Kronisk søvnmangel i mus unger med skånsom håndtering
Summary
Vi beskriver en søvn berøvelse teknik kendt som skånsom håndtering hvor efterforskere forsigtigt prod mus helst sove adfærd er observeret. Denne metode er et kraftfuldt værktøj, der giver forskere til at studere de effekter, som kronisk søvn begrænsning i hele udvikling kan have på fremtidige hjernens fysiologi og adfærd.
Abstract
Søvn er afgørende for korrekt udvikling og neural plasticitet. Derudover er unormalt søvnmønster karakteristiske for mange forstyrrelser i nervesystemets. At studere hvordan kronisk søvn begrænsning under udvikling kan påvirke voksne adfærd kan føje til vores forståelse af fremkomsten af adfærdsmæssige symptomer på nervesystemets udvikling. Mens der er mange metoder, der kan bruges til at begrænse søvn i gnavere herunder tvungen bevægelse, konstante forstyrrelser, præsentation af et afskrækningsmiddel stimulus, eller elektrisk stød, mange af disse metoder er meget stressende og kan ikke bruges i neonatal mus. Vi beskriver her, skånsom håndtering, en sleep afsavn teknik, der kan bruges kronisk hele udvikling og ind i voksenalderen for at opnå søvn begrænsning. Skånsom håndtering indebærer tæt observation af mus i hele perioden søvn berøvelse og kræver forsker at forsigtigt prod dyrene, når de er inaktive eller vise adfærd forbundet med søvn. Kombineret med EEG optagelser, kan skånsom håndtering anvendes til selektivt forstyrre en bestemt fase i søvn som hurtige øjenbevægelser (REM) søvn. Skånsom håndtering teknik er et kraftfuldt værktøj til undersøgelse af virkningerne af kronisk søvn restriktion selv i neonatal mus, der omgår mange af mere stressende metoder til søvnmangel.
Introduction
Søvn spiller en afgørende rolle i neuronal plasticitet og synapse dannelse og eliminering under hjerne udvikling1,2. Specifikt, er hurtige øjenbevægelser (REM) søvn afgørende for at danne stabile synaptic kredsløb gennem begge styrkelse af specifikke synapser og synaptic beskæring2. Farmakologiske søvnmangel tidligt i livet fører til mange fysiologiske og adfærdsmæssige underskud3,4. Ud over farmakologiske søvn berøvelse, andre former for søvnmangel som konstant ryster, tvunget bevægelse eller præsentation af et afskrækningsmiddel stimulus har været forbundet med depression-lignende symptomer i voksenalderen, forskellige neurale aktivisering mønstre, og ændringer i søvn tid og søvn kontinuitet i et opsving periode efter afsavn5,6,7. Når søvn er kronisk begrænset i mus i over fem uger under udvikling, blev adfærdsmæssige underskud observeret efter en måned af søvn recovery8. Taget sammen, tyder disse undersøgelser på, at forstyrrelse af søvn i neonatal gnaver kan påvirke senere søvnmønster, hjernefunktion og adfærd. Fremhævelsen af betydningen af søvn i normal hjernens udvikling hos mennesker, mange patienter med nervesystemets, autismespektrumforstyrrelser, knolde sklerose komplekse, skrøbelige X syndrom og Attention-Deficit/Hyperactivity Lidelse, rapport abnormiteter i søvnmønstre ud over en række adfærdsmæssige underskud1.
I betragtning af antallet af nervesystemets, der er forbundet med unormale søvnmønstre, er det vigtigt at forstå, hvordan mangel på søvn påvirker hjernefunktion og adfærd. Trods de data, der understøtter betydningen af søvn under udvikling, de fleste metoder, som begrænser eller fratage dyr i søvn fokus på voksne. Disse teknikker omfatter en række test, der kræver tvunget bevægeapparatet aktivitet (f.eks. konstant løbebånd), konstante forstyrrelser (fx, roterende sweeper bar eller løbende roman objekt præsentation) eller forstyrrende dyr i starten af REM-søvn (fx platform over vand)9,10. Selv om disse metoder har effektivt vist problemerne i forbindelse med søvn hos voksne, er ingen af disse metoder passende for gnavere unger på grund af deres begrænsede mobilitet, høje søvn drev og de negative virkninger af stress tidligt i livet. Betydningen af søvn under udvikling er det vigtigt at forstå, hvordan begrænset søvn i neonatal pups påvirker fremtidige adfærd i voksenalderen.
