JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Neuroscience

Søvn nullifying apparatet: en svært effektiv metode for søvn frata Drosophila

Published: December 14, 2020
doi:
10.3791/62105
, , , ,
1Department of Neuroscience,Washington University School of Medicine

Summary

Søvnmangel er et kraftig verktøy for å undersøke søvnfunksjon og regulering. Vi beskriver en protokoll for å sove frata Drosophila ved hjelp av Sleep Nullifying Apparatus, og for å bestemme omfanget av rebound søvn indusert av deprivasjon.

Abstract

Søvn homeostase, økningen i søvn observert etter søvntap, er et av de definerende kriteriene som brukes til å identifisere søvn i hele dyreriket. Som en konsekvens er søvnmangel og søvnbegrensning kraftige verktøy som ofte brukes til å gi innsikt i søvnfunksjon. Likevel er søvnmangeleksperimenter iboende problematiske ved at selve deprivasjonsremulansen kan være årsaken til observerte endringer i fysiologi og oppførsel. Følgelig bør vellykkede søvnmangelteknikker holde dyrene våkne og ideelt sett resultere i en robust søvnretur uten også å fremkalle et stort antall utilsiktede konsekvenser. Her beskriver vi en søvnmangelteknikk for Drosophila melanogaster. Sleep Nullifying Apparatus (SNAP) administrerer en stimulus hver 10. Selv om stimulansen er forutsigbar, forhindrer SNAP effektivt >95% av nattsøvnen selv i fluer med høy søvnstasjon. Viktigst, den påfølgende homeostatiske responsen er svært lik den som oppnås ved hjelp av håndmangel. Tidspunktet og avstanden til stimuliene kan endres for å minimere søvntap og dermed undersøke ikke-spesifikke effekter av stimulansen på fysiologi og oppførsel. SNAP kan også brukes til søvnbegrensning og til å vurdere opphisselsesterskler. SNAP er en kraftig søvnforstyrrelsesteknikk som kan brukes til å bedre forstå søvnfunksjonen.

Introduction

Søvn er nær universell hos dyr, men funksjonen er fortsatt uklar. Sleep homeostase, kompenserende økning i søvn etter søvnmangel, er en definerende egenskap av søvn, som har blitt brukt til å karakterisere søvntilstander hos en rekke dyr1,2,3,4,5.

Søvn i fluen har mange likheter med menneskelig søvn, inkludert en robust homeostatisk respons på søvntap4,5. Tallrike studier av søvn i fluen har brukt søvnmangel både for å utlede søvnfunksjon ved å undersøke de negative konsekvensene som påløper fra utvidet våkne, og for å forstå søvnregulering ved å bestemme de nevrobiologiske mekanismene som styrer den homeostatiske reguleringen av søvn. Dermed søvn fratatt fluer ble vist å vise svekkelse i læring og minne6,7,8,9,10,11,12, strukturell plastisitet13,14,15, visuell oppmerksomhet16, utvinning fra nevronskade17,18, parring og aggressiv oppførsel19, 20, celleproliferasjon21, og svar på oksidativt stress22,23 for å nevne noen. Videre har undersøkelser av nevrobiologiske mekanismer som kontrollerer rebound-søvn gitt kritisk innsikt i nevronalmaskineriet som utgjør søvn homeostat8,9,23,24,25,26,27,28,29 . Til slutt, i tillegg til å avsløre grunnleggende innsikt i søvnfunksjon hos friske dyr, har søvnmangelstudier også informert innsikt i søvnfunksjon i syke tilstander30,31.

Mens søvnmangel unektelig er et kraftig verktøy, med noe søvnmangeleksperiment, er det viktig å skille fenotyper som skyldes utvidet våkne, fra de som er indusert av stimulansen som brukes til å holde dyret våken. Søvnmangel ved håndmangel eller skånsom håndtering, anses generelt som å sette standarden for minimal forstyrrende søvnmangel. Her beskriver vi en protokoll for søvnmangel av fluer ved hjelp av Sleep Nullifying Apparatus (SNAP). SNAP er en enhet som leverer en mekanisk stimulans til fluer hver 10. SNAP frarøver effektivt fluer av >98% av nattesøvnen, selv i fluer med høy søvnstasjon8,32. SNAP har blitt kalibrert på bang sensitive fluer, agitasjon av fluer i SNAP skader ikke fluer; søvnmangel med SNAP induserer en rebound som kan sammenlignes med det som oppnås ved håndmangel7. SNAP er dermed en robust metode for å sove frata fluer mens du kontrollerer for effekten av den opphissende stimulansen.

