방법 논문

마우스 절전 모드를 측정 등사 기록 절차

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DOI:

10.3791/53678

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2016년 1월 25일

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1International Institute for Integrative Sleep Medicine (WPI-IIIS), University of Tsukuba, 2Public Sector/Medical Solutions, Kissei Comtech Co., Ltd

이 논문에서

요약

자유롭게 행동하는 쥐에서 뇌파(EEG)와 근전도(EMG)를 기록하는 것은 행동 및 생리학을 수면 및 각성과 연관시키는 중요한 단계입니다. 본 명세서에 기술된 실험 프로토콜은 마우스에서 EEG 및 EMG 기록을 획득하기 위한 케이블-기반 시스템을 제공한다.

초록

쥐와 쥐와 같은 작은 동물의 경막외 뇌파(EEG)와 근전도(EMG)를 기록하는 것은 수면-각성 조절의 항상역학과 회로를 연구하는 데 중추적인 역할을 했습니다. 많은 실험실에서 케이블 기반 수면 기록 시스템을 사용하여 EEG 데이터의 전력 스펙트럼 분석을 기반으로 경계 상태의 자동 점수를 매기기 위한 컴퓨터 소프트웨어와 함께 자유롭게 행동하는 마우스의 EEG 및 EMG를 모니터링합니다. 이 시스템에 대한 설명은 여기에 자세히 설명되어 있습니다. 강철 나사는 EEG 신호를 모니터링하기 위해 전두엽 피질 영역과 1 반구의 두정엽 영역에 이식됩니다. 또한 EMG 활성은 양쪽 목 근육에 있는 와이어의 양측 배치에 의해 모니터링됩니다. 비급격 안구 운동(Non-REM; NREM) 수면은 EEG에서 델타 활성이 4Hz 미만인 크고 느린 뇌파를 특징으로 하는 반면, NREM 수면에서 REM 수면으로의 전환에서 6Hz에서 10Hz 사이의 세타 범위에서 저주파 델타 활동에서 빠른 저전압 EEG로의 전환이 관찰될 수 있습니다. 대조적으로, 각성은 EEG 추적에서 저전압 및 중전압 뇌파와 상당한 EMG 활동으로 식별됩니다.

서론

기술의 발전은 종종 신경 생물학적 과정의 이해에 양자 도약을 침전했다. 예를 들어, 인간의 두피로부터 기록 된 전기적 전위는 정현파의 형태를 걸린 1929 년 한스 버거의 발견은, 주파수가 직접 피사체의 각성의 수준과 관련하여, 휴면 각성의 이해의 급속한 발전을 주도 모두 동물과 인간 모두 규제,. 1이 날 electroencephlogram (EEG)에, 근전도 (EMG), 즉.와 함께, 골격근에 의해 생산 된 전기 활동은, 거의 모든 실험과 임상의 데이터 "백본"을 나타냅니다 인간을 포함한 동물을 행동에 대뇌 피질의 뉴런의 활동과 행동과 생리학의 상관 관계를 추구 평가. 가장 기본적인 수면 연구소에서는 이러한 뇌파 기록은 D를 인수, 상기 케이블 기반 시스템 (그림 1)를 사용하여 수행됩니다ATA가 패턴과 스펙트럼 분석에 오프라인 행한다 [예를 들면., 고속 푸리에 변환 (FFT) 알고리즘이 변환을 적용하는, 상기 환자의 각성 상태가 기록되는 결정한다. (2), (3) 슬립이 급속 안구 운동으로 구성 (REM)과 비 REM 수면 (NREM) 수면. REM 수면은 빠른 저전압 뇌파, 임의의 안구 운동, 근육 atonia, 근육이 효과적으로 마비 된 상태에 의해 특징입니다. 몸은 뇌에서 주로 분리되어 깊은 잠에 나타납니다 반면, 두뇌 활동, 즉 각성의 유사하기 때문에 REM 수면은, 역설적 수면으로 알려져있다. 대조적으로, 운동 신경은 NREM 수면 동안 자극하지만 안구 운동이 없다. 뇌파에서 4 Hz에서 - 인간 NREM 수면은 4 단계가 깊은 잠 또는 느린 파 수면이라고하며 0.5 델타 활동과 큰, 느린 뇌파에 의해 식별된다 4 단계로 나눌 수 있습니다. 한편, 쥐와 같은 작은 동물 NREM 수면의 단계 사이의 하부 조직,ND 쥐, 인간에서 볼 수 있듯이 그들은 수면의 긴 통합 기간이없는 대부분 때문에, 확립되어 있지 않다.

