Uyku Faresinde Spektral Gücün ve İnsanın Yavaş yavaş Dinamiklerinin Nicelleştirilmesi
Summary
Burada, akustik uyarılara karşı uyku tepkisini modüle eden, farelerde non-REM uykusunda sinirsel ve kardiyak değişkenlerin zamansal dinamiklerini tanımlamak için deneysel ve analitik prosedürleri sunuyoruz.
Abstract
Uyanıklık, hızlı olmayan göz hareketi (non-REM) uykusu ve REM uykusu: Üç ihtiyatlılık durumu memelilerin yaşamına hâkim. Serbest hareket eden hayvanlarda davranışın daha fazla sinirsel korelasyonu tanımlandığından, bu üçlü alt bölüm çok basitleşir. Uyanıklık sırasında, küresel ve lokal kortikal aktivitelerin toplulukları, pupil çapı ve sempatovagal denge gibi çevresel parametrelerle birlikte çeşitli derecelerde uyarılma tanımlar. Uykunun da beyin devletlerinin bir sürekliliğini oluşturduğu belirsizliğini koruyor; duyusal uyaranlara ve uyanmaya eğilimli olma derecesine ve belki de diğer uyku işlevlerine kademeli olarak değişen ve periferal fizyolojik durumların nasıl değiştiği. Uyku esnasında birden çok parametrenin izlenmesine yönelik yöntemlerin geliştirilmesi ve bu işlevsel niteliklerin takımyıldızlarına atıf yapılmasının araştırılması, uykudaki uyumu çok işlevli bir süreç olarak inceltmenin merkezinde olup, bunun sonucunda pek çok faydalı etki önceden bulunmalıdırecuted. Uyku durumlarını karakterize eden yeni parametrelerin belirlenmesi, uyku bozukluklarında yeni teşhis yollarına fırsatlar açacaktır.
Standart polisomnografik kayıt teknikleri kullanılarak elektroensefalogram (EEG) / elektrokortikogram (ECoG), elektromyogram (EMG) ve elektrokardiyogram (EKG) sinyallerinin birleşik izleme ve analizi vasıtasıyla fare olmayan REM uyku durumlarının dinamik varyasyonlarını tanımlamak için bir prosedür sunmaktayız. Bu yaklaşımı kullanarak, fare olmayan REM uykusunun, harici uyaranlara yüksek ve düşük kırılganlık aralıklarıyla 25 sn aralıklarla eşzamanlı sinir ve kalp salınımları döngüleri halinde düzenlendiğini bulduk. Bu nedenle, merkezi ve otonom sinir sistemleri, konsolide non-REM uykusu sırasında davranışsal olarak farklı uyku durumlarını oluşturmak üzere koordine edilir. Biz, serbestçe uyku fareindeki bu döngüleri izlemek için polisomnografi ( yani EKG ile birlikte EEG / EMG) izlem için cerrahi manipülasyonlar sunuyoruz, quanti için analizDinamikleri ve uyanma olasılıklarındaki rollerini değerlendirmek için akustik uyarı protokolleri. Yaklaşımımız insan uykusuna zaten genişletilmiş ve memelilerde REM dışı uyku durumlarının ortak düzenleyici ilkelerini ortaya çıkarmayı vaat ediyor.