En teknik til at begrænse søvn, der kan bruges i gnavere unger er skånsom håndtering. Skånsom håndtering indebærer investigator direkte interagere med gnavere enhver tid sleep behavior er observeret. Efterforskere kan bruge deres hænder, en pensel eller præsentation af nye objekter til fysisk forstyrre søvn i neonatal gnavere8,10,11,12,13,14 . Søvn kan bestemmes behaviorally ved manglende motorisk aktivitet, myoklon trækninger og øje lukning (i ældre gnaver pups). EEG validering bekræfter, at forstyrre søvn med skånsom håndtering baseret på disse adfærdsmønstre reducerer total sleep-tid med 91% i P12 rotter14. Andre teknikker, der er blevet brugt til at fratage unge mus omfatter elektrisk stød og præsentation af ubehagelige stimuli, men disse teknikker kan ikke bruges til kronisk søvn begrænsning og er mere stressende end skånsom håndtering7, 15. kronisk søvn begrænsning kan også ske gennem en rystende protokol, der kan bruges med eller uden EEG elektrode implantation og tilknyttede computersoftware, men denne protokol forhindrer ikke alle sove og derfor er mindre kontrolleres i forhold til skånsom håndtering4,16. Evnen til at begrænse eller fratage mus søvn for mange dage i træk uden særlige udstyr, computersoftware eller elektrode implantation er en fordel for skånsom håndtering teknik. Kronisk søvn begrænsning via skånsom håndtering effektivt begrænser søvn i neonatal gnavere og producerer en række adfærdsmæssige ændringer efter den søvn berøvelse periode8,11,12, 17.
Her, beskriver vi resultater som kronisk søvnmangel tre timer om dagen fra postnatal dag 5 (P5) til P42 væsentligt påvirker selskabelighed i mus efter en 30 dages tilbagebetalingsperioden, hvor søvn ikke er forstyrret. Disse resultater fremhæve de langsigtede virkninger af kronisk søvn begrænsning under udvikling på fremtidige adfærd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her vi beskrive en metode for søvnmangel, skånsom håndtering, der kan bruges i både gnaver unger og voksne. Blid aflevering kræver forskere at observere mus for varigheden af en søvn berøvelse periode og forsigtigt prod dyrene, når de er inaktive eller trækninger at forhindre søvn. Forudgående søvn berøvelse undersøgelser har bekræftet ved hjælp af samtidige elektroencefalografi (EEG) optagelser, skånsom håndtering forhindrer både REM og ikke – REM NREM søvn10. Mens skånsom h?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning er finansieret af murene forskningsprogrammet NiMH (ZIA MH00889). RMS blev også støttet af en FRAXA postdoc stipendium.
Materials
| C57BL/6J mice | Jackson Labs | 000664 | Wildtype mice used |
| Super Mouse 750 Mouse Cage | Lab Products, Inc. | Cages for the mice | |
| SANI-Chips Bedding | PJ Murphys | Bedding for the mice | |
| S&S Bristle Brush Assortment Pack | Staples | Item # 13764, Model AB37100 | Paint brushes are used to gently poke mice |
References
- Picchioni, D., Reith, R. M., Nadel, J. L., Smith, C. B. Sleep, plasticity and the pathophysiology of neurodevelopmental disorders: the potential roles of protein synthesis and other cellular processes. Brain Sci. 4 (1), 150-201 (2014).
