with sleep and wakefulness. The experimental protocol described herein provides a cable-based system for acquiring EEG and EMG recordings in mice.
Abstract
Recording of the epidural electroencephalogram (EEG) and electromyogram (EMG) in small animals, like mice and rats, has been pivotal to study the homeodynamics and circuitry of sleep-wake regulation. In many laboratories, a cable-based sleep recording system is used to monitor the EEG and EMG in freely behaving mice in combination with computer software for automatic scoring of the vigilance states on the basis of power spectrum analysis of EEG data. A description of this system is detailed herein. Steel screws are implanted over the frontal cortical area and the parietal area of 1 hemisphere for monitoring EEG signals. In addition, EMG activity is monitored by the bilateral placement of wires in both neck muscles. Non-rapid eye movement (Non-REM; NREM) sleep is characterized by large, slow brain waves with delta activity below 4 Hz in the EEG, whereas a shift from low-frequency delta activity to a rapid low-voltage EEG in the theta range between 6 and 10 Hz can be observed at the transition from NREM to REM sleep. By contrast, wakefulness is identified by low- to moderate-voltage brain waves in the EEG trace and significant EMG activity.
Introduction
Teknik gelişmeler sık sık nörobiyolojik süreçler anlayış atılımlar çöktürülmüş var. Örneğin, insan derisi kaydedilen elektrik potansiyelleri sinüs dalgalarının şeklini aldı 1929 yılında Hans Berger keşif, sıklığı, doğrudan konunun uyanıklık düzeyi ile ilgilidir, uyku-uyanıklık anlayışı hızlı ilerlemelere yol açmıştır hem hayvanlarda ve insanlarda hem de düzenleme. 1 Bu gün electroencephlogram (EEG) için, elektromyogram (EMG), yani. ile birlikte, iskelet kasları tarafından üretilen elektriksel aktivite, neredeyse her deneysel ve klinik verileri "omurga" temsil insanlar dahil, hayvanlar davranıyor kortikal nöronların aktivitesi ile davranış ve fizyoloji ilişkilendirmek istiyor değerlendirmesi. En temel uyku araştırma laboratuvarlarında bu EEG kayıtları d edinilen burada bir kablo tabanlı sistemi (Şekil 1) kullanılarak gerçekleştirilenata desen ve spektrum analizi off-line tabi [örneğin., bir hızlı Fourier (FFT) algoritması dönüşümü uygulayarak] konunun uyanıklık durumu kaydediliyor belirlemek için. 2, 3 Uyku hızlı göz hareketi oluşur (REM) ve REM olmayan (NREM) uyku. REM uykusu hızlı bir düşük voltaj EEG, rastgele göz hareketi ve kas atonia, kaslar etkin bir felç olduğu bir devlet ile karakterizedir. Vücut beyinden ölçüde kesilir ve derin uykuda gibi görünüyor, oysa beyin aktivitesi, bu uyanıklık benzer, çünkü REM uykusunda da, paradoksal uyku olarak bilinir. Buna karşılık, motor nöronlar NREM uyku sırasında uyarılır ama hiçbir göz hareketi yoktur. EEG 4 Hz – İnsan NREM uykusu evre 4 derin uyku veya yavaş dalga uykusu denir ve 0.5 arasındaki delta aktivitesi ile Büyük, yavaş beyin dalgaları ile tanımlanır sayede 4 aşamada, ayrılabilir. Öte yandan, sıçanlar a gibi küçük hayvanlarda NREM uykusu fazlar arasında, bir alt bölümü,nd fareler, insanlarda görüldüğü gibi onlar uyku uzun konsolide dönemleri yok çünkü çoğunlukla kurulmamıştır.
