כימות אינפרה איטית דינמיקה של הספק ספקטרלי ואת קצב הלב בעכברים שינה
Summary
כאן, אנו מציגים פרוצדורות ניסוייות ואנליטיות כדי לתאר את הדינמיקה הזמנית של המשתנים העצביים והלבניים של שינה שאינה REM בעכברים, המווסתים את היענות השינה לגירויים אקוסטיים.
Abstract
שלוש מדינות ערנות שולטות בחיי יונקים: ערות, שינה לא-מהירה (non-REM) ושינה ב- REM. ככל שקורלציות התנהגותיות עצביות יותר מזוהות בחיות נעות באופן חופשי, חלוקה זו של שלוש פיסות הופכת לפשוטה מדי. במהלך הערות, קבוצות של פעילות קליפת המוח הגלובלית והמקומית, יחד עם פרמטרים היקפיים כגון קוטר נימי ואיזון סימפטובגאלי, מגדירות דרגות שונות של עוררות. עדיין לא ברור באיזו מידה השינה גם יוצרת רצף של מצבי מוח – שבתוכם מידת החוסן לגירויים חושיים ולעוררות, ואולי גם פונקציות שינה אחרות, משתנה בהדרגה – וכיצד משתנות המדינות הפיזיולוגיות הפריפריות. מחקר לקידום שיטות לפקח על מספר פרמטרים במהלך השינה, כמו גם לייחס קבוצות של תכונות פונקציונליות אלה, הוא מרכזי כדי לשפר את ההבנה שלנו של שינה כתהליך רב תכליתי במהלכו השפעות מועילות רבות חייב להיות לשעבראקוטי. זיהוי פרמטרים חדשים המאפיינים מצבי שינה יפתח הזדמנויות לשדרות אבחון חדשות בהפרעות שינה.
אנו מציגים נוהל לתיאור וריאציות דינאמיות של מצבי שינה שאינם REM, באמצעות ניטור וניתוח משולבים של אלקטרואנצפלוגרמה (ECoG), אלקטרומגראם (EMG) ואלקטרוקרדיוגרמה (ECG) באמצעות טכניקות הקלטה פוליסנוגרפיות סטנדרטיות. בעזרת גישה זו, מצאנו כי שינה ללא REM שינה מאורגנת במחזורים של תנודות מתואם עצביים לבביים אשר מייצרים במרווחים רצופים 25-s של שבירות גבוהה ונמוכה לגירויים חיצוניים. לכן, מערכות העצבים המרכזית האוטונומית מתואמות כדי ליצור מצבי שינה שונים מבחינה התנהגותית במהלך שינה מאוחרת של REM. אנו מציגים מניפולציות כירורגיות עבור polysomnographic ( כלומר, EEG / EMG בשילוב עם ECG) ניטור כדי לעקוב אחר מחזורים אלה העכבר שינה באופן חופשי, ניתוח כדי quantiFy הדינמיקה שלהם, ואת פרוטוקולי גירוי אקוסטי להעריך את תפקידם בסבירות של להתעורר. הגישה שלנו כבר הורחבה לשינה אנושית ומבטיחה לפרק עקרונות משותפים של מצבי שינה לא- REM אצל יונקים.
