Name: Cuantificación de la dinámica infrarroja de la potencia espectral y la frecuencia cardíaca en ratones dormidos (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 56 s
Description: Aprende a cuantificar la dinámica infrarroja de la potencia espectral y la frecuencia cardíaca en ratones dormidos mediante polisomnografía estándar. Este método permite analizar la coordinación entre actividades neural y cardíaca durante el sueño no REM.

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Agradecemos a todos los miembros del laboratorio por su contribución a la escritura y la lectura cuidadosa de este manuscrito. Estamos agradecidos a Paul Franken por las discusiones estimulantes, la Dra. Gisèle Ferrand por los comentarios útiles sobre el protocolo quirúrgico, y el Dr. Jean-Yves Chatton por proporcionar los archivos ejecutables Labview originales para la exposición al ruido. La financiación fue proporcionada por la Fundación Nacional Suiza de Ciencia (Subvenciones 31003A_146244 y 31003A_166318) y el Estado de Vaud.

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</ol>

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

Aquí, mostramos cómo establecer un perfil temporal continuo de sueño no REM que integre las variables EEG, EMG y ECG. Este es un primer paso hacia el desarrollo de una descripción integradora del sueño del ratón, que puede ayudar a identificar la escala de tiempo previamente no reconocida sobre la cual se organizan resiliencia alta y baja al ruido durante el sueño no REM 1 . Una similar estructura temporal también se describe en el sueño humano no REM a través de un análisis análogo [ <sup class=...

