מודל פיצול שינה כרוני באמצעות רוטור מסלולי רוטט כדי לגרום לגירעון קוגניטיבי והתנהגות דמוית חרדה בעכברים צעירים מסוג בר
Summary
מוצג כאן הוא פרוטוקול עבור פיצול שינה כרונית (CSF) מודל מושגת על ידי רוטור מסלולית נשלט חשמלית, אשר יכול לגרום גירעון קוגניטיבי מאושר והתנהגות דמוית חרדה בעכברים צעירים מסוג פראי. מודל זה יכול להיות מיושם כדי לחקור את הפתוגנזה של הפרעת שינה כרונית והפרעות הקשורות.
Abstract
הפרעות שינה שכיחות בדרך כלל באוכלוסיות כמחלה כרונית או כאירוע שהתלונן. הפרעת שינה כרונית מוצעת להיות קשורה קשר הדוק לפתוגנזה של מחלות, במיוחד מחלות ניווניות. לאחרונה מצאנו כי חודשיים של פיצול שינה יזמו שינויים התנהגותיים ופתולוגיים דמויי אלצהיימר בעכברים צעירים מסוג פראי. בזאת, אנו מציגים פרוטוקול מתוקנן להשגת פיצול שינה כרוני (CSF). בקצרה, CSF נגרם על ידי רוטור מסלולית רוטט ב 110 סל”ד ופועל עם מחזור חוזר של 10 s-on, 110 s-off, במהלך שלב אור על (8:00 AM-8:00 PM) ברציפות במשך עד 2 חודשים. ליקויים של למידה מרחבית וזיכרון, התנהגות דמוית חרדה אך לא דיכאון בעכברים כתוצאה של דוגמנות CSF, הוערכו עם מבוך מים מוריס (MWM), זיהוי אובייקט חדש (NOR), מבחן שדה פתוח (OFT) ומבחן שחייה כפוי (FST). בהשוואה למניפולציות שינה אחרות, פרוטוקול זה ממזער את עבודת הטיפול ומגדיל את יעילות המידול. היא מייצרת פנוטיפים יציבים בעכברים צעירים מסוג פראי ויכולה להיווצר באופן פוטנציאלי למגוון מטרות מחקר.
Introduction
הפרעות שינה שכיחות יותר ויותר הן בחולים עם מצבים מטרידי שינה והן באנשים בריאים עם אירועים מטרידי שינה. זה נצפתה כי חולים עם מחלות ניווניות, כאב כרוני, מתח נפשי, מחלות מערכת הנשימה, מחלות מערכת השתן, וכו ‘, בדרך כלל להתלונן על חוויות שינה לא נעימות1,2,3,4,5. דום נשימה בשינה חסימתית (OSA), תנועות גפיים תקופתיות בשינה (PLMS), נדודי שינה תחזוקה בין הפרעות שינה אחרות הן הסיבות הנפוצות ביותר, אשר לגרום פיצול שינה6,7. במדינות מפותחות, OSA יש מעל 5% עד 9% שכיחות באוכלוסייה הבוגרת ו 2% באוכלוסיית הילדים8,9,10. בינתיים, יש שיעור גדל והולך של האוכלוסייה הבריאה חווה הפרעות שינה בשל שימוש יתר של טלפונים חכמים, הרגלי שינה לא סדירים, רעשים מעצבנים, חובות עבודה, כגון משמרות לילה למטפלים. שינה מוכרת להיות חשוב עבור סיווג פסולת המוח11,12, איחוד זיכרון13,14, איזון מטבולי15,16, בין תהליכים פיזיולוגיים רבים אחרים. עם זאת, עדיין לא ידוע אם הפרעת שינה ארוכת טווח מעוררת שינויים פתוגנזה בלתי הפיכים בבני אדם בריאים, והאם זה האטיולוגיה או גורם תורם לפתח מחלות מערכת העצבים המרכזית, כגון מחלות ניווניות בעוד כמה שנים בהמשך הדרך. המטרה שלנו היא לדווח על מודל ניסיוני שמייצר גירעון קוגניטיבי יציב וניכר והתנהגות דמוית חרדה בעכברים צעירים מסוג פראי לאחר טיפול פיצול שינה של חודשיים. מודל זה יחול כדי לענות על השאלות המדעיות המפורטות לעיל.
