Noninvasiv, høj overførselshastighed bestemmelse af søvn varigheden i gnavere
Summary
Vi beskriver en høj overførselshastighed metode til måling af søvn ved hjælp af aktivitetsbaseret hjem-bur overvågning. Denne metode giver fordele i forhold til traditionelle EEG-baserede metoder. Det er godt valideret til bestemmelse af total sleep varighed og kan være et effektivt redskab til at overvåge søvn i gnavere modeller af sygdom hos mennesker.
Abstract
Traditionelt, er søvn overvåget af en elektroencefalografi (EEG). EEG undersøgelser i gnavere kræver kirurgisk implantation af elektroder efterfulgt af en lang restitutionsperiode. Hvis du vil udføre en EEG optagelse, er dyret forbundet til en modtager, at skabe en unaturlig tether til hoved-mount. EEG overvågning er tidskrævende, bærer risiko for dyr, og er ikke en helt naturlig ramme for måling af søvn. Alternative metoder til at opdage søvn, især i en høj overførselshastighed mode, ville meget videre søvn forskningsfelt. Her, beskriver vi en valideret metode til påvisning af søvn via aktivitetsbaseret hjem-bur overvågning. Tidligere undersøgelser har vist, at søvn vurderet via denne metode har en høj grad af enighed med søvn defineret af traditionelle EEG-baserede foranstaltninger. Der henviser til, at denne metode er valideret for total sleep-tid, er det vigtigt at bemærke, at søvn bout varighed bør vurderes af en EEG, som har bedre tidsmæssige opløsning. EEG kan også differentiere hurtige øjenbevægelser (REM) og REM-søvn, giver flere detaljer om den nøjagtige karakter af søvn. Ikke desto mindre, aktivitetsbaseret søvn bestemmelse kan bruges til at analysere flere dage uforstyrret søvn og vurdere søvn som en reaktion på en akut hændelse (f.eks. stress). Her viser vi magt af dette system til at opdage svar af mus til daglig intraperitoneal injektioner.
Introduction
Søvn har vigtige funktioner til genoprettelse af kroppen og hjernen efter den daglige byrde af vågenhed1. Det har vist sig at søvn spiller en rolle i hukommelse opbevaring og generelle hjernen plasticitet1. EEG er guldstandarden til at opdage søvn2. I gnavere kræver EEG overvågning kirurgisk implantation af elektroder anbragt på en hoved-mount, hvorefter dyret har brug for en periode af tid til at inddrive2. Efter inddrivelsen, dyret er knyttet til enheden til indspilning af og får en anden periode af tilvænning2. På grund af disse nødvendige perioder af recovery og tilvænning, EEG er tidskrævende og besværlige og med rimelighed kan ikke udføres på en stor skala. Desuden, bærer den kirurgiske procedure af elektrode implantation en iboende risiko for dyret. Endelig, dataanalyse scoring søvn i EEG undersøgelser er også meget omstændelig. Et alternativ, non-invasiv, høj overførselshastighed metode til overvågning af søvn ville i høj grad støtte gnaver sleep forskning.
En aktivitetsbaseret hjem-bur overvågningssystem anvendes til at påvise søvn omhandler begrænsningerne af EEG undersøgelser. Den simple logik er, at et inaktivt dyr er sandsynligvis en sovende dyr. Det har været vist, 40 s kontinuerlig inaktivitet (arkiveret lodret i 10 s epoker) er en pålidelig måling af søvn målt med en EEG (vist sig at have 88-94% aftale)3. Hjem-bur overvågningssystemer kan bruges til at studere store grupper af dyr med minimal opstillingstid. Vi har vist, at det tager dyrene ca en dag for at habituate til individuelle boliger i hjem-bur monitoring system4 i modsætning til genoprettelse nødvendige for EEG undersøgelser2uger. Derudover kan nogle opsætninger også påvise fysiologiske parametre som kroppens kernetemperatur, puls, aktivitet og fodring. Temperatur og puls bestemmes fra implantation af en lille sender. Disse parametre kan give mere information om musen og kan bruges parallelt med søvn optagelse yderligere føje til vores forståelse af søvn og hvordan det påvirkes.
Det er et kraftfuldt værktøj, er der nogle begrænsninger for typerne af data, der kan erhverves fra activity based hjem-bur overvågning. EEG undersøgelser kan skelne mellem REM og ikke – REM søvn, som kan være vigtig for en dybere forståelse af søvn arkitektur. Aktivitetsbaseret hjem-bur overvågningssystemer kan kun levere data til total sleep varighed. Selv om output for aktivitetsbaseret hjem-bur overvågning giver oplysninger om søvn bout varighed, kan vi præcist vurdere bout varighed på grund af den iboende begrænsning af 40 s intervaller3. Trods disse begrænsninger giver hjem-bur overvågning af søvn varighed en vigtig biologisk foranstaltning, der kan påvirke mange downstream faktorer herunder dyrets sundhed og adfærd5.
