כימות אינפרה איטית דינמיקה של הספק ספקטרלי ואת קצב הלב בעכברים שינה
2 באוגוסט 2017
כאן, אנו מציגים פרוצדורות ניסוייות ואנליטיות כדי לתאר את הדינמיקה הזמנית של המשתנים העצביים והלבניים של שינה שאינה REM בעכברים, המווסתים את היענות השינה לגירויים אקוסטיים.
המטרה הכוללת של הליך זה, היא לתאר כיצד פעילויות עצביות ולביות מתואמות במהלך שנת non-REM של עכבר. באמצעות ניטור וניתוח אותות אלקטרואנצפלוגרפיים, אלקטרומיוגרפיים ואלקטרוקרדיוגרפיים. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום השינה.
כמו למשל כיצד שינה מיישבת בין שני צרכים חיוניים שנשמרו אבולוציונית. שיהיו גם רציפים וגם שבריריים. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא משתמשת בפוליסומנוגרפיה סטנדרטית כדי להבקיע שנת non REM בצורה חדשה המבוססת על התגובות ההתנהגותיות המשתנות לגירויים חיצוניים.
הרעיון לשיטה הזו עלה לראשונה כאשר ראינו שעכברים ישנים הראו תגובות משתנות לרעש כמו למשל התעוררות ושינה. בדרך כלל אנשים חדשים בשיטה זו יתקשו מכיוון שהיא משלבת מיומנות כירורגית, ניסויים מינימליים וניתוח מתקדם. הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית מכיוון שמספר שלבים חיוניים חדשים בתחום.
במיוחד בנוגע לעיצוב התנהגותי וניתוח נתונים. ההשלכות של טכניקה זו משתרעות על אבחון הפרעות שינה בבני אדם. מכיוון שהוא מזהה את רגעי השינה השבריריים ביותר.
כדי להתחיל בהליך, התכוננו לאקו-גיאולקטרודות EEG באמצעות חתיכות חוט זהב באורך 0.5 סנטימטר, כל אחת מולחמת על גבי בורג פלדה מצופה זהב. לאחר מכן נקו אותם ב-70% אתנול. לאחר מכן הכינו שתי אלקטרודות EMG-ECG עם חוטי זהב באורך של שלושה עד ארבעה סנטימטרים.
כופפו את החוטים בזווית של 90 מעלות סנטימטר אחד מקצה אחד והכינו סליל בקצה השני. בין שני הקצוות כופפו את החוט ליצירת עקמומיות קטנה התואמת את פרופיל פני השטח של העצם בין המוח הקטן ללמבדה. לאחר מכן, הכינו מחבר ראש נקבה לזכר בעל שישה ערוצים על ידי כיסוי המחבר של סיכות נקבה וזכר בבסיס בסרט.
לאחר מכן הוסף לסיכות בפינות מעט פח כדי להקל על תהליך ההלחמה. בשלב זה, הניחו חיה מורדמת על המנגנון הסטריאוטקסי על ידי מיקום הפה. פעולה זו תתקן את ראש העכבר.
לאחר מכן תקן את הראש על ידי מיקום מוטות האוזניים בגולגולת עם הקצוות ההפוכים הבוטים שלהם. לאחר מכן הרם את העור במרכז הגולגולת וחתך בעדינות את החלק המורם של העור לאורך קו האמצע מהחלק העליון של הצוואר ועד לגובה העיניים. לאחר מכן הסר את הקרקפת.
ודא שהחלון גדול מספיק כדי לראות בבירור את סדקי הברגמה והלמבדה של הגולגולת. תקן את העור משני הצדדים עם סרפינים של בולדוג כדי להבטיח גישה לעצם. לאחר מכן, הסר בזהירות את רקמת הלחמית בעזרת אזמל.
נקו את האזור עם חומר חיטוי על בסיס יוד וייבשו את הגולגולת בעזרת ספוגית חיטוי. לאחר מכן בעזרת להב אזמל חד, גרדו את הגולגולת לקבלת משטח עצם נקי ומטושטש. בעזרת קצה האזמל בלבד, מגרדים רשת כמו רשת של חורשות עם מרחק של מילימטר עד שני מילימטרים בין החריצים.
לאחר מכן, בצע ארבע קרניוטומיות בגולגולת במקומות ספציפיים עם מיקרו-מקדחה. בזמן הקידוח יש לפוצץ את אבק העצם באמצעות פיפטת פסטר ולנקות כל דימום בעזרת ספוגיות חיטוי. אם מתרחש דימום, ודא שהוא נעצר לחלוטין לפני חידוש התהליך.
