قياس ديناميات تحت البطء من الطاقة الطيفية ومعدل ضربات القلب في الفئران النائمة
Summary
هنا، نقدم إجراءات تجريبية وتحليلية لوصف الديناميات الزمنية للمتغيرات العصبية والقلبية من النوم غير ريم في الفئران، والتي تعدل استجابة النوم إلى المحفزات الصوتية.
Abstract
ثلاث دول يقظة تهيمن على حياة الثدييات: اليقظة، وحركة العين غير السريعة (غير ريم) النوم، والنوم ريم. كما يتم تحديد المزيد من الارتباطات العصبية للسلوك في الحيوانات تتحرك بحرية، وهذا التقسيم ثلاثة أضعاف يصبح التبسيط للغاية. خلال اليقظة، فرق من الأنشطة القشرية العالمية والمحلية، جنبا إلى جنب مع المعلمات الطرفية مثل قطر الحدقة والتوازن سيمباثوفاغال، تحديد درجات مختلفة من الإثارة. ولا يزال من غير الواضح المدى الذي يشكل فيه النوم أيضا سلسلة متصلة من الحالات الدماغية، حيث تتفاوت درجة مرونة المحفزات الحسية وإمكانية الاستغراب، وربما وظائف النوم الأخرى تدريجيا، وكيف تتفاوت الدول الفسيولوجية الطرفية. البحوث التي تقدم أساليب لمراقبة المعلمات متعددة أثناء النوم، فضلا عن عزو إلى الأبراج من هذه الصفات الوظيفية، أمر أساسي لتنقيح فهمنا للنوم باعتبارها عملية متعددة الوظائف خلالها العديد من الآثار المفيدة يجب أن يكون السابقecuted. إن تحديد معايير جديدة تميز حالات النوم سيتيح فرصا لسبل تشخيص جديدة في اضطرابات النوم.
نقدم إجراء لوصف الاختلافات الديناميكية للماوس حالات عدم ريم الماوس عن طريق الرصد والتحليل جنبا إلى جنب من تخطيط كهربية الدماغ (إيغ) / إليكتروكورتيكوغرام (إكوغ)، تخطيط كهربية القلب (إمغ)، وإشارات تخطيط القلب (إسغ) باستخدام تقنيات تسجيل بوليسومنوغرافيك القياسية. باستخدام هذا النهج، وجدنا أن الماوس غير ريم النوم يتم تنظيمها في دورات من التذبذبات العصبية والقلبية المنسقة التي تولد فترات متتالية 25 ثانية من الهشاشة العالية والمنخفضة إلى المحفزات الخارجية. لذلك، يتم تنسيق النظم العصبية المركزية واللاإرادية لتشكيل حالات النوم المميزة السلوكية خلال النوم غير ريم الموحدة. نقدم المناورات الجراحية ل بوليسومنوغرافيك ( أي، إيغ / إمغ جنبا إلى جنب مع تخطيط القلب) رصد لتتبع هذه الدورات في الماوس النوم بحرية، والتحليل لكميةفي دينامياتهم، وبروتوكولات التحفيز الصوتية لتقييم دورهم في احتمال الاستيقاظ. وقد تم توسيع نطاق نهجنا بالفعل ليشمل النوم البشري والوعود لكشف مبادئ تنظيم مشتركة من حالات النوم غير ريم في الثدييات.
Introduction
النوم الثدييات هو حالة السلوكية من الراحة والقدرة على الصمود إلى المحفزات البيئية. على الرغم من هذا التوحيد الظاهري، تشير المعلمات بوليسومنوغرافيك واللاإرادي إلى أن النوم يتحرك بين الولايات العصبية والجسدية مختلفة نوعيا وكميا على مختلف الزمانية والمكانية المقاييس 1 . على مدى دقائق إلى عشرات الدقائق، والتبديل بين غير ريم و ريم النوم يحدث. ويرافق النوم غير ريم من خلال السعة الكبيرة، ونشاط التردد المنخفض في إيغ، مع ذروة طيفية حوالي ~ 0.5 – 4 هرتز، في حين أن النوم ريم يظهر النشاط إيغ منتظم في الفرقة ثيتا (6-10 هرتز)، جنبا إلى جنب مع العضلات أتونيا 2 . في غضون النوم غير ريم، والبشر دورة من خلال ضوء (S2) وعميق موجة بطيئة النوم (سوز). كما تشير تسمية لها، تظهر هاتان المرحلتين عتبات الاستثارة أقل وأعلى 3 ، 4 ، على التوالي، وأنها تختلف في المقام الأول في كثافة التردد المنخفضإنسي القشرية السلطة إيغ، ويشار إلى النشاط موجة بطيئة (سوا، 0.75 – 4 هرتز). يستمر عدم التوحيد في جميع نوبات فردية من S2 و سوز على الدقيقة إلى الثانية من الدرجة الثانية، كما توثيق على نطاق واسع من قبل وجود متغير سوا على مدى نوبة 5 ، 6 ، ولكن أيضا من قبل إيغ والإيقاعات المحتملة الحقل في ترددات أعلى، بما في ذلك موجات المغزل في الفرقة سيغما (10-15 هرتز) وإيقاعات غاما (80-120 هرتز) (للمراجعة، انظر 7 ، 8 ، 9 ، 10 ).