Introduction
שינה של יונקים היא מצב התנהגותי של מנוחה וחוסן לגירויים סביבתיים. למרות האחידות לכאורה, פרמטרים פוליסנוגרפיים ואוטונומיים מצביעים על כך שהשינה נעה בין מצבים עצביים וסומטיים שונים מבחינה איכותית וכמותית על קשקשים זמניים ומרחביים שונים 1 . במשך עשרות דקות, מתרחש מעבר בין REM ו- REM. Non-REM מלווה בפעילות משרעת גדולה בתדר נמוך ב- EEG, עם שיא ספקטרלי בסביבות 0.5 – 4 הרץ, בעוד ש REM מראה פעילות EEG קבועה בלהקה תטה (6-10 Hz), יחד עם שריר אטוניה 2 . בשינה שאינה REM, בני האדם עוברים דרך האור (S2) ושינה עמוקה של גלי איטי (SWS). כמו שמות שלהם מציין, אלה שני שלבים להראות סף עוררות נמוכה יותר 3 , 4 , בהתאמה, והם שונים בעיקר בצפיפות של שכיחות נמוכהEncy קורטיקלי כוח EEG, המכונה פעילות גל איטי (SWA, 0.75 – 4 הרץ). אי-אחידות נמשכת לאורך כל התקופות האינדיבידואליות של S2 ו- SWS על פני דקה עד תת-שנייה, כפי שתועדה בהרחבה על-ידי נוכחות משתנה של SWA במהלך התקף 5 , 6 , אך גם על ידי מקצבי EEG וקצב פוטנציאליים בשדה תדרים גבוהים יותר, כולל גלי צירים בלהקה סיגמא (10-15 הרץ) ומקצבי גמא (80 – 120 הרץ) (לסקירה, ראה 7 , 8 , 9 , 10 ).
במקום להיות מתוחכם, וריאציות אלה משנות את המצב הקליפתלי של השינה בבני אדם לקצוות הספקטרום. לשינה ללא REM, טווח זה נע בין דומיננטיות של SWA ומציין כי פעילות משוערת דמוית כי הם מכילים חלק ניכר של רכיבי תדר גבוה 11 <suP> 12 . אצל מכרסמים וחתולים, למרות ששינה ללא REM אינה מחולקת לשלבים, תקופה קצרה הנקראת שינה בינונית (IS) מתגלה לפני הופעת השינה ב- REM 13 . במהלך ה- IS, תכונות REM לשינה, כגון פעילות תטא בהיפוקמפוס וגלי ponto-geniculo-occipital מתחילים, בעוד שחתימות שינה ללא REM, כגון גלי צירים ו- SWA, עדיין קיימים, דבר המצביע על שילוב בין שתי מצבי השינה 14 , 15 . עם זאת, IS יכול להיות מובחן מבחינה פונקציונלית משום שהוא מאופנן על ידי תרופות נוגדות דיכאון 16 ודרך הצגת אובייקט חדש במהלך ההתעוררות 17 , והוא תורם לקביעת סף העוררות 18 . יתר על כן, חלקות שטח המדינה של EEG ופרמטרים EMG של חולדות נע בחופשיות להראות אשכול של נקודות 14 כי הוא רציף בין REM לא REM, שינה REM, ואת הערות. יש גם ירידות ספורדיות ב – SWA, מבלי להיכנס לערות או לשינה של REM, מה שמוביל לתנודות משמעותיות בנוכחות היחסית של רכיבי התדר הנמוך והתדר הגבוה במהלך התקפי שינה לא מאוחדים של REM 14 , 19 , 20 . לבסוף, יחסים משתנים של SWA ומקצבי תדר גבוהים יותר במהלך שינה ללא REM מתרחשים לא רק בזמן, אלא גם מראים הבדלים אזוריים במשרעת ובסינכרון בין אזורי קליפת המוח 19 .
יונקים ללא REM שינה רחוק מלהיות אחיד. עם זאת, אם חוסר אחידות כזה מוביל למצבים שונים בתכונות תפקוד והתנהגות אינו ברור. בכמה סוגים של הפרעות שינה, שינה רצופה מופרעת על ידי התעוררות ספונטנית והתנהגות מוטורית בלתי הולמת. יתר על כן, ניתוחים ספקטרליים מראים שינויים בנוכחות היחסית של תדרים גבוהים יותר ב- EEG 21ובפרמטרים אוטונומיים, כגון שיעורי נשימת לב פועם 22. רצף מסודר של מצבי שינה יציבים הוא כה מוטרד, ואלמנטים של גירוי קליפת המוח ו / או אוטונומית להפריע באופן בלתי נשלט. לכן, הבנת הרצף של מצבי השינה היא רלוונטית למחלה. בנוסף, הפרעות השינה על ידי רעש סביבתי בסביבות עירוניות קשורות לסיכונים בריאותיים כלליים, מה שהופך אותו חיוני כדי לזהות רגעים של פגיעות מוגברת במהלך השינה 23 .