Protocol

1. Eksperimentell forberedelse Samle fluer som de eklose i hetteglass, skille mannlige og kvinnelige fluer.MERK: Søvneksperimenter utføres ofte med kvinnelige fluer. Det er viktig å samle jomfruhunner. Parrede kvinner vil legge egg som klekker seg inn i larver som kompliserer analysen av dataene. Huset flyr av et enkelt kjønn i grupper på <20.MERK: Boliger flyr i et sosialt beriket miljø (grupper av >50) modulerer søvnstasjon6,13</sup…

Representative Results

Canton S (Cs) ble brukt som en vill-type stamme. Fluer ble opprettholdt på en 12 timers lys: 12 timers mørk tidsplan, og søvn fratatt i 12 timer over natten. Inspeksjon av søvnprofilene til Cs flyr på grunnlinjen dag (bs), søvnmangel dag (sd), og to restitusjon dager (rec1 og rec2) (Figur 2A) antyder at fluer var effektivt søvn fratatt i SNAP, og gjenopprettet søvn i løpet av dagen i samsvar med observerte rapporter i litteraturen4<…

Discussion

Søvn i Drosophila ble uavhengig preget i 2000, av to grupper4,5. I disse banebrytende studiene ble fluer fratatt søvn ved skånsom håndtering (dvs. håndmangel) og vist å vise en robust homeostatisk respons på søvnmangel over natten. Viktig, med ethvert søvnmangeleksperiment er det avgjørende å kontrollere for potensielle forvirrende effekter av metoden som brukes til å holde dyret våken. Håndmangelstudier setter standarden for studier av fly…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet av NIH tilskudd 5R01NS051305-14 og 5R01NS076980-08 til PJS.