El sueño de los mamíferos es un estado conductual de descanso y de resistencia a los estímulos ambientales. A pesar de esta aparente uniformidad, los parámetros polisomnográficos y autonómicos indican que el sueño se mueve entre los estados neural y somático cualitativamente y cuantitativamente diferentes en varias escalas temporales y espaciales 1 . En cuestión de minutos a decenas de minutos, se produce el cambio entre el sueño REM y REM. El sueño no REM se acompaña de una actividad de gran amplitud y baja frecuencia en el EEG, con un pico espectral alrededor de ~ 0,5-4 Hz, mientras que el sueño REM muestra actividad EEG regular en la banda teta (6-10 Hz), junto con Atonia muscular 2 . Dentro del sueño no REM, los seres humanos circulan a través de la luz (S2) y el sueño profundo de onda lenta (SWS). Como su nombre lo indica, estas dos etapas muestran un menor y más alto umbral de excitación 3 , 4 , respectivamente, y difieren principalmente en la densidad de baja frecuenciaEnergía de EEG cortical, denominada actividad de onda lenta (SWA, 0,75-4 Hz). La no uniformidad persiste a lo largo de los episodios individuales de S2 y SWS en la escala de tiempo minuto a sub-segundo, como está ampliamente documentado por la presencia variable de SWA en el transcurso de un combate 5 , 6 , pero también por EEG y ritmos potenciales de campo en Frecuencias más altas, incluyendo ondas de huso en la banda sigma (10-15 Hz) y ritmos gamma (80-120 Hz) (para una revisión, ver 7 , 8 , 9 , 10 ). En lugar de ser sutiles, estas variaciones cambian el estado cortical del sueño en los seres humanos hasta los extremos del espectro. Para el sueño no REM, estos van desde un predominio de SWA a estados que se aproximan a la actividad de despertar porque contienen una proporción sustancial de componentes de alta frecuencia 11 <suP&gt;, 12 . En roedores y gatos, aunque el sueño no REM no se subdivide en etapas, un breve período llamado sueño intermedio (IS) emerge antes del inicio del sueño REM 13 . Durante IS, características REM del sueño, tales como la actividad del hipocampo theta y las ondas de iniciar, mientras firmas sueño no REM, como las ondas de husillo y SWA, todavía están presentes ponto-geniculo-occipital, lo que indica una mezcla entre los dos estados de sueño 14, 15. Sin embargo, la IS puede ser funcionalmente distinta porque está modulada por los antidepresivos 16 ya través de la presentación de nuevos objetos durante el despertar previo 17 , y contribuye a establecer el umbral de excitación 18 . Además, las gráficas espaciales de los parámetros EEG y EMG de las ratas que se mueven libremente muestran un grupo de puntos 14 que es continuo entre el sueño no REM, el sueño REM y la vigilia. También hay declinaciones esporádicas en SWA, sin entrar en la vigilia o el sueño REM, lo que conduce a fluctuaciones sustanciales en la presencia relativa de los componentes de baja y alta frecuencia durante un consolidado no sueño REM 14 , 19 , 20 . Finalmente, las proporciones variables de SWA y ritmos de mayor frecuencia durante el sueño no REM se producen no sólo en el tiempo, pero también muestran diferencias regionales en la amplitud y la sincronización entre las áreas corticales [ 19] . El sueño no REM de los mamíferos está lejos de ser uniforme. Sin embargo, si tal no uniformidad conduce a estados que difieren en funciones y atributos de comportamiento no está claro. En varios tipos de trastornos del sueño, el sueño continuo es interrumpido por despertares espontáneos y comportamiento motor inapropiado. Además, los análisis espectrales muestran alteraciones en la presencia relativa de frecuencias más altas en el EEG 21Y en los parámetros autonómicos, como las tasas de respiración y latidos cardíacos [ 22] . La secuencia ordenada de estados de sueño estables es así perturbada, y los elementos de excitación cortical y / o autónoma se introducen de manera incontrolada. Por lo tanto, la comprensión del continuo de los estados de sueño es de posible relevancia para la enfermedad. Además, la perturbación del sueño por el ruido ambiental en ambientes urbanos se asocia con riesgos generales para la salud, lo que hace crucial para identificar los momentos de mayor vulnerabilidad durante el sueño 23 . Los experimentos de excitación conductual en seres humanos durmientes indican que es más difícil despertarse del sueño no REM dominado por SWA (estadio S3), mientras que el sueño ligero no REM (etapa S2) y el sueño REM muestran umbrales de excitación comparables y menores 4 . El procesamiento cortical de los estímulos sonoros cortos varía sustancialmente entre el sueño REM, S2 y S3 24 ,25 , indicando que los patrones de actividad cortical específicos del estado modulan las primeras etapas del procesamiento sensorial. Para el sueño no REM en los seres humanos, la propensión a despertar en respuesta al ruido varía con la presencia de ondas de huso y los ritmos alfa en el EEG 26 , 27 , 28 . La ritmicidad talamocortical durante los husos se acompaña de una mayor inhibición sináptica en ambos niveles talámico y cortical, que se cree que contribuyen a la atenuación del proceso sensorial [ 7] . ¿Cómo se organizan los períodos de sueño resistentes al ruido y vulnerables en el tiempo y cuáles son sus determinantes? Tanto en ratones como en seres humanos, recientemente identificamos una oscilación infra-lenta de 0,02 Hz en los ritmos neurales. Dependiendo de la fase de esta oscilación de 0,02 Hz, los ratones mostraron reactividad variable a estímulos externos, ya sea despertando o durmiendoGh el ruido. Curiosamente, esta oscilación se correlacionó con la tasa de latidos cardíacos, lo que indica que el sistema nervioso autónomo participa en la modulación de la vulnerabilidad del sueño a estímulos externos [ 1] . Ritmos hipocampales relacionados con la memoria también se organizaron dentro de este ritmo, y, lo más sorprendente, su fuerza correlacionada con la calidad de la consolidación de la memoria en los seres humanos. La oscilación de 0,02 Hz, por lo tanto, parece ser un principio organizador de roedores y el sueño humano no REM que modula la sensibilidad al medio ambiente y el procesamiento de la memoria interna. Esto nuevamente resalta la necesidad de evaluaciones multiparamétricas y continuas de estados de sueño para reconocer su funcionalidad e identificar sitios de potencial vulnerabilidad. Aquí presentamos un procedimiento para extraer la forma de onda de estas dinámicas, incluyendo la implantación quirúrgica de ratones para mediciones combinadas EEG / ECoG y EMG-ECG, exposición a estímulos sensoriales,Nd rutinas de análisis. Este procedimiento proporciona una base para ver el sueño como un estado de vigilancia continuamente variable pero altamente organizado durante el cual diferentes funciones de sueño fundamentales se ejecutan secuencialmente. De manera más general, el procedimiento es aplicable a enfoques que buscan extraer las características espectrales y autonómicas que preceden a un resultado conductual durante el sueño tanto en estados de salud como en estados de enfermedad.

