睡眠中のマウスにおけるスペクトルパワーおよび心拍数の低速ダイナミクスの定量化
Summary
ここでは、聴覚刺激に対する睡眠応答性を調節するマウスにおける非レム睡眠の神経および心臓変数の時間的ダイナミクスを記述するための実験的および分析的手順を提示する。
Abstract
覚醒、非眼球運動（非REM）睡眠、およびレム睡眠の3つの警戒状態が哺乳動物の生活を支配する。行動の神経相関が自由に動く動物で同定されるにつれて、この3つの細分はあまりにも単純化する。覚醒時には、瞳孔径や交感神経のバランスなどの周辺パラメータとともに、大域的および局所的な皮質活動のアンサンブルが様々な程度の覚醒を定義する。感覚刺激および覚醒、およびおそらく他の睡眠機能に対する回復の程度が徐々に変化し、末梢の生理状態がどのように変化するかという点で、睡眠が脳状態の連続体を形成する程度は不明のままである。睡眠中の複数のパラメータをモニターする方法を進歩させ、これらの機能的属性の配置に帰属する研究は、睡眠の理解を、多くの有益な効果が存在しなければならない多機能プロセス生きる睡眠状態を特徴づける新規パラメータを特定することは、睡眠障害における新規な診断手段の機会を開くであろう。
我々は、標準的な睡眠ポリグラフ記録技術を用いて脳波（EEG）/電気コルチコグラム（ECoG）、筋電図（EMG）、および心電図（ECG）信号の組み合わせ監視および分析を介してマウス非REM睡眠状態の動的変化を記述する手順を提示する。このアプローチを使用して、我々は、マウス非REM睡眠が、外部刺激に対する高低の脆弱性の連続的な25秒の間隔を生成する調整された神経振動および心臓振動の周期に組織化されることを見出した。したがって、統合された非レム睡眠中に、中枢および自律神経系が協調して行動的に異なる睡眠状態を形成する。我々は、自由に眠っているマウスのこれらのサイクルを追跡するために、睡眠ポリグラフ（ すなわち、 EEG / EMGとECGとの組み合わせ）モニタリングのための手術操作を提示し、それらのダイナミクス、および覚醒の可能性におけるそれらの役割を評価するための音響刺激プロトコルを含む。私たちのアプローチはすでに人間の睡眠にまで拡張されており、哺乳動物の非レム睡眠状態の共通の組織原理を解明することを約束しています。
Introduction
哺乳動物の睡眠は、環境刺激に対する休息と回復力の行動状態である。このような見かけ上の一様性にもかかわらず、睡眠ポリグラフおよび自律神経パラメータは、様々な時間的および空間的スケールで質的および量的に異なる神経および体性状態間で睡眠が移動することを示している1 。数分から数十分にわたり、非REMとレム睡眠との間の切り替えが起こる。非レム睡眠は、脳波の大振幅、低周波活動を伴い、〜0.5〜4Hz付近のスペクトルピークを伴い、レム睡眠はシータバンド（6〜10Hz）において規則的なEEG活動を示し、筋肉atonia 2 。非レム睡眠では、人間は光（S2）と深いスローウェーブスリープ（SWS）を繰り返します。そのネーミングが示すように、これら2つの段階が低く示し、より高い覚醒は、それぞれ、4、3閾値、及びそれらが低frequの密度に主に異なりますスロー波活動（SWA; 0.75〜4Hz）と呼ばれる大脳皮質の脳波のパワー。不均一性は、として広く試合5,6にわたってだけでなく、EEGによってSWAの可変存在によって文書化電位リズムをフィールド、サブセカンドタイムスケールにminute-上S2及びSWSの個々の発作を通して持続しますシグマバンド（10-15 Hz）で、ガンマリズムにスピンドル波を含む高い周波数（80から120ヘルツ）（レビューのために、7、8、9、10を参照されたいです）。
微妙ではなく、これらのバリエーションは人間の睡眠中の皮質状態をスペクトルの極端にシフトさせます。ノンレム睡眠のために、SWAの優位性から、その近似覚醒様活性状態へのこれらの範囲、それらが高周波成分11の実質的な割合が含まれているため<sup>、 12 。ノンレム睡眠は段階に細分化されていないが、げっ歯類や猫では、中間睡眠（IS）と呼ばれる短い期間は、REM睡眠開始13前に出てきます。このようなスピンドル波とSWA非REM睡眠の署名が、依然として存在している間IS中に、そのような海馬のシータ活性としてレム睡眠機能と先斗-geniculo-後頭部波は15、14 2つのスリープ状態のミックスを示す、開始します。それにもかかわらず、ISは、それが抗うつ薬16によって変調され、前の覚醒17の間に新規の物体提示によって変調され、覚醒閾値18の設定に寄与するので、機能的に異なる可能性がある。さらに、自由に動くラットのEEGおよびEMGパラメータの状態空間プロットは、非REM睡眠、REM睡眠および覚醒状態の間で連続する点14のクラスタを示す。 SWAにおける散発的減少は、連結非REM睡眠期間14、19、20の間に低および高周波数成分の相対的な存在下で実質的な変動につながる覚醒またはREM睡眠を入力せずに、またあります。最後に、非レム睡眠時のSWAと高周波数リズムの変化率は、時間的にのみならず、大脳皮質領域間の振幅と同期の地域差も示している19 。