Yıllar geçtikçe, ve EEG yorumuna dayanarak, uyku-uyanıklık düzenlemenin çeşitli modeller, devre ve humoral tabanlı hem de ileri sürülmüştür. Nöral ve uyku ya da alternatif olarak, gerek hücresel temeli "uyku sürücü" çözümsüz kalır, ama uyanık döneminde inşa eder ve uyku ile harcanmış bir homeostatik basıncı olarak kavramsallaştırma edilmiştir. Bir teoriye göre endojen somnogenic faktörler uyanıklık sırasında ve kademeli birikimi uyku homeostatik basınç destekleyen olduğunu birikir olmasıdır. Humoral faktörler tarafından düzenlenir uyku ilk resmi hipotez 1892 4 yayınlanan Rosenbaum'un çalışmaları alacak olsa da, bu Ishimori 5, 6 ve bağımsız pieron 7 oldu ve 100 yıl önce, uyku teşvik kimyasalların varlığını gösterdi. Her iki araştırmacılar hypnogenic maddeler veya 'hypnotoxins' uykusuz köpeklerin beyin omurilik sıvısı (BOS) mevcut olduğunu, önerilen ve gerçekten kanıtladı. 8 Geçtiğimiz yüzyılda uyku homeostatik süreçte rol birkaç ek varsayımsal hypnogenic maddeler tespit edilmiştir (inceleme için, ref. 9), prostaglandin (PG) D 2, 10, sitokinler, adenosin 11, 12 anandamid, 13 ve Ürotensin II peptidi de dahil olmak üzere. 14
Belli bir dereceye kadar uyku ve uyanıklık ve devre tabanlı teoriler ilham erken ve orta-20 yüzyılda üretilen bulgular Economo 15, 16, MORUZZI ve Magoun 17, ve diğerleri tarafından deneysel çalışmalar, daha sonra hakim hümoral teorisini gölgesinde uyku. Bugüne kadar, birkaç "Devre modeller" Her (inceleme için, ref. 18) nitelik ve nicelik değişen verilerle haberdar öne sürülmüştür. Bir modelÖrneğin, yavaş dalga uykusu bazal ön, bir alan esas olarak Broca diyagonal bant ve substantia inominata yatay bacağının çekirdeğinin consisiting kolinerjik nöronların asetilkolin salımının adenosin aracılı inhibisyonu yoluyla oluşturulur önermektedir. uyku / uyanıklık regülasyonu 19 başka popüler bir model hipotalamus ve beyin sapındaki ventrolateral preoptik alanda uyku uyaran nöronlar arasındaki karşılıklı etkileşim ve inhibitör uyandırma uyaran nöronlar temelinde bir flip-flop anahtar mekanizmasını anlatır. 18, 20, 21 Ayrıca, ve REM uykusu üzerinden geçiş için, benzer bir karşılıklı etkileşim önleyici beyin sapında alanlar için önerilmiştir, bu ventral periakuaduktal gri yanal tegmentumda ve sublaterodorsal çekirdektir. 22 Toplu olarak, bu modeller değerli olduğu kanıtlanmıştır heuristics ve uyku araştırma çalışmaları için tanınan önemli açıklayıcı çerçeveler; Bununla birlikte, bir yeuyku-uyanıklık döngüsünü düzenleyen moleküler mekanizmaları ve devrelerin t dolgun anlayışı bileşenlerinin daha eksiksiz bir bilgi gerektirir. Aşağıda ayrıntılı Basım kayıt için sistem bu hedefe yardımcı olmalıdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, düşük gürültü, düşük maliyetli ve yüksek verimli koşullarda uyku ve uyanıklık değerlendirilmesini sağlar EEG / EMG kayıtları için bir set-up açıklar. Nedeniyle EEG / EMG elektrot kafa grubunun küçük boyutu, bu sistem fare içine ilaçların optogenetics (fiber optik implantasyon) ya da, birlikte eş zamanlı kanül implantasyonu ile, mikroinfüzyon dahil içi beyin deneyleri için diğer implantlar ile kombine edilebilir İlave elektrik sinyalleri (örn., kontralateral EEG, e…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Dr. Larry D. Frye for editorial help with this manuscript. This work was supported by Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research 24300129 (to M.L.), 25890005 (to Y.O.) and 26640025 (to Y.T.), the National Agriculture and Food Research Organization (to Y.U.), the World Premier International Research Center Initiative (WPI) from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (to Y.O., Y.T., Y.U. and M.L.) and the Nestlé Nutrition Council, Japan (to M.L.).
Materials
| 4-pin header | Hirose | A3B-4PA-2DSA(71) | |
| Ampicillin | Meiji Seika | N/A | |
| Analog-to-digital converter | Contec | AD16-16U(PCIEV) | |
| Caffeine | Sigma | C0750 | |
| Carbide cutter | Minitor | B1055 | |
| Crimp housing | Hirose | DF11-4DS-2C | |
| Crimp socket | Hirose | DF11-30SC | |
| Dental cement (Toughron Rebase) | Miki Chemical Product | N/A | |
| Epoxy adhesive | Konishi | #16351 | |
| FFC/FPC connector | Honda Tsushin Kogyo | FFC-10BMEP1(B) | |
| Flat cable | Hitachi Cable | 20528-ST LF | |
| Instant glue (Aron Alpha A) | Toagosei | N/A | |
| Meloxicam | Boehringer Ingelheim | N/A | |
| Pentobarbital | Kyoritsu Seiyaku | N/A | |
| Signal amplifier | Biotex | N/A | |
| Sleep recording chamber | APL | N/A | |
| SleepSign software | Kissei Comtec | N/A | for EEG/EMG recording/analysis |
| Slip ring | Biotex | N/A | |
| Stainless steel screw | Yamazaki | N/A | φ1.0×2.0 |
| Stainless steel wire | Cooner Wire | AS633 |
References
- Berger, H. Über das Elektrenkephalogramm des Menschen. Arch. Psych. 87 (1), 527-570 (1929).
- Tobler, I., Deboer, T., Fischer, M. Sleep and sleep regulation in normal and prion protein-deficient mice. J. Neurosci. 17 (5), 1869-1879 (1997).
- Kohtoh, S., et al. Algorithm for sleep scoring in experimental animals based on fast Fourier transform power spectrum analysis of the electroencephalogram. Sleep Biol. Rhythm. 6 (3), 163-171 (2008).