<table><tbody><tr><td>Pegamento epoxi de 2 componentes</td><td>Henkel</td><td>Loctite EA 3450</td><td></td></tr><tr><td>Fibra de sutura absorbible (Prolene)</td><td>Ethicon</td><td>5-0 FS-3</td><td></td></tr><tr><td>Pinzas Adson</td><td>FST</td><td>11006-12</td><td></td></tr><tr><td>Hisopo antiséptico</td><td>VWR</td><td>149-0332</td><td></td></tr><tr><td>Attane Isoflurano</td><td>Piramal</td><td>Isoflurano 250 ml</td><td></td></tr><tr><td>Conectores 3 x 2 canales</td><td>ENA AG</td><td>2.316</td><td>Raster 2,54 x 2,54 mm; tamaño 5 x 8 x 9 mm; tamaño del pin 5 mm; http://www.ena.ch/</td></tr> <tr><td>Conmutador Dragonfly</td><td>Dragonfly</td><td>Modelo #SL-10</td><td></td></tr><tr><td>Amplificador EMBLA Amplificador</td><td></td><td></td>EMBLA <td>A10</td></tr><tr><td>Tijeras finas</td><td>FST</td><td>14108-09</td><td></td></tr><tr><td>Cabeza plana Tornillo de acero chapado en oro</td><td>J.I. Morris</td><td>FF00CE125</td><td>https://jimorrisco.com/</td></tr><tr><td>Alambre de oro</td><td>CMSA</td><td>T.69 5gr</td><td>http://www.cmsa.ch/en/</td></tr> <tr><td>Esponja hemostática</td><td>Pfizer</td><td>Gelfoam</td><td></td></tr><tr><td>desinfectante a base de yodo (Betadine)</td><td>Mundipharma</td><td>solución estándar 60mL</td><td></td></tr><tr><td>Acero de perforación Komet 1/005PM104</td><td>UNOR AG</td><td>22310</td><td></td></tr><tr><td>Software de análisis Matlab</td><td>MathWorks</td><td>R2016b</td><td>https://ch.mathworks.com/products/matlab.html</td></tr><tr><td>Microdrill</td><td>Fine Science Tools</td><td>96758</td><td></td></tr><tr><td>Ratón Anestesia con gas Soporte para cabezal</td><td>Kopf Instruments</td><td>modelo 923-B</td><td>http://kopfinstruments.com/product/model-923-b-mouse-gas-anesthesia-head-holder/</td></tr> <tr><td>Ungüento oftálmico</td><td>Pharmamedica</td><td>VITA-POS</td><td></td></tr><tr><td>Paladur (líquido)</td><td>UNOR AG</td><td>2260215</td><td>para cemento dental</td></tr><tr><td>Palavit (polvo)</td><td>UNOR AG</td><td>5410929</td><td>para cemento dental</td></tr><tr><td>Cuadro estereotáxico para animales pequeños</td><td>Kopf Instruments</td><td>modelo 930</td><td>http://kopfinstruments.com/product/model-930-small-animal-stereotaxic-frame-assembly/</td></tr> <tr><td>Hilo de soldar</td><td>Stannol</td><td>593072</td><td></td></tr><tr><td>Controlador de temperatura - Mini sonda rectal</td><td>Phymep</td><td>4090502</td><td>http://www.phymep.com/produit/dc-temperature-controller/</td></tr> <tr><td>Controlador de temperatura- almohadilla térmica</td><td>Phymep</td><td>4090205</td><td>http://www.phymep.com/produit/dc-temperature-controller/</td></tr></tbody></table>

cuantificación de la dinámica infrarroja de la potencia espectral y la frecuencia cardíaca en ratones dormidos

Quantifying Infra-slow Dynamics of Spectral Power and Heart Rate in Sleeping Mice