הפרעות שינה מופיע כגורם סיכון פוטנציאלי לפתח מחלת אלצהיימר (לספירה) או דמנציה. קאנג ואח ‘מצאו ותיארו לראשונה את החרפת הפתולוגיה של AD על ידי 6 שעות מחסור חמור בשינה17. לאחר מכן, מחקרים רבים אחרים דיווחו כי מניעת שינה או פיצול יכול להחמיר פתוגנזה במודלים עכברי AD מהונדסים18,19,20. עם זאת, מעט מאוד חוקרים חקרו את התוצאה של הפרעת שינה בעכברים צעירים מסוג פראי; כלומר, האם הפרעת שינה מעוררת התנהגות דמוית AD או שינויים פתולוגיים בעכברים צעירים מסוג פראי. בפרסום האחרון שלנו, דיווחנו כי חודשיים של פיצול שינה גרמו לגירעון זיכרון מרחבי ניכר והתנהגות דמוית חרדה, כמו גם הצטברות מוגברת של עמילואיד-β תאיים (Aβ) הן בקליפת המוח והן בהיפוקמפוס בעכברים פראיים בני 2-3 חודשים21. ראינו גם רמות ביטוי משתנות של סמני מסלול אנדוזום-אוטופגוזום-lysosome והפעלת microglia, אשר היה דומה לשינויים הפתולוגיים שדווחו ב- APP / PS1 עכברים21,22.
זה הציג פיצול שינה (SF) פרוטוקול אומת על ידי סינטון ואח’23 ושונה על ידי Li et al.24. בקצרה, רוטור מסלולי רוטט במהירות של 110 סל”ד קוטע את השינה למשך 10 שניות כל 2 דקות במהלך שלב האור (8:00 עד 20:00). שינוי מבנה השינה במודל זה התאפיין בעבר בהקלטות שינה אלקטרופיזיולוגיות ודווח על ידי Li et al.24, המציין עלייה משמעותית בזמן ההתעוררות וירידה בתנועת עיניים מהירה (REM) שינה בשלב האור, עם זמני השינה וההתעוררות הכוללים (ב 24 שעות) מושפע לאחר יותר מ 4 שבועות’ דוגמנות24. נכון לעכשיו, שינה מוחלטת או מניעת שינה חלקית הם המודלים הנפוצים ביותר מניפולציה שינה. מחסור מוחלט בשינה מבוצע בדרך כלל על ידי טיפול עדין מתמשך או חשיפת החיה לחפצים חדשניים, לחילופין על ידי סיבוב רציף של בר או הליכון ריצה25,26,27,28,29. מסיבות אתיות, מניעת שינה מוחלטת היא בדרך כלל קצרה מ 24 שעות. המודל הנפוץ ביותר ליישם מניעת שינה חלקית היא שיטת פלטפורמת המים, אשר בעיקר ablating REM שינה30,31,32. גישות אחרות המשתמשות בהליכון או בסרגל המטאטא לאורך תחתית הכלוב, עלולות לגרום לפיצול שינה כאשר הן מוגדרות במרווחי זמן קבועים33,34,35,36,37,38. ראוי לציין כי SF מפריע לשינה וגורם לסירוגין עוררות על פני כל שלבי השינה24. אחד היתרונות הבולטים של מודל CSF זה החלת רוטור מסלולית היא שזה יכול להתבצע ברציפות במשך חודשים נשלט באופן אוטומטי על ידי מכונות, אשר נמנע עיבוד תכופים עבודה מדי יום למעט ניטור קבוע. יתר על כן, המנגנון יאפשר בו זמנית מודל כלובים מרובים של עכברים תחת התערבויות במדים. במהלך כל מפגשי הדוגמנות, עכברים שוכנים בכלובי הבית שלהם עם מצעים וחומרי קינון רגילים, בעוד כמה שיטות אחרות דורשות חשיפה לסביבות מגוונות ומתח בלתי נמנע.
