수면 마우스의 스펙트럼 파워 및 심박수의 저속 역학 정량화
Summary
여기, 음향 자극에 수면 반응을 조절하는 생쥐의 비 REM 수면의 신경 및 심장 변수의 시간적 역학을 설명하기위한 실험 및 분석 절차를 제시합니다.
Abstract
포유 동물의 삶을 지배하는 세 가지 경계 상태 : 깨어 있음, 비 급속 안구 운동 (비 REM) 수면, 그리고 REM 수면. 자유롭게 움직이는 동물에서 행동의 신경 상관 관계가 더 많이 식별됨에 따라이 3 배 세분은 너무 단순 해집니다. 각성 (wakefulness) 동안, 전역 및 국소 피질 활동의 앙상블은 동공 직경 및 교감 신경 균형과 같은 주변 변수와 함께 다양한 정도의 각성을 정의합니다. 수면이 또한 뇌 상태의 연속체를 형성하는 정도는 불분명하며, 그 안에서 감각 자극 및 각성, 그리고 아마도 다른 수면 기능에 대한 복원력의 정도는 점진적으로 변하고 주변 생리 상태는 어떻게 변하는 지 불분명합니다. 수면 중 여러 매개 변수를 모니터링하는 방법을 발전시키고 이러한 기능적 특성의 별자리로 귀결시키는 연구는 여러 가지 유익한 효과가 있어야하는 다기능 프로세스로서 수면에 대한 이해를 개선하는 데 핵심적입니다적응. 수면 상태를 특징으로하는 새로운 매개 변수를 확인하면 수면 장애에서 새로운 진단 방법을 찾을 수 있습니다.
우리는 표준 polysomnographic 기록 기술을 사용하여 뇌파 (EEG) / electrocorticogram (ECoG), electromyogram (EMG) 및 심전도 (ECG) 신호의 결합 모니터링 및 분석을 통해 마우스 비 REM 수면 상태의 동적 변화를 설명하는 절차를 제시합니다. 이 접근법을 사용하여 우리는 마우스 비 REM 수면이 외부 자극에 대해 높고 낮은 취약성의 연속 25 초 간격을 생성하는 조정 된 신경 진동 및 심장 진동의 주기로 구성된다는 것을 발견했습니다. 따라서 중추 신경계와 자율 신경계는 통합 된 비 REM 수면 중에 행동 적으로 다른 수면 상태를 형성하도록 조정됩니다. 자유롭게 수면을 취하는 마우스에서 이러한주기를 추적하기 위해 polysomnographic ( 즉, EEG / EMG와 ECG) 모니터링을위한 수술 조작을 제시하고, quanti그들의 역 동성 및 음향 자극 프로토콜을 사용하여 깨어날 확률을 평가합니다. 우리의 접근법은 이미 인간의 수면으로 확장되었으며 포유류에서 비 REM 수면 상태의 일반적인 조직 원칙을 풀어 나갈 것을 약속합니다.
Introduction
포유류의 수면은 환경 적 자극에 대한 휴식과 회복력의 행동 상태입니다. 이 명백한 균일 성에도 불구하고, polysomnographic 및 자율 매개 변수는 다양한 시간적 및 공간적 척도 1 정성 및 양적으로 다른 신경 및 신체 상태 사이의 수면 이동을 나타냅니다. 몇 분에서 수십 분 동안 비 REM과 REM 수면 사이의 전환이 발생합니다. 비 REM 수면은 뇌파에서 큰 진폭, 저주파수 활동을 수반하며, REM 수면은 세타 밴드 (6 – 10 Hz)에서 규칙적인 뇌파 활동을 보여 주며 근육 atonia 2 . 비 REM 수면에서 인간은 빛 (S2)과 깊은 저속 수면 (SWS)을 순환합니다. 그들의 명명에서 알 수 있듯이,이 두 단계는 각각 낮고 높은 각성 문턱 값 3 , 4를 보여 주며, 주로 낮은 빈도slow wave activity (SWA; 0.75 – 4 Hz)라고 불리는 대뇌 피질의 뇌파 에너지. 비 균일 성은 시합 5 , 6 의 과정에서 SWA의 다양한 존재에 의해 광범위하게 문서화되어 있기 때문에 분과 초 2 배 시간대에 S2와 SWS의 개별 관찰을 통해 지속되지만 EEG와 현장 잠재 리듬에도 영향을 미친다. 시그마 대역 (10-15 Hz)과 감마 리듬 (80-120 Hz)에서 스핀들 파를 포함하여 더 높은 주파수 (검토를 위해 7 , 8 , 9 , 10 참조 ).
미묘한 변화보다는 인간의 수면 피질 상태를 극단적 인 스펙트럼으로 이동시킵니다. 비 REM 수면, SWA의 우위 상태에서 이러한 범위는 대략 웨이크 같은 활동들은 고주파 부품 (11)의 상당 부분을 포함하고 있기 때문 <sup>, 12 . 비 REM 수면 단계로 분할되지 않는다 설치류 및 고양이에서는 중간 슬립 (IS)이라는 짧은 기간이 REM 수면 개시 전에 13 나온다. IS 동안, hippocampal theta activity와 ponto-geniculo-occipital waves와 같은 REM 수면 특징이 시작되고 스핀들 파와 SWA와 같은 비 REM 수면 시그니처는 여전히 존재하며 두 수면 상태 14 , 15 사이의 혼합을 나타냅니다. 그럼에도 불구하고, IS는 항우울제 16에 의해 변조되고 이전 깨우기 17 동안 새로운 대상 제시를 통해 기능적으로 구별 될 수 있으며 각성 문턱 설정에 기여합니다 18 . 또한, 자유롭게 움직이는 쥐의 뇌파 및 EMG 매개 변수의 상태 공간 플롯은 비 REM 수면, REM 수면 및 각성 사이에 연속하는 점 14 의 클러스터를 보여줍니다. SWA에는 간헐적으로 쇠퇴하거나 REM 수면을 취하지 않아 합병 된 비 REM 수면 시합 중 저주파 및 고주파 성분의 상대적인 존재가 상당 부분 변동합니다 14 , 19 , 20 . 마지막으로, 비 REM 수면 중에 SWA 및 고주파수 리듬의 가변 비율은 시간뿐만 아니라, 대뇌 피질의 영역 (19) 사이의 진폭과 동기 지역적 차이를 보이지에만 발생한다.