Tres estados de vigilancia dominan la vida de los mamíferos: vigilia, sueño no rápido del movimiento ocular (no REM) y sueño REM. A medida que se identifican más correlatos neuronales del comportamiento en animales que se mueven libremente, esta subdivisión triple se vuelve demasiado simplista. Durante la vigilia, los conjuntos de actividades corticales globales y locales, junto con parámetros periféricos como el diámetro pupilar y el equilibrio simpatovagal, definen varios grados de excitación. Todavía no está claro hasta qué punto el sueño también forma un continuo de estados cerebrales -en el que el grado de resistencia a los estímulos sensoriales y la capacidad de despertar, y tal vez otras funciones del sueño- varían gradualmente y cómo los estados fisiológicos periféricos varían. La investigación que avanza los métodos para vigilar múltiples parámetros durante el sueño, así como atribuir a las constelaciones de estos atributos funcionales, es fundamental para perfeccionar nuestra comprensión del sueño como un proceso multifuncional durante el cual muchos efectos beneficiosos deben ser exEcuted La identificación de parámetros novedosos que caracterizan los estados de sueño abrirá oportunidades para nuevas vías diagnósticas en los trastornos del sueño. Presentamos un procedimiento para describir las variaciones dinámicas de los estados de sueño no REM del ratón mediante la monitorización y el análisis combinados de señales de electroencefalograma (EEG) / electrocorticograma (ECoG), electromiograma (EMG) y electrocardiograma (ECG) usando técnicas estándar de grabación polisomnográfica. Utilizando este enfoque, encontramos que el sueño no REM del ratón se organiza en ciclos de oscilaciones neurales y cardíacas coordinadas que generan sucesivos intervalos de 25 s de alta y baja fragilidad a estímulos externos. Por lo tanto, los sistemas nerviosos centrales y autónomos están coordinados para formar estados de sueño conductuales distintos durante el sueño consolidado no REM. Presentamos las manipulaciones quirúrgicas para monitorización polisomnográfica ( es decir, EEG / EMG combinado con ECG) para rastrear estos ciclos en el ratón libremente dormido, el análisis a cuantiFy su dinámica, y los protocolos de estimulación acústica para evaluar su papel en la probabilidad de despertar. Nuestro enfoque ya se ha extendido al sueño humano y promete desentrañar los principios comunes de organización de los estados de sueño no REM en los mamíferos.

Figura 2 A (panel superior) muestra estiramientos de 100 minutos de comportamiento espontáneo de sueño-vigilia, registrados a través de electrodos polisomnográficos implantados como se describe (ver Figura 1 ). Los aumentos y disminuciones de la amplitud de EEG y EMG en el inicio de sueño no REM son claramente visibles. El sueño REM intermitente está marcado por una disminución de la amplitud del EEG y una dismi...

Aquí, presentamos procedimientos experimentales y analíticos para describir la dinámica temporal de las variables neuronales y cardíacas del sueño no REM en ratones, que modulan la respuesta del sueño a los estímulos acústicos.

Cuantificación de la dinámica infrarroja de la potencia espectral y la frecuencia cardíaca en ratones dormidos

Three vigilance states dominate mammalian life: wakefulness, non-rapid eye movement (non-REM) sleep, and REM sleep. As more neural correlates of behavior ...