פיצול השינה התאפיין בעבר בשיטת מניפולציית השינה, המחקה עוררות תכופה במהלך שלב השינה וריבאונד שינה משמעותי בשלב ההתעוררות. בספרות מסוימת, CSF נחשב למודל החייתי של OSA39,40. במחקר זה, הרציונל של התדירות שנבחרה של עוררות להיות 30 פעמים בשעה מבוסס על תצפית של מדדי עוררות בחולים עם דום נשימה בשינה בינוני עד חמור. זה נצפתה כי פיצול שינה של 4 שבועות גדל באופן משמעותי השהיה עוררות hypercapnic ואת סף עוררות מישוש, אשר יכול להימשך לפחות 2 שבועות לאחר ההתאוששות24. פנוטיפ זה הוסבר על ידי חשיפת הפחתת הפעלת c-fos בנורדנרגי, אורקסינרגי, היסטאמינרגי, ונוירונים פעילים להתעוררות שימוש בתגובה hypercapnia, כמו גם הקרנות קטכולאמינרגיות מופחתת orexinergic לתוך קליפת המוח cingulate24. עם זאת, יש צורך לציין כי התכונה החשובה ביותר ב- OSA היא היפוקסיה הנגרמת על ידי חסימת דרכי הנשימה, מה שמוביל לשיבוש שינה41,42. הפרעות שינה והיפוקסיה חוזרת ונשנית אינטראקציה הדדית אחד עם השני בפתוגנזה OSA. לכן, פיצול שינה לבד לא יוכל להדגים באופן מלא את כל התכונות העיקריות של OSA בעכברים.
בזאת, אנו מציגים פרוטוקול מתוקנן כדי מודל פיצול שינה כרוני בעכברים צעירים מסוג פראי. גירעון קוגניטיבי וחרדה כמו גם התנהגויות דמויי דיכאון לאחר טיפול CSF הוערכו על ידי מבוך מים מוריס, זיהוי אובייקט רומן, מבחן שדה פתוח, ומבחן שחייה בכפייה. חשוב לציין כי מודל זה צריך להילקח בכללותו שמייצר פנוטיפים של דפוס שינה dysregulated, גירעון קוגניטיבי, והתנהגות דמוית חרדה. המודל הנוכחי יכול להיות מיושם, אך לא להיות מוגבל, למטרות הבאות: 1) חקירה נוספת של מנגנוני הפתוגנזה התפקודיים או המולקולריים הנגרמים על ידי הפרעת שינה כרונית בעכברים צעירים ללא נטייה גנטית, 2) זיהוי המסלול הישיר המוביל לניוון עצבי שיזם הפרעת שינה, 3) חקירת הטיפולים לשיפור פנוטיפים הנגרמים על ידי הפרעת שינה כרונית, 4) לימוד מנגנוני ההגנה/פיצוי המהותיים בעכברים מסוג בר על הפרעת שינה כרונית, 5) יש ליישם לחקר ויסות שינה ומנגנוני מעבר מדינה.
Protocol
Representative Results
Discussion
צעדים קריטיים בפרוטוקול הנוכחי כוללים הקמת מכונות פיצול שינה עם הפרמטרים הממוטבים בהתאם למטרת המחקר ושמירה על העכברים בסביבת מגורים נוחה ושקטה לאורך כל מפגשי המידול. זה גם חיוני כדי להחליט על העיתוי הנכון כדי להפריע או להפסיק פיצול שינה ולארגן בדיקות התנהגותיות עבור עכברים אלה. כמו מודל?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (61327902-6 לוואנג ו- 81801318 ל- F.F. Ding). אנו מכירים ד”ר סיגריד Veasy להקמת מערכת ניסיונית SF בחביבות מתן פרטים טכניים. אנו מכירים ד”ר Maiken Nedergaard להערות מאלפות לניסויים הקשורים.
