Huisstijlen Opname Procedure voor het meten van de Slaap in Muizen
Summary
The recording of electroencephalogram (EEG) and electromyogram (EMG) in freely behaving mice is a critical step to correlate behavior and physiology with sleep and wakefulness. The experimental protocol described herein provides a cable-based system for acquiring EEG and EMG recordings in mice.
Abstract
Recording of the epidural electroencephalogram (EEG) and electromyogram (EMG) in small animals, like mice and rats, has been pivotal to study the homeodynamics and circuitry of sleep-wake regulation. In many laboratories, a cable-based sleep recording system is used to monitor the EEG and EMG in freely behaving mice in combination with computer software for automatic scoring of the vigilance states on the basis of power spectrum analysis of EEG data. A description of this system is detailed herein. Steel screws are implanted over the frontal cortical area and the parietal area of 1 hemisphere for monitoring EEG signals. In addition, EMG activity is monitored by the bilateral placement of wires in both neck muscles. Non-rapid eye movement (Non-REM; NREM) sleep is characterized by large, slow brain waves with delta activity below 4 Hz in the EEG, whereas a shift from low-frequency delta activity to a rapid low-voltage EEG in the theta range between 6 and 10 Hz can be observed at the transition from NREM to REM sleep. By contrast, wakefulness is identified by low- to moderate-voltage brain waves in the EEG trace and significant EMG activity.
Introduction
Technische ontwikkelingen hebben vaak neergeslagen quantum sprongen in het begrip van de neurobiologische processen. Bijvoorbeeld, ontdekking Hans Berger in 1929 die elektrische potentialen opgenomen van de menselijke hoofdhuid in de vorm van sinusvormige golven, waarvan de frequentie is direct gerelateerd aan het niveau van waakzaamheid van het onderwerp, geleid tot een snelle vooruitgang in het inzicht van de slaap-waak regelgeving, in zowel dieren als mensen gelijk. 1 Tot vandaag de electroencephlogram (EEG), in samenhang met de elektromyogram (EMG), dwz., elektrische activiteit door skeletspieren, representeert de data "skelet" van bijna elke experimentele en klinische beoordeling die tracht om het gedrag en fysiologie correleren met activiteit van de corticale neuronen in gedragen dieren, waaronder mensen. In de eenvoudigste slaap onderzoekslaboratoria deze EEG-registraties worden uitgevoerd met behulp van een kabel systeem (figuur 1) waarbij verworven data onderworpen off-line patroon en spectrumanalyse [bijv., het toepassen van een snelle Fourier transformatie (FFT) algoritme] het bepalen van de waakzaamheid toestand van het subject worden opgenomen. 2, 3 slaap bestaat uit snelle-oogbeweging (REM) en non-REM (NREM) slaap. REM-slaap wordt gekenmerkt door een snelle low-voltage EEG, willekeurig oogbeweging, en spier atonia, een toestand waarin de spieren effectief worden verlamd. REM-slaap ook bekend als paradoxale slaap, omdat de hersenactiviteit lijkt op die van wakker, terwijl het lichaam grotendeels losgekoppeld van de hersenen lijkt in diepe slaap. Daarentegen worden motorische neuronen gestimuleerd tijdens NREM slaap, maar er is geen oogbeweging. Menselijke NREM slaap kan worden verdeeld in 4 fasen, waarbij stap 4 wordt diepe slaap of slow-wave sleep genoemd en wordt gekenmerkt door grote, langzaam hersengolven met delta activiteit tussen 0,5 – 4 Hz in het EEG. Anderzijds, een uitsplitsing fasen van NREM-slaap bij kleinere dieren, zoals ratten eennd muizen niet is vastgesteld, voornamelijk omdat zij niet geconsolideerde lange perioden van slaap zoals bij de mens.