El objetivo general de este procedimiento es describir cómo se coordinan las actividades neuronales y cardíacas durante el sueño no REM del ratón. A través de la monitorización y análisis de señales electroencefalográficas, electromiográficas y electrocardiográficas. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo del sueño.Por ejemplo, cómo el sueño reconcilia dos necesidades esenciales y evolutivamente preservadas. Que deben ser a la vez continuas y frágiles. La principal ventaja de esta técnica es que utiliza la polisomnografía estándar para puntuar el sueño no REM de una forma novedosa que se basa en las respuestas conductuales variables a los estímulos externos.La primera vez que tuvimos la idea de este método fue cuando observamos que los ratones dormidos mostraban respuestas variables al ruido, como despertarse y dormir. Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades porque combina la habilidad quirúrgica, la experimentación mínima y el análisis avanzado. La demostración visual de este método es fundamental, ya que varios pasos esenciales son nuevos en el campo.En particular en lo que respecta al diseño conductual y al análisis de datos. Las implicaciones de esta técnica se extienden hacia el diagnóstico de los trastornos del sueño en humanos. Porque identifica los momentos del sueño que son altamente frágiles.Para comenzar el procedimiento, prepárese para EEG ecogeolectrodes utilizando piezas de alambre de oro de 0,5 centímetros de largo, cada una soldada encima de un tornillo de acero chapado en oro. A continuación, límpialos con etanol al 70%. A continuación, prepare dos electrodos EMG-ECG con hilos de oro de tres a cuatro centímetros de largo.Dobla los cables en un ángulo de 90 grados, a un centímetro de un extremo y prepara una bobina en el otro extremo. Entre los dos extremos, dobla el alambre para crear una pequeña curvatura que corresponde al perfil de la superficie del hueso entre el cerebelo y la lambda. Después de eso, prepare un conector de cabeza hembra a macho de seis canales cubriendo el conector de los pines hembra y macho en la base con cinta adhesiva.A continuación, añade a los pasadores de las esquinas un poco de estaño para facilitar el proceso de soldadura. En este paso, coloque un animal anestesiado en el aparato estereotáxico colocando la boca. Esto arreglará la cabeza del mouse.A continuación, fije la cabeza colocando las barras de las orejas en el cráneo con sus extremos reversos romos. Posteriormente, levante la piel en el centro del cráneo y corte suavemente la parte levantada de la piel a lo largo de la línea media desde la parte superior del cuello hasta el nivel de los ojos. A continuación, retira el cuero cabelludo.Asegúrese de que la ventana sea lo suficientemente grande como para ver claramente el bregma y las fisuras lambda del cráneo. Fije la piel por ambos lados con serafines de bulldog para asegurar el acceso al hueso. A continuación, retire con cuidado el tejido conjuntivo con un bisturí.Limpie el área con desinfectante a base de yodo y seque el cráneo con un hisopo antiséptico. Luego, con una hoja de bisturí afilada, rasque el cráneo para obtener una superficie ósea limpia y matificada. Usando solo la punta del bisturí, rasque una cuadrícula como una malla de arboledas con una distancia de uno a dos milímetros entre las ranuras.Después, realice cuatro craneotomías en el cráneo en lugares específicos con un microtaladro. Mientras perfora, sople el polvo de hueso con una pipeta pasteur y limpie cualquier sangrado con hisopos antisépticos. Si se produce un sangrado, asegúrese de que se detenga por completo antes de reanudar el proceso.Use una esponja hemostática para acelerar la hemostasia. Fije el tornillo en una abrazadera hemostática. En el hemisferio izquierdo, atornille dos tornillos chapados en oro a través de las craneotomías.Sostenga la pinza verticalmente por encima de la craneotomía y gire el tornillo sin desviarse de la posición vertical. Abra suavemente la abrazadera hemostática para soltar el tornillo. En el hemisferio derecho enroscar los electrodos previamente preparados a través de las craneotomías.Agregue una gota de pegamento en la parte media del cráneo para asegurar una adherencia firme del EMG-ECG izquierdo. Levante con cuidado el borde de la piel de los músculos del cuello con pinzas e inserte los cables EMG-ECG con los extremos enrollados en los músculos. Para detectar las señales de ECG cardíaco durante el sueño, asegúrese de que el cable EMG-ECG esté insertado en el músculo a una profundidad de aproximadamente 0,8 a un centímetro.Coloque el EMG-ECG izquierdo junto al tornillo de anclaje posterior izquierdo. Repita el procedimiento para insertar el EMG-ECG derecho. Coloque el EMG-ECG derecho junto al tornillo de anclaje anterior izquierdo.Asegúrese de que los extremos del bucle estén colocados lo más lejos posible entre sí. Es importante que los cables EMG-ECG se inserten lo suficientemente profundo en el músculo para que la frecuencia cardíaca se detecte de forma fiable. Con una espátula, aplique el pegamento epoxi de dos componentes a la calavera entre y alrededor de los tornillos.Déjalo