השתמש בספוג המוסטטי כדי להאיץ את המוסטזיס. תקן את הבורג במהדק המוסטטי. בחצי הכדור השמאלי, הברג שני ברגים מצופים זהב דרך הגולגולת.
החזק את ה-clamp אנכית מעל הגולגולת וסובב את הבורג מבלי לסטות מהמיקום האנכי. פתח בעדינות את ההמוסטטי clamp כדי לשחרר את הבורג. בחצי הכדור הימני הברג את האלקטרודות שהוכנו בעבר דרך הגולגולת.
הוסף טיפת דבק על החלק האמצעי של הגולגולת כדי להבטיח הידבקות הדוקה של ה-EMG-ECG השמאלי. הרם בזהירות את גבול העור משרירי הצוואר בעזרת מלקחיים והכנס את חוטי ה- EMG-ECG עם הקצוות המפותלים בשרירים. כדי לזהות את אותות האק"ג של הלב במהלך השינה, ודא שחוט ה-EMG-ECG מוחדר לשריר לעומק של כ-0.8 עד סנטימטר אחד.
מקם את ה-EMG-ECG השמאלי ליד בורג העיגון השמאלי האחורי. חזור על ההליך כדי להכניס את ה-EMG-ECG הימני. מקם את ה-EMG-ECG הימני ליד בורג העיגון השמאלי הקדמי.
ודא שקצוות הלולאה ממוקמים רחוק ככל האפשר זה מזה. חשוב שחוטי ה-EMG-ECG יוחדרו עמוק מספיק לתוך השריר על מנת שניתן יהיה לזהות את קצב הלב בצורה מהימנה. בעזרת מרית מרחו את דבק האפוקסי הדו-רכיבי על הגולגולת בין הברגים וסביבם.
תן לו להתייבש באור אך הגן על עיני החיה מפני תאורה מוגזמת. נסה למקם את פיני המחבר קרוב ככל האפשר כדי למזער את גובה השתל באמצעות מנורת תנין קטנה. הלחמו את ארבעת הפינים בפינת המחבר לארבעת החוטים.
צמצם את זמן המגע עם קצה ההלחמה מכיוון שהדבר מחמם במהירות את הברגים. לאחר מכן, מלאו את החלל בין הדבק למחבר במלט דנטלי וכסו את החלקים המולחמים. צור משטח חלק והימנע מקצוות חדים שעלולים לפגוע בבעל החיים.
בנוסף, הימנע מלגעת בעור מכיוון שהדבר מוביל לגירוד. עכשיו הסר את הסרפינים. לחטא את הפצע בחומר חיטוי על בסיס יוד.
במידת הצורך, סגור את הפצע עם נקודות תפר מלפנים ומאחורי המחבר. לאחר מכן, עקבו אחר בעל החיים מדי יום במשך שבוע וחפשו ירידה במשקל, פעילות מופחתת או חריגה וסימני זיהום. חמישה עד שישה ימים לאחר הניתוח, חבר את כבל ההקלטה למחבר הראש על החיה, והשאיר אותה בכלוב הביתי שלה.
המתן ארבעה עד חמישה ימים נוספים לפני תחילת ההקלטה כדי שהחיה תתרגל למצב ותישן באופן טבעי. עם תוכנה פוליסומנוגרפית מסחרית, רשום נתוני EEG ו-EMG-ECG במשך 48 שעות תוך שימוש בהגדרות טיפוסיות כגון רווח x 2000, קצב דגימה של 2000 הרץ בעת הרכישה, דגימה נמוכה ל-200 הרץ לאחר הרכישה. החל מסנן מעבר גבוה של 0.7 הרץ עבור כל עקבות ה-EEG ומסנן מעבר גבוה של 10 הרץ עבור כל עקבות EMG-ECG.
בהדגמה זו, העכבר ישן במשך יותר מ-40 שניות. להלן האותות האופייניים בתדר נמוך, משרעת גבוהה ב-EEG וטונוס השרירים הנמוך בעקבות EMG. חשוב שהעכבר ישן ביציבות לפחות 40 שניות לפני השמעת הרעש כדי להבטיח קו בסיס ארוך לניתוח השינה, לפני ההתעוררות או השינה.
עכשיו יינתן גירוי אקוסטי, כאן רעש לבן. במקרה זה, העכבר מתעורר תוך 10 שניות. שימו לב שה-EEG מבטל את הסנכרון כאשר העכבר מתעורר.