Materials

Locomotor activity tubes
Fisher Tissue Prep Wax Thermo Fisher 13404-122 Wax used for sealing tubes
Glass tubes Wale Apparatus 244050 We cut 5mm diameter Pyrex glass tubes into 65mm long tubes to record sleep. Pre-cut tubes can also be purchased.
Nutri Fly Bloomington Formulation fly food Genesee Scientific 66-113 Labs might use their own fly food recipe. It is important that sleep be recorded on the same food that flies were reared in.
Rotary glass cutting tool Dremel Multi Pro 395 Used to cut 65mm long glass tubes 
Monitoring Sleep
DAM System and DAMFileScan software Trikinetics Software used to acquire data from DAM monitors and save the acquired data in an appropriate format
Data acquisition computer Lenovo Idea Centre AIO3 A equivalent computer from any manufacturer can substitute
Drosophila Activity Monitors Trikinetics DAM2 These monitors are used to record flies' locomotor activity
Environment Monitor Trikinetics DEnM Not essential, but an easy way to monitor environmental conditions in the chamber where sleep is recorded
Light Controller Trikinetics LC4 A convenient way to control the timing of when the SNAP is turned on and off
Power Supply Interface Unit for DAM Trikinetics PSIU-9 Required for data acquisition computers to record Trikinetics locomotor acitvity data
RJ11 connector 7001-64PC Multicomp DAM monitors accept RJ11 jacks
Splitters Trikinetics SPLT5 Used to connect upto 5 DAM monitors
Telephone cable wire Radioshack 278-367 Phone cables to acquire data from DAM monitors
Sleep Deprivation
Power supply Gw INSTEK GPS-30300 Power supply for the SNAP
Sleep Nullifying Apparatus Washington University School of Medicine machine shop
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Nath, R. D., et al. The Jellyfish Cassiopea Exhibits a Sleep-like State. Current Biology. 27 (19), 2984-2990 (2017).
  2. Vorster, A. P., Krishnan, H. C., Cirelli, C., Lyons, L. C. Characterization of sleep in Aplysia californica. Sleep. 37 (9), 1453-1463 (2014).
  3. Zhdanova, I. V., Wang, S. Y., Leclair, O. U., Danilova, N. P. Melatonin promotes sleep-like state in zebrafish. Brain Research. 903 (1-2), 263-268 (2001).
  4. Shaw, P. J., Cirelli, C., Greenspan, R. J., Tononi, G. Correlates of sleep and waking in Drosophila melanogaster. Science. 287 (5459), 1834-1837 (2000).
  5. Hendricks, J. C., et al. Rest in Drosophila is a sleep-like state. Neuron. 25 (1), 129-138 (2000).
  6. Ganguly-Fitzgerald, I., Donlea, J., Shaw, P. J. Waking experience affects sleep need in Drosophila. Science. 313 (5794), 1775-1781 (2006).
  7. Seugnet, L., Suzuki, Y., Vine, L., Gottschalk, L., Shaw, P. J. D1 receptor activation in the mushroom bodies rescues sleep-loss-induced learning impairments in Drosophila. Current Biology. 18 (15), 1110-1117 (2008).
  8. Donlea, J. M., Thimgan, M. S., Suzuki, Y., Gottschalk, L., Shaw, P. J. Inducing sleep by remote control facilitates memory consolidation in Drosophila. Science. 332 (6037), 1571-1576 (2011).
  9. Seidner, G., et al. Identification of Neurons with a Privileged Role in Sleep Homeostasis in Drosophila melanogaster. Current Biology. 25 (22), 2928-2938 (2015).
  10. Li, X., Yu, F., Guo, A. Sleep deprivation specifically impairs short-term olfactory memory in Drosophila. Sleep. 32 (11), 1417-1424 (2009).
  11. Melnattur, K., et al. A conserved role for sleep in supporting Spatial Learning in Drosophila. Sleep. , 197 (2020).
  12. Seugnet, L., Suzuki, Y., Donlea, J. M., Gottschalk, L., Shaw, P. J. Sleep deprivation during early-adult development results in long-lasting learning deficits in adult Drosophila. Sleep. 34 (2), 137-146 (2011).
  13. Donlea, J. M., Ramanan, N., Shaw, P. J. Use-dependent plasticity in clock neurons regulates sleep need in Drosophila. Science. 324 (5923), 105-108 (2009).
  14. Bushey, D., Tononi, G., Cirelli, C. Sleep and synaptic homeostasis: structural evidence in Drosophila. Science. 332 (6037), 1576-1581 (2011).
  15. Huang, S., Piao, C., Beuschel, C. B., Götz, T., Sigrist, S. J. Presynaptic Active Zone Plasticity Encodes Sleep Need in Drosophila. Current Biology. 30 (6), 1077-1091 (2020).
  16. Kirszenblat, L., et al. Sleep regulates visual selective attention in Drosophila. Journal of Experimental Biology. 221, (2018).
  17. Singh, P., Donlea, J. M. Bidirectional Regulation of Sleep and Synapse Pruning after Neural Injury. Current Biology. 30 (6), 1063-1076 (2020).
  18. Stanhope, B. A., Jaggard, J. B., Gratton, M., Brown, E. B., Keene, A. C. Sleep Regulates Glial Plasticity and Expression of the Engulfment Receptor Draper Following Neural Injury. Current Biology. 30 (6), 1092-1101 (2020).