Introduction
Memeli uykusu, dinlenme davranışsal bir halidir ve çevresel uyarılara karşı dirençlidir. Bu belirgin tekdüzeliğe rağmen, polisomnografik ve otonomik parametreler, uykunun çeşitli temporal ve mekansal ölçeklerde niteliksel ve niceliksel olarak farklı sinirsel ve somatik durumlar arasında hareket ettiğini göstermektedir 1 . On dakika sonra onlarca dakika REM ve REM uyku modu arasında geçiş olur. REM uykusu, EEG'de büyük amplitüd, düşük frekans aktivitesi ve yaklaşık 0.5-4 Hz civarında bir spektral zirve eşliğinde bulunurken, REM uykusu teta bandında (6-10 Hz) düzenli EEG aktivitesini gösterir Kas atoni 2 . REM dışı uykuda, insanlar ışıktan (S2) ve derin yavaş dalga uykudan (SWS) dönerler. Bunların adlandırma anlaşıldığı gibi, bu iki aşama daha düşük gösterir ve daha yüksek uyarılma, sırasıyla 4, 3 eşikleri ve bunlar düşük frequ yoğunluğu yönünden farklılıkYavaş dalga aktivitesi (SWA; 0.75 – 4 Hz) olarak adlandırılan kortikal EEG gücünü saptayın. Düzensizlik, S2 ve SWS'nin bireysel sezişleri boyunca, dakikadan saniyeye kadar zaman ölçeğinde devam eder ve SWA'nın değişken varlığı ile 5 , 6 sezonu boyunca kapsamlı olarak belgelenmiş olduğu gibi, aynı zamanda EEG ve alan potansiyel ritimleri ile de belgelenmiştir Sigma bandında (10-15 Hz) ve gama ritimlerinde (80 – 120 Hz) iş mili dalgaları da dahil olmak üzere daha yüksek frekanslar (bir inceleme için bkz. 7 , 8 , 9 , 10 ).
İnsanlardaki uyku kortikal durumunu, ince olmaktan ziyade spektrumun uç noktalarına kaydırır. REM dışı uyku için bunlar SWA'nın baskınlığından yaklaşık uyandırma benzeri aktiviteye kadar geniş bir aralıkta yüksek frekanslı bileşen 11 <suP>, 12 . Kemirgenler ve kedilerde, REM dışındaki uyku aşamasına bölünmese de, ara uyku (IS) olarak adlandırılan kısa bir süre REM uykusu başlangıcından 13 önce ortaya çıkar. Sırasında, iki uyku arasında bir karışımı gösteren, hipokamp teta aktivitesi ve ponto-geniculo-oksipital dalgalar, örneğin mil dalgaları ve SWA olmayan REM uyku imzalar, hala mevcut olsa da, başlatmak olarak REM uykusu özellikleri, 15, 14 belirtmektedir. Yine de, antidepresanlar 16 tarafından modüle edildiğinden ve önceki uyanma esnasında yeni nesne sunumu vasıtasıyla işlevsel olarak ayırt edilebilir 17 ve uyarılma eşiğinin ayarlanmasına katkıda bulunur 18 . Dahası, serbestçe hareket eden sıçanların EEG ve EMG parametrelerinin durum uzayı grafikleri, REM olmayan uyku, REM uykusu ve uyanıklık arasında kesintisiz 14 noktaların bir kümesini göstermektedir. SWA'da, uyanıklık ya da REM uykusuna girmeden, 14 , 19 ve 20 numaralı konsolide olmayan bir REM uykusu sırasında düşük frekans bileşenlerinin ve yüksek frekans bileşenlerinin göreli varlığında önemli dalgalanmalara neden olan sporadik düşüşler de vardır. Son olarak, non-REM uykusu sırasında SWA değişken frekansları ve daha yüksek frekanslı ritimler, yalnızca zamanla değil, aynı zamanda kortikal alanlar arasındaki genlik ve senkronizasyonda bölgesel farklılıkları göstermektedir 19 .
Memeli non-REM uykusu üniforma uzaktır. Bununla birlikte, bu tür düzensizliğin işlev ve davranışsal özniteliklerden farklı durumlara yol açıp açmadığı açık değildir. Birkaç uyku bozukluğu türünde, sürekli uyku, kendiliğinden uyanma ve uygunsuz motor davranışı ile bozulur. Dahası, spektral analizler, EEG 21'deki daha yüksek frekansların göreli varlığında değişikliklerVe nefes alma ve kalp atışı oranları gibi otonomik parametrelerde 22 . Dengeli uyku durumlarının düzenli sırası bozulur ve kortikal ve / veya otonomik uyanış unsurları kontrolsüz bir şekilde girer. Bu nedenle, uyku durumlarının sürekliliğini anlamak, hastalık için muhtemel bir önem taşır. Ek olarak, kentsel çevrede uykunun çevresel gürültüye maruz kalması genel sağlık riskleri ile ilişkilidir ve uyku esnasında artan hassasiyet anlarını belirlemek çok önemlidir 23 .