secar a la luz pero protege los ojos del animal de una iluminación excesiva. Intente colocar las clavijas del conector lo más cerca posible para minimizar la altura del implante con una pequeña lámpara de cocodrilo. Suelde los cuatro pines en la esquina del conector a los cuatro cables.Minimice el tiempo de contacto con la punta de soldadura, ya que esto calienta rápidamente los tornillos. A continuación, rellene el espacio entre el pegamento y el conector con cemento dental y cubra las piezas soldadas. Cree una superficie lisa y evite los bordes afilados que puedan lastimar al animal.Además, evite tocar la piel, ya que esto provoca picazón. Ahora retira los serafines bulldog. Desinfectar la herida con un desinfectante a base de yodo.Si es necesario, cierre la herida con puntos de sutura delante y detrás del conector. Después, controle al animal todos los días durante una semana y busque pérdida de peso, actividad reducida o anormal y signos de infección. Cinco o seis días después de la cirugía, conecte el cable de grabación al conector de la cabeza del animal, dejándolo en su jaula de origen.Espere cuatro o cinco días más antes del inicio de la grabación para que el animal se habitúe a la condición y duerma de forma natural. Con un software polisomnográfico comercial, registre los datos de EEG y EMG-ECG durante 48 horas utilizando configuraciones típicas como 2000 x ganancia, una frecuencia de muestreo de 2000 hercios en la adquisición, muestreada a 200 hercios después de la adquisición. Aplique un filtro de paso alto de 0,7 hercios para todas las trazas de EEG y un filtro de paso alto de 10 hercios para todas las trazas de EMG-ECG.En esta demostración, el ratón ha estado durmiendo durante más de 40 segundos. Aquí están las señales características de baja frecuencia, alta amplitud en el EEG y el bajo tono muscular en las trazas EMG. Es importante que el ratón duerma de forma estable durante al menos 40 segundos antes de que se reproduzca el ruido para garantizar una línea de base larga para el análisis del sueño, antes de despertarse o dormir.Ahora se entregará un estímulo acústico, aquí un ruido blanco. En este caso, el ratón se despierta en 10 segundos. Tenga en cuenta que el EEG se desincroniza cuando el mouse se despierta.En otro caso, el ratón no se despierta, aunque el ruido se haya emitido durante más de 20 segundos. Tenga en cuenta que el EEG no se desincroniza. Aquí se muestran las trazas sin procesar del EEG en negro y las señales EMG-ECG correspondientes en gris, durante 40 segundos antes del inicio del ruido y durante los 20 segundos de ruido.Este es un evento de sueño. Y este es un ejemplo del evento de despertar. Los datos analizados correspondientes para la dinámica de potencia sigma en la ventana de 40 segundos antes del inicio del ruido se muestran aquí para el sueño y la vigilia.El resultado clave de este análisis es que la potencia sigma está en su punto más bajo antes del inicio del ruido para un evento de sueño y en su punto máximo para un evento de despertar. En contraste con los eventos de vigilia y sueño presentados anteriormente, descartamos los eventos con una transición temprana al sueño REM. Y también descartamos los eventos con un despertar temprano antes de que comience el ruido.Al intentar este procedimiento, es importante asegurarse de que la señal EMG detecte la frecuencia cardíaca durante el sueño no REM. Además, recuerde que el procedimiento de análisis debe entenderse e implementarse en un script de software para extraer la oscilación infralenta. Después de este procedimiento, se pueden realizar otros métodos, como registros electrofisiológicos locales o enfoques de diagnóstico por imágenes para seguir los patrones de actividad en áreas cerebrales definidas.Después de su redesarrollo, esta técnica allana el camino para que los investigadores en el campo del sueño humano exploren cómo se organizan las actividades neuronales y cardíacas en las diferentes etapas del sueño en durmientes sanos y en pacientes con trastornos del sueño. Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo calificar y analizar el sueño no REM retrospectivamente en función de la reactividad conductual del ratón dormido a un estímulo acústico.

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Investigación

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Neuroscience

Neurociencia

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Implantación de transmisores de radiotelemetría Ceder los datos en el ECG, frecuencia cardiaca, la temperatura corporal y la actividad en ratones de laboratorio de movimiento libre

Este video muestra un protocolo para implantar un conjunto de electrodos de electroencefalograma (EEG) y electromiograma (EMG) en un ratón anestesiado. El proceso consiste en asegurar el ratón en un marco estereotáxico, hacer una incisión en la línea media del cráneo, perforar agujeros para los electrodos y fijar la unidad de electrodos para el registro de la señal. Después de la recuperación, el comportamiento de sueño-activación del mouse se analiza utilizando las señales registradas.

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