In de loop der jaren, en op basis van EEG uitlegging verschillende modellen van slaap-waakregulatie zowel circuit- en humorale gebaseerde, zijn voorgesteld. De neurale en cellulaire basis van de behoefte aan slaap of, als alternatief, "slaap rijden," blijft onopgelost, maar is opgevat als een homeostatische druk die opbouwt tijdens de wakende periode en wordt opgenomen door de slaap. Een theorie is dat endogene somnogenic factoren accumuleren tijdens waken en dat hun geleidelijke toename is de onderbouwing van de slaap homeostatische druk. Terwijl de eerste formele hypothese dat de slaap wordt gereguleerd door humorale factoren is bijgeschreven op het werk Rosenbaum gepubliceerd in 1892 4, het was Ishimori 5, 6 en Pieron 7 die zelfstandig, en meer dan 100 jaar geleden, het bestaan aangetoond van slaapbevorderende chemicaliën. Beide onderzoekers voorgesteld, en inderdaad bleek dat hypnogenic stoffen of 'hypnotoxins' aanwezig is in de cerebrospinale vloeistof (CSF) van slaaptekort honden waren. 8 In de afgelopen eeuw een aantal extra vermeende hypnogenic stoffen betrokken bij de slaap homeostatische proces zijn geïdentificeerd (voor overzicht zie ref. 9), waaronder prostaglandine (PG) D 2, 10 cytokines, 11 adenosine, 12 anandamide, 13 en urotensine II peptide. 14
Experimentele werk van Economo 15, 16, Moruzzi en Magoun 17, en anderen in de vroege en midden van de 20e eeuw geproduceerd bevindingen dat circuit-gebaseerde theorieën van slapen en waken en geïnspireerd tot op zekere hoogte, overschaduwde de dan geldende humorale theorie van slapen. Tot op heden zijn verschillende "circuit modellen" voorgesteld, elkaar op de hoogte van gegevens van wisselende kwaliteit en kwantiteit (voor een overzicht, zie ref. 18). Één modelBijvoorbeeld stelt slow-wave sleep gegenereerd doorgaande adenosine gemedieerde remming van acetylcholineafgifte van cholinergische neuronen in de basale voorhersenen, een gebied hoofdzakelijk uit ten de kern van het horizontale been van de diagonale band van Broca en de substantia inominata. 19 Een ander populair model van slaap / waakregulatie beschrijft een flip-flop schakelorgaan op basis van onderling remmende interacties tussen slaapverwekkende neuronen in de ventrolaterale preoptic stippellijn-waak inducerende neuronen van de hypothalamus en hersenstam. 18, 20, 21 Bovendien, voor het in- en uitschakelen van de REM slaap, een soortgelijke onderling remmend interactie voorgesteld voor gebieden in de hersenstam, die de ventrale Periaqueductale grijs, laterale pontine tegmentum, en sublaterodorsal kern. 22 Tezamen zijn deze modellen waardevol gebleken heuristiek en boden belangrijke interpretatieve kaders voor studies in slaaponderzoek; echter, een yet vollediger begrip van de moleculaire mechanismen en circuits reguleren van de slaap-waak cyclus is een volledige kennis van zijn componenten. Het systeem voor de registratie van huisstijlen hieronder moeten helpen bij dit doel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft een set-up voor EEG / EMG registraties dat de beoordeling van slapen en waken onder lage ruis, kosteneffectieve, en high-throughput voorwaarden toestaat. Vanwege de kleine afmetingen van de EEG / EMG electrodekop samenstel kan dit systeem worden gecombineerd met andere implantaten voor intra-brain experimenten, waaronder optogenetics (glasvezel implantatie), of in combinatie met gelijktijdige canule implantatie microinfusion van geneesmiddelen in de muis brain. 31 Bovendien is het ontw…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Dr. Larry D. Frye for editorial help with this manuscript. This work was supported by Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research 24300129 (to M.L.), 25890005 (to Y.O.) and 26640025 (to Y.T.), the National Agriculture and Food Research Organization (to Y.U.), the World Premier International Research Center Initiative (WPI) from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (to Y.O., Y.T., Y.U. and M.L.) and the Nestlé Nutrition Council, Japan (to M.L.).
Materials
| 4-pin header | Hirose | A3B-4PA-2DSA(71) | |
| Ampicillin | Meiji Seika | N/A | |
| Analog-to-digital converter | Contec | AD16-16U(PCIEV) | |
| Caffeine | Sigma | C0750 | |
| Carbide cutter | Minitor | B1055 | |
| Crimp housing | Hirose | DF11-4DS-2C | |
| Crimp socket | Hirose | DF11-30SC | |
| Dental cement (Toughron Rebase) | Miki Chemical Product | N/A | |
| Epoxy adhesive | Konishi | #16351 | |
| FFC/FPC connector | Honda Tsushin Kogyo | FFC-10BMEP1(B) | |
| Flat cable | Hitachi Cable | 20528-ST LF | |
| Instant glue (Aron Alpha A) | Toagosei | N/A | |
| Meloxicam | Boehringer Ingelheim | N/A | |
| Pentobarbital | Kyoritsu Seiyaku | N/A | |
| Signal amplifier | Biotex | N/A | |
| Sleep recording chamber | APL | N/A | |
| SleepSign software | Kissei Comtec | N/A | for EEG/EMG recording/analysis |
| Slip ring | Biotex | N/A | |
| Stainless steel screw | Yamazaki | N/A | φ1.0×2.0 |
| Stainless steel wire | Cooner Wire | AS633 |
References
- Berger, H. Über das Elektrenkephalogramm des Menschen. Arch. Psych. 87 (1), 527-570 (1929).
- Tobler, I., Deboer, T., Fischer, M. Sleep and sleep regulation in normal and prion protein-deficient mice. J. Neurosci. 17 (5), 1869-1879 (1997).
- Kohtoh, S., et al. Algorithm for sleep scoring in experimental animals based on fast Fourier transform power spectrum analysis of the electroencephalogram. Sleep Biol. Rhythm. 6 (3), 163-171 (2008).
- Rosenbaum, E. . Warum müssen wir schlafen? : eine neue Theorie des Schlafes. , (1892).