수년에 걸쳐, 그리고 EEG 해석에 기초하여, 휴면 각성 규제 여러 모델은, 회선 교환 및 체액 기반 모두 제안되었다. 신경과 수면 또는, 대안 적으로, 필요성의 셀룰러 기준 "슬립 드라이브"미해결로 남아 있지만 웨이킹주기 동안 구축하고 절전 의해 소산 항상성 압력으로 개념화되었다. 하나의 이론은 내생 somnogenic 요인이 깨어 동안 자신의 점진적인 축적이 수면 항상성 압력의 토대임을 축적이다. 체액 성 요인에 의해 규제 잠 첫 번째 공식 가설은 1892 4 년에 출판 로젠 바움의 작품에 반영되었지만, 이시 모리 5, 6, 독립적으로 Pieron 7, 그리고 100 년 전, 수면 촉진 화학 물질의 존재를 입증. 두 연구원은 hypnogenic 물질 또는 'hypnotoxins이'수면 박탈 개 뇌척수액 (CSF)의 존재 것을 제안, 실제로 입증했다. (8) 지난 세기 동안 잠 항상성 과정에 연루 몇 가지 추가 추정 hypnogenic 물질이 확인 된 (검토를 위해, 심판을 참조하십시오. 9), 프로스타글란딘 (PG) D 2, 10 사이토 카인, 11 아데노신, 12 아난다 마이드, 13 유로 텐신 II의 펩티드를 포함. (14)

어느 정도 수면과 각성하고, 회로 기반 이론에 영감을 초기와 중반 20 세기 생산 결과에 Economo 15, 16, Moruzzi 및 ​​Magoun (17), 그리고 다른 사람에 의해 실험 작업의 다음 일반적인 체액 이론을 가려 자다. 현재까지, 몇몇 "회로 모델은"각 (검토를 위해, REF. 18 참조)의 품질과 양을 변화시키는 데이터에 의해 통지 제안되었다. 하나의 모델예를 들어, 느린 파 수면 전뇌 기저부에, 영역이 주로 브로카의 대각선 밴드 substantia의 inominata의 수평 사지의 핵 개로 구성된 콜린성 뉴런으로부터의 아세틸 콜린 방출 아데노신 - 매개 저해를 통해 생성되는 것을 제안한다. 슬립 / 웨이크 규제 19 인기있는 또 다른 모델이 시상 및 뇌간에 ventrolateral 전핵 영역의 수면 - 유도 신경 세포 사이의 상호 억제 작용 및 웨이크 - 유발 신경 기초 플립 플롭 스위치 메커니즘을 설명한다. 18, 20, 21 또한,과 REM 수면 중 전환을 위해, 유사한 상호 억제 작용이 뇌간에서 지역을 위해 제안되었다, 즉, 복부 수도관 주위 회색질, 측면 뇌교 피개 및 sublaterodorsal 핵이다. (22)는 공동으로,이 모델은 가치 입증 휴리스틱 및 수면 연구에 연구를위한 여유 중요한 해석 프레임 워크; 그러나, 너희수면 - 각성주기를 조절하는 분자 메커니즘 및 회로의 T의 완전한 이해는 그 구성 요소의보다 완전한 지식을 필요로 할 것이다. 아래에 자세히 등사 기록 시스템은 이러한 목표에 도움이되어야합니다.

