Kronisk sömnbrist i musen PUP med hjälp av skonsam hantering
Summary
Vi beskriver en sleep deprivation teknik känd som varsam hantering där utredarna försiktigt prod möss som helst sova beteende observeras. Denna metod är ett kraftfullt verktyg som tillåter forskare att studera effekterna som kronisk sömn begränsning i hela utvecklingen kan få på framtida hjärnans fysiologi och beteende.
Abstract
Sömn är avgörande för god utveckling och neural plasticitet. Dessutom är onormal sömnmönster kännetecknar många neurologiska utvecklingsavvikelser. Studera hur kronisk sömn begränsning under utveckling kan påverka vuxna beteende kan lägga till vår förståelse av uppkomsten av beteendemässiga symtom på kind. Medan det finns många metoder som kan användas för att begränsa sömn hos gnagare inklusive påtvingad förflyttning, ständiga avbrott, presentation av ett aversivt stimulus, eller elektriska stötar, många av dessa metoder är mycket stressande och kan inte användas i neonatala möss. Här beskriver vi skonsam hantering, en sleep deprivation teknik som kan användas för kroniskt hela utveckling och i vuxen ålder för att uppnå sömn begränsning. Skonsam hantering innebär noggrann observation av möss under hela sleep deprivation och kräver forskaren som försiktigt prod djuren när de är inaktiva eller Visa beteenden associerade med sömn. Tillsammans med EEG inspelningar, kunde varsam hantering användas selektivt störa en viss fas av sömn såsom rapid eye movement (REM) sömn. Tekniken med varsam hantering är ett kraftfullt verktyg för att studera effekterna av kronisk sömn begränsning även i neonatala möss som kringgår många av de mer stressande förfaranden som används för sömnbrist.
Introduction
Sömnen spelar en avgörande roll i neuronal plasticitet och synaps bildas och eliminering under hjärnans utveckling1,2. Specifikt, är rapid eye movement (REM) sömn viktigt för att bilda stabila synaptic kretsar genom båda stärka specifika synapser och synaptic beskärning2. Farmakologiska sömnbrist tidigt i livet leder till många fysiologiska och beteendemässiga underskott3,4. Förutom farmakologisk sömn deprivation, andra former av sömnbrist som konstant skakningar, tvingade locomotion eller presentation av ett aversivt stimulus har förknippats med depression-liknande symtom under vuxenlivet, olika neurala aktivering mönster och förändringar i sömn tid och sömn kontinuitet under en återhämtningsperiod efter frihetsberövande5,6,7. När sömnen är kroniskt begränsad hos möss i över fem veckor under utveckling, observerades beteendemässiga underskott efter en månad av sömn återvinning8. Sammantaget tyder dessa studier på att störningar av sömn i neonatal gnagare kan påverka senare sömnmönster, hjärnans funktion och beteende. Belysa vikten av sömn för hjärnans normala utveckling hos människor, många patienter med nervsystemets utveckling, inklusive autismspektrumstörningar, tuberös skleros Complex, Fragil X-syndromet och Attention-Deficit/Hyperactivity Sjukdom, rapportera avvikelser i sömnmönster förutom en mängd beteendemässiga underskott1.
Med tanke på antalet kind som är associerade med onormalt sömnmönster, är det viktigt att förstå hur Sömnbrist påverkar hjärnans funktion och beteende. Trots att data som stöder vikten av sömn under utveckling, de flesta metoder som begränsar eller beröva djur av sömn fokuserar på vuxna. Dessa tekniker inkluderar en mängd olika tester som kräver tvingade rörelseaktivitet (t.ex. konstant löpband), konstant störningar (t.ex. roterande sopmaskin bar eller kontinuerlig roman objekt presentation) eller störa djuret vid uppkomsten av REM-sömn (t.ex. plattform över vatten)9,10. Även om dessa metoder har effektivt visat problemen i samband med sömnbrist hos vuxna, är ingen av dessa metoder lämpliga för gnagare valpar på grund av deras begränsade rörlighet, hög sömn drive och de negativa effekterna av stress tidigt i livet. På grund av vikten av sömn under utveckling är det viktigt att förstå hur begränsad sömn i neonatal pups påverkar framtida beteende under vuxenlivet.
En teknik att begränsa sömn som kan användas hos gnagare ungar är varsam hantering. Skonsam hantering innebär att utredaren interagerar direkt med gnagare någon tid sömn beteende observeras. Utredarna kan använda sina händer, en pensel eller presentation av romanen objekt att fysiskt störa sömnen i neonatal gnagare8,10,11,12,13,14 . Sömn kan bestämmas behaviorally av bristande motorisk aktivitet, myokloniska ryckningar och öga stängning (i äldre gnagare pups). EEG validering bekräftar att störa sömnen med varsam hantering baserat på dessa beteenden minskar totala sömntiden med 91% i P12 råttor14. Andra tekniker som har använts för att beröva unga möss inkluderar elstötar och presentation av obehagliga stimuli, men dessa tekniker kan inte användas för kronisk sömn begränsning och är mer stressande än varsam hantering7, 15. kronisk sömn begränsning kan också åstadkommas genom en skakande protokoll som kan användas med eller utan EEG elektrod implantation och tillhörande programvara, men detta protokoll hindrar inte alla sömn och är därför mindre kontrollerade jämfört med varsam hantering4,16. Möjlighet att begränsa eller beröva möss sömn för många dagar i rad utan särskild utrustning, programvara eller elektrod implantation är en fördel av tekniken med varsam hantering. Kronisk sömn begränsning via skonsam hantering effektivt begränsar sömn i neonatal gnagare och producerar en mängd olika beteendeförändringar efter de sleep deprivation periodiska8,11,12, 17.
Här, beskriver vi resultat där kronisk sömnbrist tre timmar per dag från postnatal dag 5 (P5) till P42 avsevärt påverkar sällskaplighet möss efter en 30-dagars återhämtningsperiod där sömn inte störs. Dessa resultat belysa de långsiktiga effekterna av kronisk sömn begränsning under utveckling på framtida beteende.
Protocol
Representative Results
Discussion
Här beskriver vi en metod för sömnbrist, skonsam hantering, som kan användas i både gnagare ungar och vuxna. Mild lämna kräver forskare att iaktta möss för varaktigheten av en sleep deprivation perioden och försiktigt prod djuren när de är inaktiva eller ryckningar att förhindra sömn. Tidigare sömnstudier frihetsberövande har kontrollerat genom samtidig elektroencefalogram (EEG) inspelningar att varsam hantering förhindrar både REM och icke – REM NREM sömn10. Medan varsam hanter…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning har finansierats av intramurala forskningsprogrammet av NIMH (ZIA MH00889). RMS stöddes också av en FRAXA postdoktorsstipendium.
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).