במקרה אחר, העכבר לא מתעורר, למרות שהרעש נמסר במשך יותר מ-20 שניות. שים לב שה-EEG אינו מבטל את הסינכרון. מוצגים כאן העקבות הגולמיים של ה-EEG בשחור ואותות ה-EMG-ECG המתאימים באפור, במשך 40 שניות לפני תחילת הרעש ובמהלך 20 שניות הרעש.
זהו אירוע שינה. וזו דוגמה לאירוע ההתעוררות. הנתונים המנותחים המתאימים עבור דינמיקת הספק סיגמא בחלון של 40 שניות לפני תחילת הרעש מוצגים כאן לשינה והתעוררות.
התוצאה העיקרית של ניתוח זה היא שעוצמת הסיגמא נמצאת בשפל שלה לפני תחילת הרעש לאירוע שינה ובשיא לאירוע התעוררות. בניגוד להתעוררות ולשינה באמצעות אירועים שהוצגו קודם, השלכנו את האירועים עם מעבר מוקדם לשנת REM. וגם השלכנו את האירועים עם התעוררות מוקדמת לפני תחילת הרעש.
בעת ניסיון הליך זה, חשוב לוודא שאות EMG מזהה את הדופק במהלך שנת שאינה REM. יתר על כן, זכור כי יש להבין את הליך הניתוח וליישם אותו בסקריפט תוכנה כדי לחלץ את התנודה האינפרא איטית. בעקבות הליך זה, ניתן לבצע שיטות אחרות, כגון הקלטות אלקטרופיזיולוגיות מקומיות, או גישות הדמיה כדי לעקוב אחר דפוסי פעילות באזורים מוגדרים במוח.
לאחר פיתוח מחדש, טכניקה זו סוללת את הדרך לחוקרים בתחום השינה האנושית לחקור כיצד פעילויות עצביות ולביות מאורגנות בשלבי השינה השונים אצל ישנים בריאים ובחולים עם הפרעות שינה. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד לציין ולנתח שנת non REM רטרוספקטיבית על סמך התגובתיות ההתנהגותית של העכבר הישן לגירוי אקוסטי.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג פרוצדורות ניסיוניות ואנליטיות לבדיקת התיאום בין הפעילות העצבית ללבבית במהלך שינה מסוג non-REM בעכברים. באמצעות ניטור אותות אלקטרואנצפלוגרפיים, אלקטרומיוגרפיים ואלקטרוקרדיוגרפיים, המחקר שואף להעמיק את ההבנה לגבי התגובתיות של השינה לגירויים חיצוניים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מדעי המוח
- מחקר שינה
- פיזיולוגיה של הלב
רקע
- הבנת דינמיקת השינה היא קריטית למדעי המוח.
- שינה מסוג Non-REM מאופיינת בדפוסים עצביים ומספרים לבביים מובחנים.
- גירויים חיצוניים יכולים להשפיע על מצבי שינה.
- מחקר זה עושה שימוש בטכניקות סטנדרטיות של פוליסומנוגרפיה.
מטרת המחקר
- לתאר את הדינמיקה הזמנית של משתנים עצביים ולביתיים במהלך שינה שאינה REM.
- לחקור כיצד משתנים אלו מווסתים את התגובתיות לשינה.
- לספק תובנות לגבי ההיבטים האבולוציוניים של השינה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- ניטור אלקטרואנצפלוגרפי (EEG)
- ניתוח אלקטרומיוגרפי (EMG)
- הערכת אותים אלקטרוקרדיוגרפיים (ECG)
- פוליסומנוגרפיה לדירוג שינה שאינה REM
תוצאות עיקריות
- זיהוי של פעילויות עצביות ולביות מתואמות במהלך השינה.
- הדגמה של תגובות התנהגותיות משתנות לגירויים אקוסטים.
- תובנות לגבי השבירות והרציפות של השינה.
- שיטות דירוג חדשניות לשינת non-REM המבוססות על תגובות לגירויים חיצוניים.
מסקנות
- המחקר מעמיק את ההבנה של דינמיקת השינה בעכברים.
- הממצאים עשויים להנחות מחקרים עתידיים על הפרעות שינה.