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프로토콜

윤리 문 : 동물 주제와 관련된 절차는 쓰쿠바 대학의 기관 동물 실험위원회에 의해 승인되었습니다.

EEG / EMG 녹음 1. 전극의 제조 및 케이블

  1. 다음 절차에 따라 EEG / EMG 기록 전극을 준비한다.
    주 : 전극은 일회용 1 동물에 대해서만 사용될 수있다. 신중하게 모든 커넥터 배선 구성을 계획합니다. 올바른 방향에 대한 커넥터에 마크를 놓습니다.
    1. 2 cm의 스테인레스 스틸 와이어로 4 핀 헤더의 각 핀을 납땜. 간단히, 핀 와이어의 한쪽 끝을 잡아 와이어 핀 조인트에 뜨거운 납땜 인두를 배치하고, 그 충분한 솔더 조인트에 원활하게 실행하기 위해 일부 솔더를 용융. 핀에 너무 많은 열을 적용하지 않도록주의하십시오; 그렇지 핀 주위 플라스틱 용융한다.
    2. 헤드 핀 헤더에 연결된 배선은 각각의 자유 단부 솔더1.0 mm 직경의 스테인레스 나사. 간단히, 나사 머리 아래 스레드 와이어의 끝을 잡고 와이어 나사 조인트에 뜨거운 납땜 인두를 배치하고, 그 충분한 솔더 조인트에 원활하게 실행하기 위해 일부 솔더를 용융. 나사없이 2 선은 근전도 기록 전극 역할을하는 반면 나사 2 전선, 뇌파 기록 전극의 역할을한다.
    3. EMG 신호의 질을 높이기 위해 EMG 전극의 단부에서 절연체를 1mm를 없애기 위해 가위를 사용한다.
    4. 완전히 EEG / EMG 녹음하는 동안 전기 노이즈를 줄이기 위해 얇은 나무 막대기 또는 치아 픽업을 사용하여 에폭시 접착제로 모든 납땜 핀을 커버한다.
  2. 후술하는 바와 같이 슬립 링 전극을 접속하기위한 케이블을 준비한다. 이 케이블은 재사용 될 수있다.
    1. 30 CM 플랫 케이블의 와이어 4 핀 FFC / FPC 커넥터의 각 핀을 납땜. 간단히, 핀에 전선의 피복을 벗긴 끝을 잡고 뜨거운 납땜 인두를 배치와이어 핀 조인트에, 그리고 충분한 솔더 조인트에 원활하게 실행되도록 약간의 땜납을 녹여.
      참고 : EEG / EMG 녹음에 사용되는 실험 동물 케이지의 높이에 적합한 플랫 케이블의 길이를 선택합니다.
    2. 땜납은 플랫 케이블의 다른 쪽 단부에 와이어 선단에 소켓을 압착. 간단히, 전선의 피복을 벗긴 무료 끝에 압착 소켓을 보유 와이어 소켓 관절에 뜨거운 납땜 인두를 배치하고 충분한 솔더 조인트에 원활하게 실행하기 위해 일부 솔더를 용융.
    3. 각 주택 압착 4 위치에 소켓을 압착 삽입합니다.
    4. 완전히 얇은 나무 막대기 또는 치아 픽업을 사용하여 에폭시 접착제 소켓을 압착 커버한다.

마우스의 머리에 전극 2. 주입 (소요 시간 :. 약 20 분)