Materials
| Any-maze behavior tracking system | Stoelting,Inc,USA | – | A video-tracking system which was used to record the behavior track of mice. |
| C57BL/6J mice | Hubei Research Center for Laboratory Animals, Hubei, China. | – | healthy male C57BL/6J mice aged 10-12 weeks were purchased from Hubei Research Center for Laboratory Animals |
| Graphpad Prism 6.0 Software | Graphpad Software,Inc.USA | – | Graphpad Prism 6.0 software was used to draw statistical graphs. |
| Morris water maze system | Shanghai XinRuan Information Technology Co.,Ltd,China | XR-XM101 | The system was used to perform Morris water maze test |
| Orbial rotor | Shanghai ShiPing Laboratory Equipment Co.,Ltd,China | SPH-331 | The orbital rotor was used to establish the chronic sleep fragmentation model |
| Solid state timer | OMRON Corporation, Kyoto, Japan | H3CR-F8-300 | The solid state time was used to control the frequency and time of the rotor running |
| Wooden Lusterless Tank | – | – | length 30 cm, width 28 cm, height 35 cm The tank was used to perform open field test and novel object recognition test |
References
- Peter-Derex, L., Yammine, P., Bastuji, H., Croisile, B. Sleep and Alzheimer’s disease. Sleep Medicine Reviews. 19, 29-38 (2015).
- Mathias, J. L., Cant, M. L., Burke, A. L. J. Sleep disturbances and sleep disorders in adults living with chronic pain: a meta-analysis. Sleep Medicine. 52, 198-210 (2018).
- Murphy, M. J., Peterson, M. J. Sleep Disturbances in Depression. Sleep Medicine Clinics. 10 (1), 17-23 (2015).
- Walter, L. M., et al. Sleep disturbance in pre-school children with obstructive sleep apnoea syndrome. Sleep Medicine. 12 (9), 880-886 (2011).
- Helfand, B. T., et al. The relationship between lower urinary tract symptom severity and sleep disturbance in the CAMUS trial. Journal of Urology. 185 (6), 2223-2228 (2011).
- Kimoff, R. J. Sleep fragmentation in obstructive sleep apnea. Sleep. 19 (9), 61-66 (1996).
- Dhondt, K., et al. Sleep fragmentation and periodic limb movements in children with monosymptomatic nocturnal enuresis and polyuria. Pediatric Nephrology. 30 (7), 1157-1162 (2015).
- Young, T., Peppard, P. E., Gottlieb, D. J. Epidemiology of obstructive sleep apnea: a population health perspective. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 165 (9), 1217-1239 (2002).
- Peppard, P. E., et al. Increased prevalence of sleep-disordered breathing in adults. American Journal of Epidemiology. 177 (9), 1006-1014 (2013).
- Marcus, C. L., et al. Diagnosis and management of childhood obstructive sleep apnea syndrome. Pediatrics. 130 (3), 714-755 (2012).
- Xie, L., et al. Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science. 342 (6156), 373-377 (2013).
- Benveniste, H., et al. The Glymphatic System and Waste Clearance with Brain Aging: A Review. Gerontology. 65 (2), 106-119 (2019).
- Stickgold, R., Walker, M. P. Memory consolidation and reconsolidation: what is the role of sleep. Trends in Neurosciences. 28 (8), 408-415 (2005).
- Stickgold, R. Sleep-dependent memory consolidation. Nature. 437 (7063), 1272-1278 (2005).
- Aalling, N. N., Nedergaard, M., DiNuzzo, M. Cerebral Metabolic Changes During Sleep. Current Neurology and Neuroscience Reports. 18 (9), 57 (2018).
- Rempe, M. J., Wisor, J. P. Cerebral lactate dynamics across sleep/wake cycles. Frontiers in Computational Neuroscience. 8, 174 (2014).
- Kang, J. E., et al. Amyloid-beta dynamics are regulated by orexin and the sleep-wake cycle. Science. 326 (5955), 1005-1007 (2009).
- Minakawa, E. N., et al. Chronic sleep fragmentation exacerbates amyloid beta deposition in Alzheimer’s disease model mice. Neuroscience Letters. 653, 362-369 (2017).
- Qiu, H., et al. Chronic Sleep Deprivation Exacerbates Learning-Memory Disability and Alzheimer’s Disease-Like Pathologies in AβPP(swe)/PS1(ΔE9) Mice. Journal of Alzheimer’s Disease : JAD. 50 (3), 669-685 (2016).