포유 동물의 비 REM 수면은 획일적이지 않습니다. 그러나 그러한 불균일성이 기능과 행동 특성이 다른 상태로 연결되는지 여부는 명확하지 않다. 수면 장애의 여러 유형에서, 지속적인 수면은 자발적 각성과 부적절한 운동 행동에 의해 방해받습니다. 더욱이, 스펙트럼 분석은 EEG 21 에서의 더 높은 주파수의 상대적 존재의 변화를 보여준다호흡 률 및 심장 박동 비율과 같은 자율 매개 변수 22 . 안정된 수면 상태의 질서있는 순서는 따라서 교란되고, 피질 및 / 또는 자율 신경 자극의 요소는 통제되지 않은 방식으로 침입한다. 그러므로 수면 상태의 연속을 이해하는 것이 질병과 관련이있을 수 있습니다. 또한, 도시 환경에서 환경 소음에 의해 수면의 동요는이 중요한 수면 23시 고조 취약점의 순간을 식별하기 위해 렌더링, 일반 건강 위험과 연관되어 있습니다.
인간을 자고 행동 각성 실험 광 불 REM 수면 (단계 S2) 및 REM 수면 쇼 비교 및 하부 자극 반면 4 임계 값, SWA 지배 비 REM 수면 (단계 S3)에서 일어나 어려운는 것을 나타낸다. 짧은 소리 자극의 피질 처리는 REM sleep, S2 및 S3 24 사이에서 상당히 다르며 ,(25), 상태 별 피질 활동 패턴 감각의 제 1 프로세싱 단계를 조절하는 것을 나타낸다. 사람의 비 REM 수면의 경우 소음에 대한 반응으로 기상하는 경향은 뇌파의 존재와 EEG 26 , 27 , 28 의 알파 리듬에 따라 다릅니다. 스핀들 중 Thalamocortical 율동성 관능 처리부 (7)의 감쇠에 기여하는 것으로 생각된다 모두 시상과 피질 수준에서 향상된 시냅스 저해를 수반한다.
소음에 강하고 잠잘 수없는 잠자는 시간은 어떻게 구성되며 그 결정 요인은 무엇입니까? 생쥐와 인간 모두에서 최근에 우리는 신경 리듬에서 0.02Hz 이하의 느린 진동을 확인했습니다. 이 0.02-Hz 발진의 위상에 따라, 마우스는 외부 자극에 대한 반응성이 가변적이었으며, 깨어나거나 잠자는 동안잡음. 흥미롭게도이 진동은 심박동 수와 상관 관계가있어 자율 신경계가 외부 자극에 대한 수면의 조절에 참여한다는 것을 나타냅니다 1 . 기억과 관련된 해마 리듬도이 리듬 내에서 조직되었으며, 가장 두드러지게 그 강도는 사람의 기억력 강화의 품질과 관련이 있습니다. 0.02-Hz 발진은 환경에 대한 민감도와 내부 기억 처리를 모두 조절하는 설치류 및 인간 non-REM 수면의 조직 원리 인 것으로 보인다. 이것은 잠자기 상태에 대한 다중 매개 변수화 및 연속 평가의 필요성을 다시 한번 강조하여 잠재적 인 취약성을 식별하고 기능을 인식합니다.
여기서는 이러한 역학 파형을 추출하는 절차를 제시합니다. 여기에는 EEG / ECoG 및 EMG-ECG 측정, 감각 자극에 대한 노출,분석 루틴. 이 절차는 수면을 지속적으로 다양하지만 고도로 조직화 된 경계 상태로 보는 기본을 제공하며 그 동안 서로 다른 기본 수면 기능이 순차적으로 실행됩니다. 보다 일반적으로이 절차는 건강 상태와 질병 상태 모두에서 수면 중에 행동 결과를 선행하는 스펙트럼 및 자율 특징을 추출하는 것을 목표로하는 접근법에 적용 가능하다.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기서는 EEG, EMG 및 ECG 변수가 통합 된 비 REM 수면의 연속 시간 프로파일을 설정하는 방법을 보여줍니다. 이것은 마우스 수면에 대한 통합 설명을 개발하기위한 첫 번째 단계입니다. 비 수면 중 수면 중 잡음에 대한 높은 탄력성과 낮은 탄력성을 구성하는 이전에 인식 할 수 없었던 시간을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다 1 . 유사한 시간적 구조는 유사한 분석 (1)…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 모든 원고가이 원고를 쓰고주의 깊게 읽는 것에 기여한 것에 대해 감사드립니다. 외과 적 프로토콜에 대한 유용한 의견을 제공하는 Gisèle Ferrand 박사와 소음 노출을위한 원래의 Labview 실행 파일을 제공 한 Dr. Jean-Yves Chatton에 대한 토론을 자극 한 Paul Franken에게 감사드립니다. 스위스 국립 과학 재단 (Grants 31003A_146244 및 31003A_166318)과 Etat de Vaud가 기금을 지원했습니다.
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).
