Polygraphic optagelse Procedure for måling af Sleep i mus
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
Tekniske fremskridt har ofte udfældet kvantespring i forståelsen af neurobiologiske processer. For eksempel, Hans Bergers opdagelse i 1929 at elektriske potentialer optaget fra det menneskelige hovedbunden tog form af sinusformede bølger, hyppigheden af, som var direkte relateret til niveauet af vågenhed af emnet, førte til hurtige fremskridt i forståelsen af søvn-vågne regulering, i både dyr og mennesker ens. 1 Til denne dag electroencephlogram (EEG), sammenholdt med elektromyogram (EMG), dvs.., elektriske aktivitet produceret af skelet muskler, repræsenterer de data "rygrad" af næsten hver eksperimentel og klinisk vurdering, der søger at korrelere adfærd og fysiologi med aktiviteten af corticalneuroner i fungerende dyr, herunder mennesker. I de fleste grundlæggende søvn forskningslaboratorier disse EEG optagelser udføres ved hjælp af et kabel-baseret system (figur 1), hvor erhvervet data udsættes off-line for at mønster og spektralanalyse [f.eks., at anvende en hurtig Fourier-transformation (FFT) algoritme] for at bestemme årvågenhed tilstand af patienten, der registreres. 2, 3 Sleep består af hurtigtvirkende øjenbevægelser (REM) og ikke-REM (NREM) søvn. REM-søvn er karakteriseret ved en hurtig lav spænding EEG, tilfældige øjenbevægelser, og muskel atonia, en tilstand, hvor musklerne effektivt lammet. REM-søvn er også kendt som paradoksalt søvn, fordi hjerneaktivitet ligner vågenhed, mens kroppen er i vid udstrækning adskilt fra hjernen og synes at være i dyb søvn. Derimod er motorneuroner stimuleres under NREM søvn, men der er ingen øjenbevægelser. Menneskelig NREM søvn kan opdeles i 4 faser, hvor fase 4 kaldes dyb søvn eller slow-wave søvn og er identificeret ved store, langsomme hjernebølger med delta-aktivitet mellem 0,5-4 Hz i EEG. På den anden side, en opdeling mellem faser NREM søvn i mindre dyr, som rotter and mus, er ikke fastslået, hovedsagelig fordi de ikke har lange konsoliderede søvnperioder som ses hos mennesker.
I årenes løb, og på grundlag af EEG fortolkning flere modeller af søvn-vågne regulering, både kredsløbs- og humorale-baseret, er blevet foreslået. Det neurale og cellulære grundlag af behovet for søvn eller alternativt "sleep-drev," forbliver uløst, men er blevet konceptualiseret som en homøostatisk tryk, der bygger i den vågne periode, og spredes af søvn. En teori er, at endogene somnogenic faktorer ophobes under vågenhed, og at deres gradvise ophobning er fundament søvn homeostatiske pres. Mens den første formelle hypotese, at søvn er reguleret af humorale faktorer er blevet krediteret Rosenbaum arbejde offentliggjort i 1892 4, var det Ishimori 5, 6 og Pieron 7, der selvstændigt, og over 100 år siden, viste, at der findes søvn-fremmende stoffer. Både forskere foreslået, og faktisk bevist, at hypnogenic stoffer eller 'hypnotoxins' var til stede i den cerebrale spinalvæske (CSF) i søvn-berøvet hunde. 8 I løbet af det sidste århundrede flere andre formodede hypnogenic stoffer impliceret i søvn homeostatiske proces er blevet identificeret (for en oversigt, se ref. 9), herunder prostaglandin (PG) D2, 10 cytokiner, 11 adenosin, 12 anandamid, 13 og urotensin II peptid. 14
Eksperimentelt arbejde ved Economo 15, 16, Moruzzi og magoun 17, og andre i de tidlige og medio 20. producerede fund århundrede, der inspirerede circuit-baserede teorier om søvn og vågenhed, og til en vis grad, overskyggede den daværende humorale teori om sove. Til dato har flere "circuit modeller" blevet foreslået, hver informeret af data af varierende kvalitet og mængde (til gennemsyn, se ref. 18). Den ene modelFor eksempel foreslår, at slow-wave sleep genereres gennem adenosin-medieret hæmning af acetylcholin-frigivelse fra cholinerge neuroner i den basale forhjerne, et område hovedsageligt bestaaende af kernen af den vandrette del af det diagonale bånd af Broca og substantia inominata. 19 En anden populær model af søvn / wake regulering beskriver en flip-flop-kontakt mekanisme på grundlag af gensidigt hæmmende interaktioner mellem søvndyssende neuroner i ventrolaterale præoptiske område og morgenvækning fremkaldende neuroner i hypothalamus og hjernestammen. 18, 20, 21 Desuden er det for at skifte ind og ud af REM-søvn, er blevet foreslået en lignende gensidigt hæmmende interaktion for områder i hjernestammen, som er den ventrale periaqueductal grå, lateral pontin tegmentum og sublaterodorsal kerne. 22. Tilsammen har disse modeller vist sig værdifulde heuristik og gav vigtige fortolkende rammer for studier i søvn forskning; imidlertid en It bedre forståelse for de molekylære mekanismer og kredsløb, der regulerer søvn-vågne cyklus vil kræve en mere komplet viden om dets komponenter. Systemet til polygrafisk optagelse beskrevet nedenfor bør støtte i dette mål.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol beskriver et set-up for EEG / EMG optagelser, der tillader en vurdering af søvn og vågenhed under lav-støj, omkostningseffektive, og high-throughput betingelser. På grund af den lille størrelse af EEG / EMG elektrodehoved samling, kan dette system kombineres med andre implantater til intra-hjerne eksperimenter, herunder optogenetics (optisk fiber implantation) eller, i forbindelse med samtidig kanyle implantation, microinfusion af lægemidler i musen hjernen. 31 Desuden er udformningen af …
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).