- Holth, J. K., et al. The sleep-wake cycle regulates brain interstitial fluid tau in mice and CSF tau in humans. Science. 363 (6429), 880-884 (2019).
- Xie, Y., et al. Chronic sleep fragmentation shares similar pathogenesis with neurodegenerative diseases: Endosome-autophagosome-lysosome pathway dysfunction and microglia-mediated neuroinflammation. CNS Neuroscience & Therapeutics. 26 (2), 215-227 (2020).
- Ba, L., et al. Distinct Rab7-related Endosomal-Autophagic-Lysosomal Dysregulation Observed in Cortex and Hippocampus in APPswe/PSEN1dE9 Mouse Model of Alzheimer’s Disease. Chinese Medical Journal (England). 130 (24), 2941-2950 (2017).
- Sinton, C. M., Kovakkattu, D., Friese, R. S. Validation of a novel method to interrupt sleep in the mouse. Journal of Neuroscience Methods. 184 (1), 71-78 (2009).
- Li, Y., et al. Effects of chronic sleep fragmentation on wake-active neurons and the hypercapnic arousal response. Sleep. 37 (1), 51-64 (2014).
- Misrani, A., et al. Differential effects of citalopram on sleep-deprivation-induced depressive-like behavior and memory impairments in mice. Progress Neuro-psychopharmacology & Biological Psychiatry. 88, 102-111 (2019).
- Xu, A., et al. Roles of hypothalamic subgroup histamine and orexin neurons on behavioral responses to sleep deprivation induced by the treadmill method in adolescent rats. Journal of Pharmacological Sciences. 114 (4), 444-453 (2010).
- Saito, L. P., et al. Acute total sleep deprivation potentiates amphetamine-induced locomotor-stimulant effects and behavioral sensitization in mice. Pharmacology, Biochemistry, and Behavior. 117, 7-16 (2014).
- Spano, G. M., et al. Sleep Deprivation by Exposure to Novel Objects Increases Synapse Density and Axon-Spine Interface in the Hippocampal CA1 Region of Adolescent Mice. The Journal of Neuroscience : The Official Journal of the Society for Neuroscience. 39 (34), 6613-6625 (2019).
- Morrow, J. D., Opp, M. R. Sleep-wake behavior and responses of interleukin-6-deficient mice to sleep deprivation. Brain, Behavior, and Immunity. 19 (1), 28-39 (2005).
- Arthaud, S., et al. Paradoxical (REM) sleep deprivation in mice using the small-platforms-over-water method: polysomnographic analyses and melanin-concentrating hormone and hypocretin/orexin neuronal activation before, during and after deprivation. Journal of Sleep Research. 24 (3), 309-319 (2015).
- Aleisa, A. M., Alzoubi, K. H., Alkadhi, K. A. Post-learning REM sleep deprivation impairs long-term memory: reversal by acute nicotine treatment. Neuroscience Letters. 499 (1), 28-31 (2011).
- Zagaar, M., Dao, A., Alhaider, I., Alkadhi, K. Regular treadmill exercise prevents sleep deprivation-induced disruption of synaptic plasticity and associated signaling cascade in the dentate gyrus. Molecular and Cellular Neurosciences. 56, 375-383 (2013).
- McKenna, J. T., et al. Sleep fragmentation elevates behavioral, electrographic and neurochemical measures of sleepiness. Neurosciences. 146 (4), 1462-1473 (2007).
- Tartar, J. L., et al. Hippocampal synaptic plasticity and spatial learning are impaired in a rat model of sleep fragmentation. The European Journal of Neuroscience. 23 (10), 2739-2748 (2006).
- Guzman-Marin, R., Bashir, T., Suntsova, N., Szymusiak, R., McGinty, D. Hippocampal neurogenesis is reduced by sleep fragmentation in the adult rat. Neurosciences. 148 (1), 325-333 (2007).
- Nair, D., et al. Sleep fragmentation induces cognitive deficits via nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase-dependent pathways in mouse. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 184 (11), 1305-1312 (2011).