ניסויים עוררים התנהגות שינה בבני האדם הראו שמדובר ההקשה להתעורר מן הלא-REM בשינה (שלב S3), בעוד אור הלא-REM בשינה (שלב S2) ו REM בשינה להראות דומה ועוררות נמוכות סף 4 SWA-נשלטה. עיבוד קורטיקלי של גירויים קול קצר משתנה באופן משמעותי בין שנת REM, S2, ו S3 24 ,25 , המציין כי ספציפית המדינה דפוסי פעילות קליפת המוח לווסת את השלבים הראשונים של עיבוד חושי. לשינה ללא REM בבני אדם, הנטייה להתעורר בתגובה לרעש משתנה עם נוכחות של צירים גלי מקצבי אלפא ב EEG 26 , 27 , 28 . מקצב Thalamocortical במהלך צירים מלווה עיכוב סינפטי המשופר הוא ברמת התלמוס ואת קליפת המוח, אשר נחשבה לתרום את ההנחתה של חושי עיבוד 7.
כיצד מאורגנים תקופות שינה עמידים לרעש ופגיעים בזמן, ומהם הגורמים הקובעים? בשני עכברי האדם, זיהינו לאחרונה תנודה איטית, 0.02 הרץ במקצבים עצביים. בהתאם לשלב של תנודה זו 0.02 הרץ, עכברים הראו תגובתיות משתנה לגירויים חיצוניים, או מתעורר או ישן throuצליל רעש. מעניין לציין, כי תנודה זו היתה בקורלציה עם קצב פעימות הלב, המציין כי מערכת העצבים האוטונומית משתתפת אפנון של פגיעות של שינה לגירויים חיצוניים 1 . מקצבים בהיפוקמפוס הקשורים לזיכרון היו מאורגנים גם הם בקצב זה, והכי בולט היה כוחו בקורלציה עם איכות איחוד הזיכרון בבני אדם. התנודה 0.02 הרץ, כך נראה, הוא עקרון מארגן של שינה מכרסמים ולא אנושי REM כי מודולציה הן רגישות לסביבה עיבוד זיכרון פנימי. זה שוב מדגיש את הצורך בהערכות multiparametetric ומתמשך של מצבי שינה כדי לזהות את הפונקציונליות שלהם לזהות אתרים של פגיעות פוטנציאלית.
כאן, אנו מציגים הליך כדי לחלץ את waveform של הדינמיקה האלה, כולל השתלה כירורגית של עכברים עבור משולב EEG / ECoG ו EMG-ECG מדידות, חשיפה גירויים חושיים, אNd ניתוח שגרות. הליך זה מספק בסיס לצפייה בשינה כמצב השתנות מתמיד אך מאורגן היטב, שבמסגרתו מתבצעות פעולות שינה בסיסיות שונות ברצף. באופן כללי יותר, ההליך חל על גישות המכוונות לחלץ את התכונות הספקטראליות והאוטונומיות שקודמות לתוצאה התנהגותית במהלך השינה הן במצבי בריאות והן במצבי מחלה.
Protocol
Representative Results
Discussion
כאן, אנו מראים כיצד ליצור פרופיל טמפורלי מתמשך של שינה ללא REM המשלבת משתנים EEG, EMG ו- ECG. זהו צעד ראשון לקראת פיתוח תיאור אינטגרטיבי של שינה עכבר, אשר יכול לעזור לזהות את לוח זמנים לא מוכר בעבר שבו עמידות גבוהה ונמוכה לרעש מאורגנים במהלך REM לא 1 . מבנה טמפורלי ד…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לכל חברי המעבדה על תרומתם לכתיבה ולקריאה זהירה של כתב היד. אנו אסירי תודה פול פולן על דיונים מעוררים, ד"ר Gisèle Ferrand הערות מועילות על פרוטוקול כירורגי, וד"ר ז'אן איב Chatton למתן את הקבצים ההפעלה Labview המקורי לחשיפה הרעש. המימון סופק על ידי הקרן השוויצרית הלאומית למדע (מענקים 31003A_146244 ו 31003A_166318) ואת Etat דה Vaud.