  1. 수술 전에 뜨거운 구슬 살균기 모든 수술 도구를 소독. 남성 마우스를 마취 (10~20주 이전, 20~30g)펜토 바르 비탈의 복강 내 주사 (50 ㎎ / ㎏)과. 마우스가 깊이 발가락을 곤란하게하여 마취되어 있는지 확인한 후 가위로 머리와 목에 머리를 면도.
  2. 정위 프레임에 마우스를 이동하고 2 귀 막대 사이에 머리를 고정합니다. 건조를 방지하기 위해 눈에 바셀린을 적용합니다. 알코올로 면도 피부를 정화하고 두개골을 노출 메스로 중간 선을 따라 잘라. 개방 수술 영역을 유지하기 위해 피부를 클립.
  3. (드릴 2 구멍 두개골에, 전두엽 피질 영역 위에 하나 (정수리하는 1mm의 전방, 중간 선에 1.5 mm 폭) 및 정수리 영역 위에 다른 : 카바이드 커터을 (0.8-mm 직경의 드릴 크기)을 사용하여 Paxinos와 프랭클린의 정위 좌표에 따라 오른쪽 반구의 람다에 1mm의 전방, 측면 1.5 mm의 정중선). (23)
  4. 각 scre 2.5 턴 - 보석의 나사 드라이버를 사용하여, 구멍 위치 스테인리스 EEG 기록 나사는 2 할피질을 통해 경막 외 위치에 대한 W.
    참고 : 뇌 조직의 손상을 방지하기 위해 너무 깊이 나사를 삽입하지 마십시오. 나사가 단단히 두개골에 고정되어 있는지 확인합니다. 이는 다중 녹음 (통상 1 개월 이상)의 긴 기간 동안 안정된 EEG 신호를 갖는 것이 중요하다. 흔들기 나사 뇌파 아티팩트를 생산하고 실험 일정이 끝나기 전에 떨어질 수 있습니다.
  5. 전극 조립체 수정 두개골에 즉시 접착제 (참조 1.1 절을, 핀 위로 설정) 및 치과 시멘트 커버. 승모근 (목) 근육에 집게로 양자 작은 구멍을 만들고 구멍에 EMG 전극의 역할을 스테인레스 스틸 와이어를 삽입합니다. 근육의 노출을 피하기 위해 견사 (0.1 mm 직경)로 피부를 봉합.
  6. 정위 프레임에서 마우스를 제거합니다. 세균 감염을 방지하기 위해 마우스를 암피실린 (100 ㎎ / ㎏) 및 복강 멜 록시 캄 (1 ㎎ / ㎏)을 투여하고, 각각, 수술 - 후 통증을 감소시키기 위해. 애열 패드에 마우스를 EP와는 흉골 드러 누움을 유지하기 위해 충분한 의식을 회복 할 때까지를 모니터링 할 수 있습니다. 하우스 개별적으로 복구하는 동안 마우스는 다른 동물에 의해 전극의 제거를 방지하고, 수술 후 첫날에 복강 멜 록시 캄 (1 ㎎ / ㎏)을 관리 할 수​​ 있습니다.