بدلا من أن تكون خفية، وهذه الاختلافات لا تحول حالة القشرية النوم في البشر إلى أقصى الحدود من الطيف. بالنسبة للنوم غير ريم، تتراوح هذه من غلبة سوا إلى أن النشاط التقريبي الذي يشبه اليقظة لأنها تحتوي على نسبة كبيرة من المكونات عالية التردد 11 <sup>، 12 . في القوارض والقطط، على الرغم من أن النوم غير ريم لا تنقسم إلى مراحل، فترة قصيرة تسمى النوم الوسيط (داعش) يبرز قبل بداية النوم ريم 13 . خلال داعش، نوم ريم ميزات مثل الحصين ثيتا النشاط و بونتو-جينيكولو-أوكيبيتال الأمواج الشروع، في حين أن عدم تواقيع النوم ريم، مثل موجات المغزل و سوا، لا تزال موجودة، مشيرا إلى مزيج بين حالتين النوم 14 ، 15 . ومع ذلك، يمكن أن يكون داعش متميزا وظيفيا لأنه يتم تعديله من قبل مضادات الاكتئاب 16 ومن خلال عرض كائن جديد خلال الاستيقاظ السابق 17 ، ويسهم في تحديد عتبة الاستثارة 18 . وعلاوة على ذلك، مؤامرات الفضاء الدولة من إيغ و إمغ المعلمات من الفئران تتحرك بحرية تظهر مجموعة من النقاط 14 التي هي مستمرة بين النوم غير ريم، النوم ريم، واليقظة. هناك أيضا انخفاضات متفرقة في سوا، دون دخول اليقظة أو النوم ريم، مما يؤدي إلى تقلبات كبيرة في الوجود النسبي للمكونات منخفضة وعالية التردد خلال نوبة موحدة غير ريم نوبة 14 ، 19 ، 20 . وأخيرا، نسب متغيرة من سوا وإيقاعات التردد العالي أثناء النوم غير ريم تحدث ليس فقط في الوقت المناسب، ولكن أيضا تظهر الاختلافات الإقليمية في الاتساع والتزامن بين المناطق القشرية 19 .
الثدييات غير ريم النوم هو أبعد ما يكون عن الزي الرسمي. ومع ذلك، ما إذا كان هذا عدم التوحيد يؤدي إلى الدول التي تختلف في وظيفة والسمات السلوكية ليست واضحة. في عدة أنواع من اضطرابات النوم، وتعطل النوم المستمر عن طريق الاستيقاظ التلقائي والسلوك الحركي غير لائق. وعلاوة على ذلك، تظهر التحليلات الطيفية التعديلات في الوجود النسبي للترددات العالية في إيغ 21وفي المعلمات اللاإرادية، مثل معدلات التنفس وضرب القلب 22 . وبالتالي تسلسل منظم من حالات النوم مستقرة وبالتالي المضطرب، وعناصر من القشرية و / أو الاستثارة المستقلة تتدخل بطريقة غير منضبط. لذلك، فهم سلسلة من حالات النوم من الممكن أن تكون ذات صلة بالمرض. وبالإضافة إلى ذلك، فإن اضطراب النوم بسبب الضوضاء البيئية في البيئات الحضرية يرتبط بالمخاطر الصحية العامة، مما يجعل من الأهمية بمكان تحديد لحظات الضعف الشديد أثناء النوم 23 .