- Li, W., Ma, L., Yang, G., Gan, W. B. REM sleep selectively prunes and maintains new synapses in development and learning. Nat Neurosci. 20 (3), 427-437 (2017).
- Peirano, P. D., Algarin, C. R. Sleep in brain development. Biol Res. 40 (4), 471-478 (2007).
- Mirmiran, M., et al. Effects of experimental suppression of active (REM) sleep during early development upon adult brain and behavior in the rat. Brain Res. 283 (2-3), 277-286 (1983).
- Feng, P., Ma, Y. Instrumental REM sleep deprivation in neonates leads to adult depression-like behaviors in rats. Sleep. 26 (8), 990-996 (2003).
- Frank, M. G., Morrissette, R., Heller, H. C. Effects of sleep deprivation in neonatal rats. Am J Physiol. 275 (1 Pt 2), R148-R157 (1998).
- Todd, W. D., Gibson, J. L., Shaw, C. S., Blumberg, M. S. Brainstem and hypothalamic regulation of sleep pressure and rebound in newborn rats. Behav Neurosci. 124 (1), 69-78 (2010).
- Sare, R. M., Levine, M., Hildreth, C., Picchioni, D., Smith, C. B. Chronic sleep restriction during development can lead to long-lasting behavioral effects. Physiol Behav. 155, 208-217 (2016).
- Colavito, V., et al. Experimental sleep deprivation as a tool to test memory deficits in rodents. Front Syst Neurosci. 7, 106 (2013).
- Franken, P., Dijk, D. J., Tobler, I., Borbely, A. A. Sleep deprivation in rats: Effects on EEG power spectra, vigilance states, and cortical temperature. Am J Physiol. 261 (1 Pt 2), R198-R208 (1991).
- Araujo, P., Coelho, C. A., Oliveira, M. G., Tufik, S., Andersen, M. L. Neonatal sleep restriction increases nociceptive sensitivity in adolescent mice. Pain Physician. 21 (2), E137-E148 (2018).
- Araujo, P., Tufik, S., Anderson, M. L. Sleep and pain: A relationship that begins in early life. Pain Physician. 17 (6), E787-E798 (2014).
- Hairston, I. S., et al. Sleep deprivation effects on growth factor expression in neonatal rats: a potential role for BDNF in the mediation of delta power. J Neurophysiol. 91 (4), 1586-1595 (2004).
- Hairston, I. S., et al. Sleep deprivation elevates plasma corticosterone levels in neonatal rats. Neurosci Lett. 315 (1-2), 29-32 (2001).
- Blumberg, M. S., Middlemis-Brown, J. E., Johnson, E. D. Sleep homeostasis in infant rats. Behav Neurosci. 118 (6), 1253-1261 (2004).
- Feng, P., Vogel, G. W., Obermeyer, W., Kinney, G. G. An instrumental method for long-term continuous REM sleep deprivation of neonatal rats. Sleep. 23 (2), 175-183 (2000).
- Xu, Z. Q., Gao, C. Y., Fang, C. Q., Zhou, H. D., Jiang, X. J. The mechanism and characterization of learning and memory impairment in sleep-deprived mice. Cell Biochem Biophys. 58 (3), 137-140 (2010).
- Barriga, C., Martin, M. I., Tabla, R., Ortega, E., Rodriguez, A. B. Circadian rhythm of melatonin, corticosterone and phagocytosis: Effect of stress. J Pineal Res. 30 (3), 180-187 (2001).
- Nadler, J. J., et al. Automated apparatus for quantitation of social approach behaviors in mice. Genes Brain Behav. 3 (5), 303-314 (2004).
- Thomas, A., et al. Marble burying reflects a repetitive and perseverative behavior more than novelty-induced anxiety. Psychopharmacology (Berl). 204 (2), 361-373 (2009).
- Karlsson, K. A., Blumberg, M. S. The union of the state: Myoclonic twitching is coupled with nuchal muscle atonia in infant rats. Behav Neurosci. 116 (5), 912-917 (2002).