Aktivitetsbaseret hjem-bur overvågning har været brugt til at opdage søvn i mange undersøgelser der angiver dens alsidighed. Vi nævne et udsnit af disse undersøgelser4,6,7,8,9,10,11,12. Ud over den metode, der præsenteres, der findes andre metoder til påvisning af søvn via aktivitet-baseret overvågning, hver indeholdende sine egne begrænsninger13,14. Nogle af disse studier undersøger lange perioder med uafbrudt søvn (72 h) mens nogle undersøge søvn i blokke på 24 timer. I denne undersøgelse præsenterer vi søvn analyse for hver 24 timers periode efter svar daglige intraperitoneal (IP) injektioner og periodiske bur ændringer i en musemodel af skrøbelige X syndrom (Fmr1 KO mus). Vi valgte Fmr1 KO mus, fordi de har reduceret søvn4 og er hypotese for at være hyper-reaktiv til sensorisk information15. Vores data fremhæve muligheden for at registrere ændringer i søvnmønster som svar på en stressende begivenhed. Denne metode er ideel til at få generelle oplysninger om søvn i store kohorter af mus. Metoden kan være nyttige for at forstå virkningerne af specifikke genetiske ændringer på søvn, virkninger af farmakologiske behandlinger, eller svar til begivenheder, som en stressor. Desuden giver metoden en simpel anordning ved screening for et svar før indlede mere involveret undersøgelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her præsenterer vi en noninvasive, høj overførselshastighed metode til bestemmelse af søvn varigheden baseret på aktivitetsovervågning i hjemmet-bur. Denne metode til vurdering af total sleep-tid er blevet valideret mod EEG undersøgelser3. Aktivitetsbaseret hjem-bur overvågning er enkel, noninvasive og gælder for befolkningen undersøgelser i stort antal dyr. Det er begrænset, det ikke kan give detaljerede oplysninger om søvn (såsom søvn bout varighed og søvn etaper).
<p class="j…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende NIH Fellows Editorial Board for deres redaktionelle bistand. Denne forskning er finansieret af murene forskningsprogrammet NiMH (ZIA MH00889). RMS blev også støttet af en FRAXA postdoc stipendium.
Materials
| Comprehensive Lab Animal Monitoring System (CLAMS) | Columbus Instruments | Equipment and software to analyze sleep duration | |
| Captisol Research Grade | Captisol | RC-0C7-100 | Captisol for dissolving hydrophobic compounds |
| 30 G BD Needle 1/2 inch | BD | 305106 | Needle for injections |
| BD Disposable Syringes | Fisher | 14-823-30 | Syringes for injections |
| B6.129P2-Fmr1tm1Cgr/J | Jackson Labs | 3025 | Fmr1 KO mice |
| Super Mouse 750 Mouse Cage | Lab Products, Inc. | Homecages for the mice | |
| SANI-Chips Bedding | PJ Murphys | Bedding for the 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 sciences. 4, 150-201 (2014).
- Ingvar, M. C., Maeder, P., Sokoloff, L., Smith, C. B. The effects of aging on local rates of cerebral protein synthesis in rats. Monographs in neural sciences. 11, 47-50 (1984).
- Pack, A. I., et al. Novel method for high-throughput phenotyping of sleep in mice. Physiological genomics. 28, 232-238 (2007).
- Sare, R. M., et al. Deficient Sleep in Mouse Models of Fragile X Syndrome. Front Mol Neurosci. 10, (2017).
- Alvarez, G. G., Ayas, N. T. The impact of daily sleep duration on health: a review of the literature. Progress in cardiovascular nursing. 19, 56-59 (2004).
- Kincheski, G. C., et al. Chronic sleep restriction promotes brain inflammation and synapse loss, and potentiates memory impairment induced by amyloid-beta oligomers in mice. Brain, behavior, and immunity. 64, 140-151 (2017).
- Sare, R. M., Levine, M., Hildreth, C., Picchioni, D., Smith, C. B. Chronic sleep restriction during development can lead to long-lasting behavioral effects. Physiology & behavior. 155, 208-217 (2015).
- Moretti, P., Bouwknecht, J. A., Teague, R., Paylor, R., Zoghbi, H. Y. Abnormalities of social interactions and home-cage behavior in a mouse model of Rett syndrome. Human molecular genetics. 14, 205-220 (2005).
- Guzman, M. S., et al. Mice with selective elimination of striatal acetylcholine release are lean, show altered energy homeostasis and changed sleep/wake cycle. Journal of neurochemistry. 124, 658-669 (2013).
- Vecsey, C. G., et al. Daily acclimation handling does not affect hippocampal long-term potentiation or cause chronic sleep deprivation in mice. Sleep. 36, 601-607 (2013).
- Bogdanik, L. P., Chapman, H. D., Miers, K. E., Serreze, D. V., Burgess, R. W. A MusD retrotransposon insertion in the mouse Slc6a5 gene causes alterations in neuromuscular junction maturation and behavioral phenotypes. PloS one. 7, e30217 (2012).
- Angelakos, C. C., et al. Hyperactivity and male-specific sleep deficits in the 16p11.2 deletion mouse model of autism. Autism research: official journal of the International Society for Autism Research. 10, 572-584 (2017).
- Fisher, S. P., et al. Rapid assessment of sleep-wake behavior in mice. Journal of biological rhythms. 27, 48-58 (2012).
- Mang, G. M., et al. Evaluation of a piezoelectric system as an alternative to electroencephalogram/ electromyogram recordings in mouse sleep studies. Sleep. 37, 1383-1392 (2014).
- Chen, L., Toth, M. Fragile X mice develop sensory hyperreactivity to auditory stimuli. Neuroscience. 103, 1043-1050 (2001).