  19. Kayser, M. S., Yue, Z., Sehgal, A. A critical period of sleep for development of courtship circuitry and behavior in Drosophila. Science. 344 (6181), 269-274 (2014).
  20. Kayser, M. S., Mainwaring, B., Yue, Z., Sehgal, A. Sleep deprivation suppresses aggression in Drosophila. Elife. 4, 07643 (2015).
  21. Szuperak, M., et al. A sleep state in Drosophila larvae required for neural stem cell proliferation. Elife. 7, (2018).
  22. Vaccaro, A., et al. Sleep Loss Can Cause Death through Accumulation of Reactive Oxygen Species in the Gut. Cell. 181 (6), 1307-1328 (2020).
  23. Kempf, A., Song, S. M., Talbot, C. B., Miesenböck, G. A potassium channel β-subunit couples mitochondrial electron transport to sleep. Nature. 568 (7751), 230-234 (2019).
  24. Donlea, J. M., Pimentel, D., Miesenböck, G. Neuronal machinery of sleep homeostasis in Drosophila. Neuron. 81 (4), 860-872 (2014).
  25. Liu, S., Liu, Q., Tabuchi, M., Wu, M. N. Sleep Drive Is Encoded by Neural Plastic Changes in a Dedicated Circuit. Cell. 165 (6), 1347-1360 (2016).
  26. Pimentel, D., et al. Operation of a homeostatic sleep switch. Nature. 536 (7616), 333-337 (2016).
  27. Sitaraman, D., et al. Propagation of Homeostatic Sleep Signals by Segregated Synaptic Microcircuits of the Drosophila Mushroom Body. Current Biology. 25 (22), 2915-2927 (2015).
  28. Foltenyi, K., Greenspan, R. J., Newport, J. W. Activation of EGFR and ERK by rhomboid signaling regulates the consolidation and maintenance of sleep in Drosophila. Nature Neuroscience. 10 (9), 1160-1167 (2007).
  29. Seugnet, L., et al. Notch signaling modulates sleep homeostasis and learning after sleep deprivation in Drosophila. Current Biology. 21 (10), 835-840 (2011).
  30. Seugnet, L., Galvin, J. E., Suzuki, Y., Gottschalk, L., Shaw, P. J. Persistent short-term memory defects following sleep deprivation in a Drosophila model of Parkinson disease. Sleep. 32 (8), 984-992 (2009).
  31. Tabuchi, M., et al. Sleep interacts with aβ to modulate intrinsic neuronal excitability. Current Biology. 25 (6), 702-712 (2015).
  32. Melnattur, K., Zhang, B., Shaw, P. J. Disrupting flight increases sleep and identifies a novel sleep-promoting pathway in Drosophila. Science Advances. 6 (19), 2166 (2020).
  33. Thimgan, M. S., Suzuki, Y., Seugnet, L., Gottschalk, L., Shaw, P. J. The perilipin homologue, lipid storage droplet 2, regulates sleep homeostasis and prevents learning impairments following sleep loss. PLOS Biology. 8 (8), (2010).
  34. Keene, A. C., et al. Clock and cycle limit starvation-induced sleep loss in Drosophila. Current Biology. 20 (13), 1209-1215 (2010).
  35. Shaw, P. J., Tononi, G., Greenspan, R. J., Robinson, D. F. Stress response genes protect against lethal effects of sleep deprivation in Drosophila. Nature. 417 (6886), 287-291 (2002).
  36. Andretic, R., Shaw, P. J. Essentials of sleep recordings in Drosophila: moving beyond sleep time. Methods Enzymol. 393, 759-772 (2005).
  37. Seugnet, L., et al. Identifying sleep regulatory genes using a Drosophila model of insomnia. Journal of Neuroscience. 29 (22), 7148-7157 (2009).
  38. Bushey, D., Huber, R., Tononi, G., Cirelli, C. Drosophila Hyperkinetic mutants have reduced sleep and impaired memory. Journal of Neuroscience. 27 (20), 5384-5393 (2007).
  39. Geissmann, Q., et al. Ethoscopes: An open platform for high-throughput ethomics. PLOS Biology. 15 (10), 2003026 (2017).
  40. Faville, R., Kottler, B., Goodhill, G. J., Shaw, P. J., van Swinderen, B. How deeply does your mutant sleep? Probing arousal to better understand sleep defects in Drosophila. Scientific Reports. 5, 8454 (2015).
  41. Huber, R., et al. Sleep homeostasis in Drosophila melanogaster. Sleep. 27 (4), 628-639 (2004).
  42. Klose, M., Shaw, P. Sleep-drive reprograms clock neuronal identity through CREB-binding protein induced PDFR expression. bioRxiv. , (2019).
  43. Dissel, S., et al. Sleep restores behavioral plasticity to Drosophila mutants. Current Biology. 25 (10), 1270-1281 (2015).
  44. Gerstner, J. R., Vanderheyden, W. M., Shaw, P. J., Landry, C. F., Yin, J. C. Fatty-acid binding proteins modulate sleep and enhance long-term memory consolidation in Drosophila. PLoS One. 6 (1), 15890 (2011).

Tags

Sleep DeprivationSleep RestrictionDrosophilaSleep HomeostasisSleep RegulationSNAP (Sleep Nullifying Apparatus)Activity MonitoringLocomotor ActivitySleep BoutSleep Recovery

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Melnattur, K., Morgan, E., Duong, V., Kalra, A., Shaw, P. J. The Sleep Nullifying Apparatus: A Highly Efficient Method of Sleep Depriving Drosophila. J. Vis. Exp. (166), e62105, doi:10.3791/62105 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image