وتشير تجارب الإثارة السلوكية في البشر النائمين إلى أنه من الأصعب أن يستيقظ من النوم غير الريمي الذي يسيطر عليه سوا (المرحلة S3)، في حين أن النوم غير الريمي الخفيف (المرحلة S2) ونوم الريم تظهر عتبات استثارة مماثلة و أقل 4 . وتختلف المعالجة القشرية للمحفزات الصوتية القصيرة بشكل كبير بين نوم الريم و S2 و S3 24 ،25 ، مشيرا إلى أن أنماط النشاط القشرية الدولة محددة تعدل المراحل الأولى من المعالجة الحسية. بالنسبة للنوم غير ريم في البشر، الميل إلى الاستيقاظ ردا على الضوضاء يختلف مع وجود موجات المغزل وإيقاعات ألفا في إيغ 26 ، 27 ، 28 . ويرافق إيقاع المهاد أثناء المغزل من خلال تثبيط متشابك تعزيز في كل من المهاد ومستويات القشرية، والتي يعتقد أن تسهم في توهين المعالجة الحسية 7 .
كيف يتم تنظيم فترات النوم المقاومة للضوضاء والضعيفة في الوقت المناسب، وما هي محدداتها؟ في كل من الفئران والبشرية، حددنا مؤخرا بطيئة، 0.02-هرتز التذبذب في الإيقاعات العصبية. اعتمادا على مرحلة من هذا التذبذب 0.02 هرتز، أظهرت الفئران تفاعل متغير للمؤثرات الخارجية، إما الاستيقاظ أو النوم ثروغ الضوضاء. ومن المثير للاهتمام، كان يرتبط هذا التذبذب مع معدل ضربات القلب، مشيرا إلى أن الجهاز العصبي اللاإرادي يشارك في تشكيل ضعف النوم إلى المحفزات الخارجية 1 . كما تم تنظيم إيقاعات الحصين المتعلقة بالذاكرة ضمن هذا الإيقاع، والأكثر وضوحا، قوتها ترتبط بنوعية توطيد الذاكرة في البشر. وهكذا يبدو أن التذبذب 0.02-هرتز هو مبدأ تنظيمي للقوارض والنوم غير ريم البشري الذي ينظم كلا من الحساسية للبيئة ومعالجة الذاكرة الداخلية. وهذا يسلط الضوء مرة أخرى على الحاجة إلى تقييمات متعددة الأوجه ومستمرة لحالات النوم للاعتراف وظائفهم وتحديد المواقع من الضعف المحتمل.
هنا، نقدم إجراء لاستخراج الموجي من هذه الديناميات، بما في ذلك زرع الجراحة من الفئران ل إيغ / إكوغ مجتمعة وقياسات إمغ-إسغ، والتعرض للمؤثرات الحسية، وتحليل الروتين. ويوفر هذا الإجراء أساسا لمشاهدة النوم كدولة يقظة باستمرار بعد منظمة للغاية بعد ذلك يتم تنفيذ وظائف النوم الأساسية المختلفة بالتتابع. وبشكل أعم، فإن الإجراء ينطبق على النهج التي تهدف إلى استخراج الخصائص الطيفية والاستقلالية التي تسبق النتيجة السلوكية أثناء النوم في كل من الصحة والمرض الحالات.
Protocol
Representative Results
Discussion
هنا، وتبين لنا كيفية إنشاء ملف زمني مؤقت من النوم غير ريم الذي يدمج إيغ، إمغ، و إسغ المتغيرات. هذه هي الخطوة الأولى نحو تطوير وصف تكاملي للنوم الماوس، والتي يمكن أن تساعد على تحديد الجدول الزمني غير معروف سابقا التي يتم تنظيم مرونة عالية ومنخفضة للضوضاء أثناء النوم غ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر جميع أعضاء المختبر لمساهمتهم في الكتابة والقراءة المتأنية لهذه المخطوطة. نحن ممتنون لبول فرانكن لتحفيز المناقشات، الدكتور جيزيل فيراند لتعليقات مفيدة على البروتوكول الجراحي، والدكتور جان ايف تشاتون لتوفير الملفات القابلة للتنفيذ لابفيو الأصلي للتعرض للضوضاء. وقدم التمويل من قبل المؤسسة الوطنية السويسرية للعلوم (المنح 31003A_146244 و 31003A_166318) و إتات دي فود.
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/ |
Riferimenti
- 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. Neuroscienze. 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).