3. 녹화 및 취득 EEG / EMG 데이터

  1. 1 주간의 회복 기간, 주택 방음 기록 챔버에 배치 실험 장에 개별적으로 마우스 후. 12 시간 조명 / 12 시간의 어둠의 사이클을 제어 자동으로 23 ± 1 ° C의 주변 온도를 유지하고 (조도 ~ 100 럭스, 08:00에 점등).
  2. 기록 케이블 헤드 마우스 EEG / EMG 전극 조립체를 연결한다. 기록 케이블 (마우스의 움직임이 케이블의 꼬임에 의해 제한되지 않도록 설계) 슬립 링 및 EEG / EMG 신호 증폭기에 연결되어 있는지 확인합니다. 필터 EEG / EMG 신호 (뇌파, 0.5-64 Hz의; EMG, 16-64 Hz에서), 아날로그 - 디지털 변환기 (A / D)가 128 Hz의 샘플링 레이트에서 디지털화 최종적 EEG / EMG 기록 소프트웨어를 실행하는 컴퓨터 (표 '재료', 4 번째의 엔트리에 기록 바닥에서).
  3. 기록 챔버 2~3일 위해 마우스를 길들. EEG / EMG 녹음 복강 내 약물 투여가 포함되어있는 경우, 부드럽게 약물 투여시 각각의 요법 이니 하루에 마우스를 처리합니다.
  4. 그 후, EEG / EMG 레코딩 소프트웨어 (표 '재료', 바닥에서 4 번째 항목)를 시작합니다.
    1. '데이터 파일 정보'탭을 선택하고 파일 이름 옆에있는 상자를 클릭합니다. 파일 이름을 입력하고 '저장'을 클릭합니다.
    2. '기록의 조건'탭을 선택하고 기록 할 모든 EEG / EMG 채널을 선택합니다.
    3. '기록의 조건'탭에서 샘플링 주파수 (128 Hz에서)을 선택합니다.
    4. 선택한 채널이 일에 제대로 표시되어 있는지 확인E '채널 정보'탭을 선택합니다.
    5. '타이머 설정'탭을 선택하고 뇌파 및 근전도를 표시하는 '모니터'를 클릭합니다.
    6. EEG / EMG 신호가 제대로 표시되어 있는지 확인.
    7. '타이머 설정'탭을 선택하고 '기본 타이머'영역에서 기록의 시작과 끝의 클럭 시간을 설정합니다.
    8. 녹음을 시작하는 '타이머 설정'탭에서 '모니터'를 클릭하십시오.
  5. 베이스 라인에서 기록 EEG / EMG 신호 (예., 자유롭게 행동 마우스의 잠자기 / 깨우기 행동)과 다른 처리 조건 (예., 카페인 관리 또는 가짜 처리) 몇 일. 실험 마지막 날 후에 펜토 바르 비탈의 복강 내 주사 하였다 (200 mg / kg)으로 마우스를 안락사.

EEG / EMG 데이터를 기반으로 행동 상태의 4 득점

  1. EEG / EMG 분석을위한 소프트웨어를 시작합니다 (표 '재료', 바닥에서 4 번째 항목). 3 단계에서 생산 EEG / EMG 원시 데이터 (.kcd 파일)을 엽니 다 '절전 모드'탭을 클릭하고 에포크 시간을 선택합니다. 10 초를 선택합니다.
  2. '절전 모드'탭을 클릭하고 자동으로 3 단계로 모든 10 초 신 (新) 시대를 점수 '멀티 - 심사'를 선택 (예., NREM과 REM 수면과 각성) 뇌파 및 근전도 및 전력 스펙트럼 분석의 진폭에 기초 뇌파의. 3
  3. '뇌파에 대한 FFT 조건'을 클릭합니다.
  4. 파워 스펙트럼 분석을위한 파라미터를 설정 [256 데이텀 포인트는 해닝 윈도우 함수 및 에포크 당 5 스펙트럼들의 평균 (2 EEG의 초에 대응)]. (3) '확인'을 클릭.
  5. 클릭 자동 검사를 시작합니다 '상영 시작'. 득점 데이터 (.raf 파일)을 엽니 다.
  6. 대표 결과,도 1b 및 표 1 참조 (자동 스크리닝의 결과를 확인하고, 필요한 경우, 표준 기준에 따라 수동으로 해결 ). 2, 3, 간단히 버튼을 클릭 잘못 득점 시대에 마우스 왼쪽 버튼을 누른 채 잘못 득점 시대의 문자열을 가로 질러 커서를 끕니다. 왼쪽 마우스 버튼을 놓으면 팝업 창에 올바른 행동 상태를 선택합니다.
    참고 : 때때로, 두 경계 상태 사이의 전이에 신 (新) 시대 한 상태로 명확하게 점수를하기가 어렵습니다. 이러한 경우, 에포크는 표면적 인 상태로 얻었되어야하고 동일한 기준 데이터의 재현성을 보장하기 위해 실험을 통하여 유사한 에포크에 적용되어야한다.