哺乳類の非レム睡眠は一様ではありません。しかし、そのような不均一性が、機能および行動の属性が異なる状態につながるかどうかは不明である。いくつかのタイプの睡眠障害において、連続的な睡眠は、自発的な覚醒および不適切な運動行動によって中断される。また、スペクトルは、EEG 21に高い周波数の相対的な存在でshow変化を解析します呼吸数や心拍数などの自律的なパラメータが含まれます22 。したがって、安定した睡眠状態の秩序のあるシーケンスは撹乱され、皮質および/または自律神経覚醒の要素は制御されない方法で侵入する。したがって、睡眠状態の連続性を理解することは、疾患に関連する可能性がある。さらに、都市環境における環境騒音による睡眠の混乱は、一般的な健康リスクと関連しており、睡眠時の脆弱性が増す瞬間を特定することが重要です23 。
ヒトの睡眠における行動覚醒実験は光非REM睡眠（段階S2）とREM睡眠ショー同等と下覚醒に対し4閾値、SWA-支配非REM睡眠（段階S3）からウェイクアップするために最も困難なことがあることを示しています。短い音刺激の皮質処理は、REM睡眠、S2、およびS3 24の間で実質的に変化し、25、状態固有の皮質活動パターンが感覚処理の最初の段階を調節することを示します。ヒトにおけるノンレム睡眠のために、ノイズに応答してウェイクアップする傾向がEEG 26、27、28にスピンドル波とアルファリズムの存在によって変化します。スピンドルの視床皮質の律動性は、視床および皮質の両方のレベルでシナプスの抑制が増強され、これが知覚処理の減弱に寄与すると考えられている7 。
どのように騒音に耐えられ、脆弱な睡眠期間が時間内に整理され、その決定要因は何ですか？マウスおよびヒトの両方において、我々は最近、神経リズムにおける低速、0.02Hzの振動を同定した。この0.02Hzの振動の位相に依存して、マウスは、覚醒または睡眠のいずれかの外部刺激に対して可変反応性を示した雑音gh。興味深いことに、この振動は心拍数と相関し、自律神経系が睡眠の外部刺激に対する脆弱性の調節に関与することを示している1 。記憶関連の海馬リズムもこのリズムの中で組織されており、その強さは人間の記憶強化の質と相関していた。したがって、0.02Hzの振動は、環境に対する感受性と内部記憶処理の両方を調節するげっ歯類およびヒト非REM睡眠の組織原理であるようである。これは、睡眠状態のマルチパラメトリックかつ継続的な評価の必要性を再度強調し、その機能を認識し、潜在的な脆弱性の部位を特定する。
ここでは、これらの動態の波形を抽出する手順を提示します。これには、EEG / ECoGとEMG-ECG測定、感覚刺激への曝露、分析ルーチン。この手順は、異なる基本的な睡眠機能が連続的に実行される間、絶えず変化するが高度に組織化された警戒状態として睡眠を見るための基礎を提供する。より一般的には、この手順は、健康状態および疾患状態の両方において睡眠中の行動転帰に先行するスペクトルおよび自律神経の特徴を抽出することを目的とするアプローチに適用可能である。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここでは、EEG、EMG、およびECG変数を統合する非レム睡眠の連続時間プロファイルを確立する方法を示します。これは、ノイズに対して高及び低反発非REM睡眠1中編成され、その上、以前に認識されていないタイムスケールを識別するのに役立つことができ、マウスの睡眠の統合的記述を、開発に向けた最初のステップです。同様の時間的構造も、類似の分析1を</…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
私たちは、この原稿の執筆と慎重な読書への貢献について、すべてのラボメンバーに感謝します。外科手術プロトコールに関する有益なコメントをいただいたGisèleFerrand博士と騒音暴露のためのオリジナルのLabview実行ファイルを提供してくださったJean-Yves Chatton氏に感謝の意を表します。資金は、スイス国立科学財団（Grants 31003A_146244および31003A_166318）とEtat de Vaudによって提供されました。
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/ |
References
- 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. Neuroscience. 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).