- Rosenbaum, E. . Warum müssen wir schlafen? : eine neue Theorie des Schlafes. , (1892).
- Kubota, K. Kuniomi Ishimori and the first discovery of sleep-inducing substances in the brain. Neurosci. Res. 6 (6), 497-518 (1989).
- Ishimori, K. True cause of sleep: a hypnogenic substance as evidenced in the brain of sleep-deprived animals. Tokyo Igakkai Zasshi. 23, 429-457 (1909).
- Legendre, R., Pieron, H. Recherches sur le besoin de sommeil consécutif à une veille prolongée. Z. Allegem. Physiol. 14, 235-262 (1913).
- Inoué, S., Honda, K., Komoda, Y. Sleep as neuronal detoxification and restitution. Behav. Brain. Res. 69 (1-2), 91-96 (1995).
- Urade, Y., Hayaishi, O. Prostaglandin D2 and sleep/wake regulation. Sleep Med. Rev. 15 (6), 411-418 (2011).
- Ueno, R., Ishikawa, Y., Nakayama, T., Hayaishi, O. Prostaglandin D2 induces sleep when microinjected into the preoptic area of conscious rats. Biochem. Biophys. Res. Commun. 109 (2), 576-582 (1982).
- Krueger, J. M., Walter, J., Dinarello, C. A., Wolff, S. M., Chedid, L. Sleep-promoting effects of endogenous pyrogen (interleukin-1). Am. J. Physiol. 246 (6 Pt 2), R994-R999 (1984).
- Porkka-Heiskanen, T., et al. Adenosine: a mediator of the sleep-inducing effects of prolonged wakefulness. Science. 276 (5316), 1265-1268 (1997).
- Garcia-Garcia, F., Acosta-Pena, E., Venebra-Munoz, A., Murillo-Rodriguez, E. Sleep-inducing factors. CNS Neurol. Disord. Drug. Targets. 8 (4), 235-244 (2009).
- Huitron-Resendiz, S., et al. Urotensin II modulates rapid eye movement sleep through activation of brainstem cholinergic neurons. J. Neurosci. 25 (23), 5465-5474 (2005).
- Wilkins, R. H., Brody, I. A. Encephalitis lethargica. Arch. Neurol. 18 (3), 324-328 (1968).
- von Economo, C. Die encephalitis lethargica. Wien. Klin. Wochenschr. 30, 581-585 (1917).
- Moruzzi, G., Magoun, H. W. Brain stem reticular formation and activation of the EEG. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1 (4), 455-473 (1949).
- Saper, C. B., Fuller, P. M., Pedersen, N. P., Lu, J., Scammell, T. E. Sleep state switching. Neuron. 68 (6), 1023-1042 (2010).
- Jones, B. E., Krnjevic , K., L, D. e. s. c. a. r. r. i. e. s., S, M. i. r. c. e. a. . Progress in Brain Research. 145, 157-169 (2004).
- Saper, C. B., Scammell, T. E., Lu, J. Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms. Nature. 437 (7063), 1257-1263 (2005).
- Fort, P., Bassetti, C. L., Luppi, P. H. Alternating vigilance states: new insights regarding neuronal networks and mechanisms. Eur. J. Neurosci. 29 (9), 1741-1753 (2009).
- Lu, J., Sherman, D., Devor, M., Saper, C. B. A putative flip-flop switch for control of REM sleep. Nature. 441 (7093), 589-594 (2006).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2001).
- Lazarus, M., et al. Arousal effect of caffeine depends on adenosine A2A receptors in the shell of the nucleus accumbens. J. Neurosci. 31 (27), 10067-10075 (2011).
- Huang, Z. L., et al. Adenosine A2A, but not A1, receptors mediate the arousal effect of caffeine. Nat. Neurosci. 8 (7), 858-859 (2005).
- Qu, W. M., Huang, Z. L., Xu, X. H., Matsumoto, N., Urade, Y. Dopaminergic D1 and D2 receptors are essential for the arousal effect of modafinil. J. Neurosci. 28 (34), 8462-8469 (2008).
- Huang, Z. L., et al. Arousal effect of orexin A depends on activation of the histaminergic system. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 98 (17), 9965-9970 (2001).
- Xu, Q., et al. A mouse model mimicking human first night effect for the evaluation of hypnotics. Pharmacol. Biochem. Behav. 116, 129-136 (2014).
- Cho, S., et al. Marine polyphenol phlorotannins promote non-rapid eye movement sleep in mice via the benzodiazepine site of the GABAA receptor. Psychopharmacol. 231 (14), 2825-2837 (2014).
- Liu, Y. Y., et al. Piromelatine exerts antinociceptive effect via melatonin, opioid, and 5HT1A receptors and hypnotic effect via melatonin receptors in a mouse model of neuropathic pain. Psychopharmacol. 231 (20), 3973-3985 (2014).
- Qu, W. M., et al. Lipocalin-type prostaglandin D synthase produces prostaglandin D2 involved in regulation of physiological sleep. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103 (47), 17949-17954 (2006).