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결과

그림 1B는 다른 경계 상태에서 마우스 뇌파의 예를 보여줍니다. 표 1에 나타낸 바와 같이 EEG는 4 Hz에서 아래 델타 리듬 크고 느린 뇌파를 도시하고 EMG 만 없거나 약한 신호를 가지고있는 경우, 에포크는 NREM 수면으로 분류된다. 뇌파 6, 10 Hz의 사이의 세타 범위에서 빠른 저전압 뇌파를 보여주고 EMG가 낮은 진폭을 표시하는 경우 신 (新) 시대는 REM 수면으로 분류하고 있습니다. 다른 시대가 깨어으로 분류한다 (예. 저에 온건 한 전압 뇌파 및 근전도 활동의 발생).

예를 들어,이 프로토콜에 설명 된 EEG / EMG 기록 셋업 기준선 조건 또는 카페인 처리 후의 슬립 량 및 C57BL / 6 마우스의 슬립 / 웨이크 프로파일을 결정하는데 사용될 수있다

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토론

이 프로토콜은 저잡음, 비용 효과, 높은 처리량 조건에서 수면과 각성의 평가를 할 수 있습니다 EEG / EMG 녹음을위한 셋업을 설명합니다. 인해 EEG / EMG 전극 헤드 조립체의 작은 크기로,이 시스템은 마우스에 약물 optogenetics (광섬유 주입) 또는, 함께 동시 정맥 주입으로, microinfusion 포함한 인트라 - 뇌 실험 다른 임플란트와 결합 할 수있다 부가적인 전기 신호 (예., 반대측 EEG, electrooculogram 또는 로컬 필드 전위)의 측정이 필요한 경우 뇌. 31 또한, 멀티 핀 헤더에 대한 상기 전극 헤드 조립체의 설계는, 녹화 채널의 개수에 유연성을 제공한다 .

그러나, 개별 주택 그러므로 행동 상태의 평가를 제한이 프로토콜, 즉에 설명 된 케이블 기반의 설계가 필요합니다., 수면과 워싱턴kefulness, 사회적 상호 작용이나 복잡한 행동 테스트와 함께. 원격 측정 장치가 자...

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공개 사항

저자 Yujiro Tauguchi와 Sayaka Kohtoh는 이 기사에 사용된 EEG/EMG 데이터의 획득 및 자동 채점을 위한 SleepSign 소프트웨어를 개발하는 Kissei Comtech Co., Ltd의 직원입니다.

감사의 글

이 원고를 작성하는 데 도움을 주신 Larry D. Frye 박사님께 감사드립니다. 이 연구는 일본 과학 진흥 협회 과학 연구 보조금 원조 24300129 (M.L.), 25890005 (Y.O.) 및 26640025 (Y.T.), 국립 농업 식품 연구 기구 (Y.U.), 문부 과학성의 세계 최고의 국제 연구 센터 이니셔티브 (WPI)의 지원을 받았습니다. Y.T., Y.U. 및 M.L.) 일본 네슬레 영양 위원회(Nestlé Nutrition Council, Japan)에서 M.L.로 요청했습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
4 핀 헤더HiroseA3B-4PA-2DSA (71)
AmpicillinMeiji Seika
아날로그-디지털 컨버터ContecAD16-16U (PCIEV)
카페인시그마C0750
카바이드 커터MinitorB1055
크림프 하우징HiroseDF11-4DS-2C
크림프 소켓HiroseDF11-30SC
치과 용 시멘트 (Toughron Rebase)Miki Chemical Product
에폭시 접착제Konishi# 16351
FFC / FPC 커넥터Honda Tsushin KogyoFFC-10BMEP1 (B)
플랫 케이블Hitachi Cable20528-ST LF
인스턴트 접착제 (Aron Alpha A)ToagoseiN/A
MeloxicamBoehringer IngelheimN/A
PentobarbitalKyoritsu SeiyakuN/A
신호 증폭기BiotexN/A
수면 기록 챔버APLN/A
SleepSign 소프트웨어Kissei ComtecEEG/EMG 기록/분석
용 N/A슬립 링BiotexN/A
스테인레스 스틸 스크류YamazakiN/Aφ 1.0 &배; 2.0
스테인레스 스틸 와이어Cooner 와이어AS633

참고문헌

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