- McCoy, J. G., et al. Experimental sleep fragmentation impairs attentional set-shifting in rats. Sleep. 30 (1), 52-60 (2007).
- Dumaine, J. E., Ashley, N. T. Acute sleep fragmentation induces tissue-specific changes in cytokine gene expression and increases serum corticosterone concentration. American Journal of Physiology. Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 308 (12), 1062-1069 (2015).
- Carreras, A., et al. Chronic sleep fragmentation induces endothelial dysfunction and structural vascular changes in mice. Sleep. 37 (11), 1817-1824 (2014).
- Khalyfa, A., et al. Circulating exosomes potentiate tumor malignant properties in a mouse model of chronic sleep fragmentation. Oncotarget. 7 (34), 54676-54690 (2016).
- Ferreira, C. B., Cravo, S. L., Stocker, S. D. Airway obstruction produces widespread sympathoexcitation: role of hypoxia, carotid chemoreceptors, and NTS neurotransmission. Physiological Reports. 6 (3), (2018).
- Tripathi, A., et al. Intermittent Hypoxia and Hypercapnia, a Hallmark of Obstructive Sleep Apnea, Alters the Gut Microbiome and Metabolome. mSystems. 3 (3), (2018).
- D’Hooge, R., De Deyn, P. P. Applications of the Morris water maze in the study of learning and memory. Brain Research. Brain Research Reviews. 36 (1), 60-90 (2001).
- Vorhees, C. V., Williams, M. T. Morris water maze: procedures for assessing spatial and related forms of learning and memory. Nature Protocols. 1 (2), 848-858 (2006).
- Vogel-Ciernia, A., Wood, M. A. Examining object location and object recognition memory in mice. Current Protocols in Neuroscience. 69, 1-17 (2014).
- Kraeuter, A. K., Guest, P. C., Sarnyai, Z. The Open Field Test for Measuring Locomotor Activity and Anxiety-Like Behavior. Methods in Molecular Biology. 1916, 99-103 (2019).
- Porsolt, R. D., Bertin, A., Blavet, N., Deniel, M., Jalfre, M. Immobility induced by forced swimming in rats: effects of agents which modify central catecholamine and serotonin activity. European Journal of Pharmacology. 57 (2-3), 201-210 (1979).
- Hauglund, N. L., Kusk, P., Kornum, B. R., Nedergaard, M. Meningeal Lymphangiogenesis and Enhanced Glymphatic Activity in Mice with Chronically Implanted EEG Electrodes. The Journal of Neuroscience : The Official Journal of the Society for Neuroscience. 40 (11), 2371-2380 (2020).
- Nguyen-Michel, V. H., et al. Rapid eye movement sleep behavior disorder or epileptic seizure during sleep? A video analysis of motor events. Seizure. 58, 1-5 (2018).
- Zimmerman, J. E., Raizen, D. M., Maycock, M. H., Maislin, G., Pack, A. I. A video method to study Drosophila sleep. Sleep. 31 (11), 1587-1598 (2008).
- Abad, J., et al. Automatic Video Analysis for Obstructive Sleep Apnea Diagnosis. Sleep. 39 (8), 1507-1515 (2016).
- Sandlund, C., Hetta, J., Nilsson, G. H., Ekstedt, M., Westman, J. Impact of group treatment for insomnia on daytime symptomatology: Analyses from a randomized controlled trial in primary care. International Journal of Nursing Studies. 85, 126-135 (2018).
- Shekleton, J. A., Rogers, N. L., Rajaratnam, S. M. Searching for the daytime impairments of primary insomnia. Sleep Medicine Reviews. 14 (1), 47-60 (2010).
- Dixon, L. J., Lee, A. A., Gratz, K. L., Tull, M. T. Anxiety sensitivity and sleep disturbance: Investigating associations among patients with co-occurring anxiety and substance use disorders. Journal of Anxiety Disorders. 53, 9-15 (2018).
- Press, Y., Punchik, B., Freud, T. The association between subjectively impaired sleep and symptoms of depression and anxiety in a frail elderly population. Aging Clinical and Experimental Research. 30 (7), 755-765 (2018).