Materials
| 2-components epoxy glue | Henkel | Loctite EA 3450 | |
| Absorbable Suturing Fiber (Prolene) | Ethicon | 5-0 FS-3 | |
| Adson Forceps | FST | 11006-12 | |
| Antiseptic swab | VWR | 149-0332 | |
| Attane Isoflurane | Piramal | Isoflurane 250mL | |
| Connectors 3×2-channels | ENA AG | 2.316 | Raster 2.00 x 2.00 mm; size 5x8x9 mm; pin size 5mm; http://www.ena.ch/ |
| Dragonfly commutator | Dragonfly | Model #SL-10 | |
| EMBLA amplifier | EMBLA | A10 amplifier | |
| Fine scissors | FST | 14108-09 | |
| Flat Head Gold-plated steel screw | J.I. Morris | FF00CE125 | https://jimorrisco.com/ |
| Gold wire | CMSA | T.69 5gr | http://www.cmsa.ch/en/ |
| Hemostatic sponge | Pfizer | Gelfoam | |
| iodine-based disinfectant (Betadine) | Mundipharma | standart solution 60mL | |
| Komet drill steel 1/005PM104 | UNOR AG | 22310 | |
| Matlab Analysis Software | MathWorks | R2016b | https://ch.mathworks.com/products/matlab.html |
| Microdrill | Fine Science Tools | 96758 | |
| Mouse Gas Anesthesia Head Holder | Kopf Instruments | Model 923-B | http://kopfinstruments.com/product/model-923-b-mouse-gas-anesthesia-head-holder/ |
| Ophtalmic ointment | Pharmamedica | VITA-POS | |
| Paladur (liquid) | UNOR AG | 2260215 | for dental cement |
| Palavit (powder) | UNOR AG | 5410929 | for dental cement |
| Small Animal Stereotaxic Frame | Kopf Instruments | Model 930 | http://kopfinstruments.com/product/model-930-small-animal-stereotaxic-frame-assembly/ |
| Soldering wire | Stannol | 593072 | |
| Temperature controller – Mini rectal probe | Phymep | 4090502 | http://www.phymep.com/produit/dc-temperature-controller/ |
| Temperature controller- heating pad | Phymep | 4090205 | http://www.phymep.com/produit/dc-temperature-controller/ |
References
- Lecci, S., et al. Coordinated infra-slow neural and cardiac oscillations mark fragility and offline periods in mammalian sleep. Sci Adv. 3 (2), 1602026 (2017).
- Rechtschaffen, A., Kales, A. A manual of standardized terminology, techniques and scoring system for sleep of human subjects. U.S. Department of Health, Education, and Welfare. , (1968).
- Blake, H., Gerard, R. W. Brain potentials during sleep. Am J Physiol. 119, 692-703 (1937).
- Rechtschaffen, A., Hauri, P., Zeitlin, M. Auditory awakening threshold in REM and NREM sleep stages. Percept Mot Skills. 22 (3), 927-942 (1966).
- Achermann, P., Borbély, A. A. Low-frequency (< 1 Hz) oscillations in the human sleep electroencephalogram. Neurosciences. 81 (1), 213-222 (1997).
- Aeschbach, D., Borbély, A. A. All-night dynamics of the human sleep EEG. J. Sleep Res. 2 (2), 70-81 (1993).
- Astori, S., Wimmer, R. D., Lüthi, A. Manipulating sleep spindles–expanding views on sleep, memory, and disease. Trends Neurosci. 36 (12), 738-748 (2013).
- Brown, R. E., Basheer, R., McKenna, J. T., Strecker, R. E., McCarley, R. W. Control of sleep and wakefulness. Physiol Rev. 92 (3), 1087-1187 (2012).
- Buzsáki, G., Wang, X. J. Mechanisms of gamma oscillations. Annu Rev Neurosci. 35, 203-225 (2012).
- Rasch, B., Born, J. About sleep’s role in memory. Physiol Rev. 93 (2), 681-766 (2013).
- Halász, P., Bòdizs, R. . Dynamic structure of NREM sleep. , (2013).