- ניתן להתאים פוליסומנוגרפיה סטנדרטית לניתוחים חדשניים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הבנת התיאום הדינמי בין המערכות העצביות והלבביות במהלך השינה מספקת מסגרת מכניסטית להערכת יציבות השינה וספי השכמה. גישה זו מאפשרת הפחתת סיכונים בהערכת היפותזות של מטרות למודולציה של שינה, על ידי קישור סממנים ביולוגיים אלקטרופיזיולוגיים לשבירות התנהגותית. היא תומכת בהמשכיות תרגומית ממודלים של מכרסמים לאבחון הפרעות שינה בבני אדם, באמצעות מצבי שינה כמותיים המגיבים לגירויים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות בנוגע ליציבות השינה על ידי קורלציה בין דינמיקת הספק סיגמא (sigma power) לבין תגובות התנהגותיות לגירויים אקוסטים.
- ערך תפעולי: מספק מדד כמותי לשבירות השינה שניתן להשתמש בו כדי לתקף מטרות המשפיעות על הצימוד העצבי-לבבי.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר מדדים זמניים סטנדרטיים ברזולוציה גבוהה של תנודות איטיות מאוד (infra-slow oscillations) ב-EEG ובקצב הלב במהלך שינה שאינה REM.
- ערך תפעולי: תומך במוכנות הבדיקה באמצעות דירוג פוליסומנוגרפי הדיר שחזור של מצבי שינה, המבוסס על הסבירות לעוררות בעקבות גירוי.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: ביסוס מערכת רלוונטית למחלה לבחינת מנגנונים של הפרעות שינה באמצעות זיהוי תקופות של עמידות תחושתית גבוהה ונמוכה.
- ערך תפעולי: מקל על רציפות פרה-קלינית על ידי מתן אפשרות להשוואה בין מינים של ארגון מצבי שינה בעכברים ובבני אדם.
שילוב תהליכי עבודה וקווי עיבוד
השיטה משתלבת בתהליכי עבודה של גילוי על ידי אספקת סטרטיפיקציה דינמית של מצבי שינה, המונחית על ידי ביומארקרים, לפני בדיקות של תרכובות או מחקרי מודולציה של מטרות.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקת השערות לגבי האופן שבו תיאום עצבי-לבבי מושפע ממעברים במצבי התנהגות במהלך השינה.
- סריקה: מספקת מדידות כמותיות של משתנים תלויים (sigma power, שונות בקצב הלב) המאפשרות השוואה בין תנאים על פני גנוטיפים או טיפולים שונים.
- אנליטיקה: מחלצת דינמיקה של תנודות תת-איטיות (infra-slow oscillation) המשמשות כמדדים חזויים ליציבות השינה ולרגישות ליקיצה.
- מחקר תרגומי: מקשרת פנוטיפים של שינה בעכברים ליישומים אנושיים באמצעות עקרונות ארגוניים שמורים של שינה לא-REM.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה ניתנת לשימוש חוזר להערכת תרכובים מושפעי שינה בשלבי הגילוי והשלב הפרה-קליני.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בתיקוף המטרה על ידי הפחתת העמימות בסיווג מצבי שינה.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות באמצעות השתלה סטנדרטית של אלקטרודות וצינורות עיבוד אותות.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות המשך/עצירה (go/no-go) על ידי זיהוי תרכובות המשנות את שבריות השינה מבלי להפריע למבנה השינה.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף מותאם סיכון של טיפולים בשינה בהתבסס על השפעות על צימוד נוירו-קרדיאלי איטי-תת (infra-slow).
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בניתוח סטריאוטקסי, הצבת אלקטרודות לפוליסומנוגרפיה ורכישת אותיות ביולוגיות.
- תלוי במיכשור המסוגל להקליט EEG/ECG בקצב דגימה גבוה ולבצע סינון לאחר הרכישה (מסנן מעביר-גבוה של 0.7 Hz עבור EEG, ו-10 Hz עבור ECG).
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין הקבוצות המנתחות, קבוצות הניתוח ההתנהגותי וקבוצות הביואינפורמטיקה לצורך פרשנות עקבית של הנתונים.
- שיקולי התאמה כוללים התאמת גודל האלקטרודות לפי המין ועומק החדרה לשריר לזיהוי ECG אמין.
- מגבלות מעשיות כוללות את הצורך בתקופות הסתגלות ממושכות ושינה בסיסית יציבה לפני מתן הגירוי.
שאלות נפוצות בנושאי ביו-פארמה
Chapters in this video
0:05
Title
1:39
Preparation of Electrodes
9:40
Conclusion
8:37
Results: Behavior Outcomes in Response to Noise Onset and the Results that are Retained or Excluded from Analysis
2:42
Implantation Surgery
6:52
Basic Scoring of EEG/EMG-ECG Data for Vigilance State Determination