Uykuda insanlarda davranışsal uyarılma deneyleri, hafif non-REM uykusu (S2 evresi) ve REM uykusu ile karşılaştırılabilir ve daha düşük uyarılma eşikleri 4 gösterirken, SWA baskınlı olmayan REM uykusundan (S3 evresi) uyanmanın en zor olduğunu göstermektedir. Kısa ses uyarılarının kortikal işlenmesi, REM uykusu, S2 ve S3 24 ,25 , bu duruma özgü kortikal aktivite kalıplarının duyusal işlemenin ilk evrelerini modüle ettiğini gösterir. İnsanlarda REM dışındaki uyku için, gürültüye tepki olarak uyanma eğilimi, EEG 26 , 27 , 28'de işmili dalgalarının ve alfa ritimlerinin varlığına göre değişir. Iğ sırasında Talamokortikal ritmisitesi duyusal işleme 7'nin zayıflama katkıda bulunduğu düşünülen her iki talamik ve kortikal seviyelerde geliştirilmiş sinaptik inhibisyonu ile eşlik eder.
Gürültüye karşı dirençli ve hassas dönemler nasıl düzenlenir ve belirleyicileri nelerdir? Hem farelerde hem de insanda nöral ritimlerde kızılötesi yavaş, 0.02 Hz'lik bir salınım tespit ettik. Bu 0,02 Hz'lik salınımın fazına bağlı olarak, fareler harekete geçiren uyarılara değişken uyarı gösterdi, uyanma ya da uyumaGürültü. İlginç olarak, bu salınım otonom sinir sistemi, harici uyaranlara 1 Sleep'in açığına modülasyonu katılır belirten kalp atışı oranı ile doğru orantılıydı. Hafıza ile ilgili hipokampal ritimler de bu ritim içinde organize edildi ve en çarpıcı biçimde, gücünün insanlardaki bellek konsolidasyonunun kalitesi ile korelasyona girdi. 0.02 Hz salınım, çevreye duyarlılığı ve dahili bellek işlemeyi modüle eden, kemirgen ve insan olmayan REM uykusunun düzenleyici bir ilkesi gibi görünmektedir. Bu durum, işlevselliğini tanımak ve potansiyel güvenlik açığı alanlarını belirlemek için uyku durumlarının çok parametrik ve sürekli değerlendirilmesine olan ihtiyacı vurguluyor.
Burada, kombinasyon halinde EEG / ECoG ve EMG-EKG ölçümleri için farelerin cerrahi implantasyonu, duyusal uyaranlara maruz kalma,Analiz rutinleri. Bu prosedür, uykuyu farklı temel uyku fonksiyonlarının ard arda yürütülürken sürekli olarak değişen ancak son derece organize edilmiş uyanıklık hali olarak görüntülemek için bir temel oluşturmaktadır. Daha genel olarak, bu prosedür, hem sağlık hem de hastalık hallerinde uyku esnasında davranışsal bir sonucun öncesinde bulunan spektral ve otonom özellikleri elde etmeyi amaçlayan yaklaşımlara uygulanabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada, EEG, EMG ve EKG değişkenlerini bütünleyen REM dışı uykunun sürekli bir zamansal profilini nasıl oluşturacağımızı göstereceğiz. Bu, REM uykusu olmayan 1 sırasında yüksek ve düşük gürültüye karşı düzenlenen daha önce tanınmayan zaman ölçeğini tanımlamaya yardımcı olabilen, fare uykusunun bütünleyici bir tanımını geliştirmeye yönelik ilk adımdır. Benzer bir geçici yapı, insan olmayan REM uykusunda benzer bir analizle tarif edildi <sup class="xre…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu makalenin yazımına ve özenle okunmasına katkılarından ötürü tüm laboratuar üyelerine teşekkür ediyoruz. Tartışmaları teşvik ettiği için Paul Franken'e, cerrahi protokol hakkında faydalı yorumlar için Dr. Gisèle Ferrand'a ve gürültüye maruz kalma için orijinal Labview çalıştırılabilir dosyalarını sunma konusunda Dr. Jean-Yves Chatton'a minnettarız. Finansman İsviçre Ulusal Bilim Vakfı (Hibe 31003A_146244 ve 31003A_166318) ve Etat de Vaud tarafından sağlandı.
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).