- Terzano, M. G., Parrino, L., Spaggiari, M. C. The cyclic alternating pattern sequences in the dynamic organization of sleep. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 69 (5), 437-447 (1988).
- Gottesmann, C. Detection of seven sleep-waking stages in the rat. Neurosci Biobehav Rev. 16 (1), 31-38 (1992).
- Benington, J. H., Kodali, S. K., Heller, H. C. Scoring transitions to REM sleep in rats based on the EEG phenomena of pre-REM sleep: an improved analysis of sleep structure. Sleep. 17 (1), 28-36 (1994).
- Sullivan, D., Mizuseki, K., Sorgi, A., Buzsáki, G. Comparison of sleep spindles and theta oscillations in the hippocampus. J Neurosci. 34 (2), 662-674 (2014).
- Vas, S., et al. Differential adaptation of REM sleep latency, intermediate stage and theta power effects of escitalopram after chronic treatment. J Neural Transm (Vienna). 120 (1), 169-176 (2013).
- Schiffelholz, T., Aldenhoff, J. B. Novel object presentation affects sleep-wake behavior in rats. Neurosci Lett. 328 (1), 41-44 (2002).
- Wimmer, R. D., et al. Sustaining sleep spindles through enhanced SK2-channel activity consolidates sleep and elevates arousal threshold. J Neurosci. 32 (40), 13917-13928 (2012).
- Fernandez, L. M. J., et al. Highly dynamic spatiotemporal organization of low-frequency activities during behavioral states in the mouse cerebral cortex. Cereb Cortex. , (2016).
- Franken, P. Long-term vs. short-term processes regulating REM sleep. J Sleep Res. 11 (1), 17-28 (2002).
- Feige, B., et al. The microstructure of sleep in primary insomnia: an overview and extension. Int J Psychophysiol. 89 (2), 171-180 (2013).
- Parrino, L., Halasz, P., Tassinari, C. A., Terzano, M. G. CAP, epilepsy and motor events during sleep: the unifying role of arousal. Sleep Med Rev. 10 (4), 267-285 (2006).
- Akinseye, O. A., et al. Sleep as a mediator in the pathway linking environmental factors to hypertension: a review of the literature. Int J Hypertens. 2015, 926414 (2015).
- Campbell, K., Muller-Gass, A. The extent of processing of near-hearing threshold stimuli during natural sleep. Sleep. 34 (9), 1243-1249 (2011).
- Nir, Y., Vyazovskiy, V. V., Cirelli, C., Banks, M. I., Tononi, G. Auditory responses and stimulus-specific adaptation in rat auditory cortex are preserved across NREM and REM sleep. Cereb Cortex. 25 (5), 1362-1378 (2015).
- Dang-Vu, T. T., et al. Interplay between spontaneous and induced brain activity during human non-rapid eye movement sleep. Proc Natl Acad Sci USA. 108 (37), 15438-15443 (2011).
- Elton, M., et al. Event-related potentials to tones in the absence and presence of sleep spindles. J Sleep Res. 6 (2), 78-83 (1997).
- McKinney, S. M., Dang-Vu, T. T., Buxton, O. M., Solet, J. M., Ellenbogen, J. M. Covert waking brain activity reveals instantaneous sleep depth. PLoS One. 6 (3), 17351 (2011).
- Mang, G. M., Franken, P. Sleep and EEG phenotyping in mice. Curr Protoc Mouse Biol. 2 (1), 55-74 (2012).
- Borbély, A. A., Tobler, I., Hanagasioglu, M. Effect of sleep deprivation on sleep and EEG power spectra in the rat. Behav Brain Res. 14 (3), 171-182 (1984).
- Jurysta, F., et al. The impact of chronic primary insomnia on the heart rate–EEG variability link. Clin Neurophysiol. 120 (6), 1054-1060 (2009).
- Silvani, A., Calandra-Buonaura, G., Benarroch, E. E., Dampney, R. A. L., Cortelli, P. Bidirectional interactions between the baroreceptor reflex and arousal: an update. Sleep Med. , (2015).