- Kubota, K. Kuniomi Ishimori and the first discovery of sleep-inducing substances in the brain. Neurosci. Res. 6 (6), 497-518 (1989).
- Ishimori, K. True cause of sleep: a hypnogenic substance as evidenced in the brain of sleep-deprived animals. Tokyo Igakkai Zasshi. 23, 429-457 (1909).
- Legendre, R., Pieron, H. Recherches sur le besoin de sommeil consécutif à une veille prolongée. Z. Allegem. Physiol. 14, 235-262 (1913).
- Inoué, S., Honda, K., Komoda, Y. Sleep as neuronal detoxification and restitution. Behav. Brain. Res. 69 (1-2), 91-96 (1995).
- Urade, Y., Hayaishi, O. Prostaglandin D2 and sleep/wake regulation. Sleep Med. Rev. 15 (6), 411-418 (2011).
- Ueno, R., Ishikawa, Y., Nakayama, T., Hayaishi, O. Prostaglandin D2 induces sleep when microinjected into the preoptic area of conscious rats. Biochem. Biophys. Res. Commun. 109 (2), 576-582 (1982).
- Krueger, J. M., Walter, J., Dinarello, C. A., Wolff, S. M., Chedid, L. Sleep-promoting effects of endogenous pyrogen (interleukin-1). Am. J. Physiol. 246 (6 Pt 2), R994-R999 (1984).
- Porkka-Heiskanen, T., et al. Adenosine: a mediator of the sleep-inducing effects of prolonged wakefulness. Science. 276 (5316), 1265-1268 (1997).
- Garcia-Garcia, F., Acosta-Pena, E., Venebra-Munoz, A., Murillo-Rodriguez, E. Sleep-inducing factors. CNS Neurol. Disord. Drug. Targets. 8 (4), 235-244 (2009).
- Huitron-Resendiz, S., et al. Urotensin II modulates rapid eye movement sleep through activation of brainstem cholinergic neurons. J. Neurosci. 25 (23), 5465-5474 (2005).
- Wilkins, R. H., Brody, I. A. Encephalitis lethargica. Arch. Neurol. 18 (3), 324-328 (1968).
- von Economo, C. Die encephalitis lethargica. Wien. Klin. Wochenschr. 30, 581-585 (1917).
- Moruzzi, G., Magoun, H. W. Brain stem reticular formation and activation of the EEG. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1 (4), 455-473 (1949).
- Saper, C. B., Fuller, P. M., Pedersen, N. P., Lu, J., Scammell, T. E. Sleep state switching. Neuron. 68 (6), 1023-1042 (2010).
- Jones, B. E., Krnjevic , K., L, D. e. s. c. a. r. r. i. e. s., S, M. i. r. c. e. a. . Progress in Brain Research. 145, 157-169 (2004).
- Saper, C. B., Scammell, T. E., Lu, J. Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms. Nature. 437 (7063), 1257-1263 (2005).
- Fort, P., Bassetti, C. L., Luppi, P. H. Alternating vigilance states: new insights regarding neuronal networks and mechanisms. Eur. J. Neurosci. 29 (9), 1741-1753 (2009).
- Lu, J., Sherman, D., Devor, M., Saper, C. B. A putative flip-flop switch for control of REM sleep. Nature. 441 (7093), 589-594 (2006).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2001).
- Lazarus, M., et al. Arousal effect of caffeine depends on adenosine A2A receptors in the shell of the nucleus accumbens. J. Neurosci. 31 (27), 10067-10075 (2011).
- Huang, Z. L., et al. Adenosine A2A, but not A1, receptors mediate the arousal effect of caffeine. Nat. Neurosci. 8 (7), 858-859 (2005).
- Qu, W. M., Huang, Z. L., Xu, X. H., Matsumoto, N., Urade, Y. Dopaminergic D1 and D2 receptors are essential for the arousal effect of modafinil. J. Neurosci. 28 (34), 8462-8469 (2008).
- Huang, Z. L., et al. Arousal effect of orexin A depends on activation of the histaminergic system. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 98 (17), 9965-9970 (2001).
- Xu, Q., et al. A mouse model mimicking human first night effect for the evaluation of hypnotics. Pharmacol. Biochem. Behav. 116, 129-136 (2014).
- Cho, S., et al. Marine polyphenol phlorotannins promote non-rapid eye movement sleep in mice via the benzodiazepine site of the GABAA receptor. Psychopharmacol. 231 (14), 2825-2837 (2014).
- Liu, Y. Y., et al. Piromelatine exerts antinociceptive effect via melatonin, opioid, and 5HT1A receptors and hypnotic effect via melatonin receptors in a mouse model of neuropathic pain. Psychopharmacol. 231 (20), 3973-3985 (2014).
- Qu, W. M., et al. Lipocalin-type prostaglandin D synthase produces prostaglandin D2 involved in regulation of physiological sleep. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103 (47), 17949-17954 (2006).
