Artykuł metodologiczny

Rejestracja i analiza rytmów okołodobowych w aktywności kół biegowych u gryzoni

DOI:

10.3791/50186

⸱

24 stycznia 2013

 ,  , 
1Douglas Mental Health University Institute, Department of Psychiatry, McGill University , 2Center for Studies in Behavioral Neurobiology, Department of Psychology, Concordia University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rytmy okołodobowe w dobrowolnej aktywności biegania kołem u ssaków są ściśle powiązane z molekularnymi oscylacjami głównego zegara w mózgu. W związku z tym te codzienne rytmy zachowania można wykorzystać do badania wpływu czynników genetycznych, farmakologicznych i środowiskowych na funkcjonowanie tego zegara okołodobowego.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gdy gryzonie mają swobodny dostęp do koła do biegania w swojej domowej klatce, dobrowolne korzystanie z tego koła będzie zależało od pory dnia1-5. Nocne gryzonie, w tym szczury, chomiki i myszy, są aktywne w nocy i stosunkowo nieaktywne w ciągu dnia. Wiele innych pomiarów behawioralnych i fizjologicznych również wykazuje rytm dobowy, ale u gryzoni aktywność kół biegowych służy jako szczególnie wiarygodna i wygodna miara wydajności głównego zegara okołodobowego, jądra nadskrzyżowaniowego (SCN) podwzgórza. Ogólnie rzecz biorąc, dzięki procesowi zwanemu porywaniem, dzienny wzorzec aktywności koła biegowego w naturalny sposób dostosuje się do środowiskowego cyklu światło-ciemność (cykl LD; np. 12 godz. - światło: 12 godz. - ciemno). Jednak rytmy okołodobowe są endogennie generowanymi wzorcami zachowań, które wykazują okres ~24 godzin i utrzymują się w ciągłej ciemności. Tak więc, w przypadku braku cyklu LD, rejestracja i analiza aktywności kół biegowych może być wykorzystana do określenia subiektywnej pory dnia. Ponieważ rytmy te są kierowane przez zegar okołodobowy, subiektywna pora dnia jest określana jako czas okołodobowy (CT). W przeciwieństwie do tego, gdy występuje cykl LD, pora dnia, która jest określana przez środowiskowy cykl LD, nazywana jest czasem zeitgebera (ZT).

Chociaż rytmy okołodobowe w aktywności kół biegowych są zazwyczaj powiązane z zegarem SCN6-8, oscylatory okołodobowe w wielu innych obszarach mózgu i ciała9-14 mogą być również zaangażowane w regulację codziennych rytmów aktywności. Na przykład, dzienne rytmy aktywności antycypacyjnej żywności nie wymagają SCN15,16, a zamiast tego są skorelowane ze zmianami aktywności oscylatorów poza-SCN17-20. W ten sposób zapisy aktywności koła biegowego mogą dostarczyć ważnych informacji behawioralnych nie tylko o wyjściu głównego zegara SCN, ale także o aktywności oscylatorów poza-SCN. Poniżej opisano sprzęt i metody wykorzystywane do rejestrowania, analizowania i wyświetlania okołodobowych rytmów aktywności lokomotorycznej u gryzoni laboratoryjnych.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Pomieszczenia dla zwierząt

  1. Klatka: Aby rejestrować aktywność koła jezdnego pojedynczego gryzonia, w każdej klatce powinien znajdować się pojedynczy gryzoń i koło do biegania. Ponieważ koła do biegania można uznać za formę wzbogacenia, wszystkie gryzonie w każdym badaniu powinny mieć podobny dostęp do koła do biegania.
  2. Zmiana ściółki: Obchodzenie się ze zwierzętami, a także zmiany w klatkach lub pościeli mogą mieć niefotyczny wpływ na rytm okołodobowy21-23, dlatego klatki z siatkową podłogą są idealne, ponieważ minimalizują kontakt ze zwierzęciem. Niezależnie od dostępności takiego systemu tacek, należy unikać zmiany ściółki w krytycznych fazach eksperymentu. Alternatywą jest stosowanie trwalszej ściółki, która pozwoliłaby na rzadsze zmiany klatek, lub zmiana klatek według pseudolosowego harmonogramu.
  3. Skrzynki izolacyjne: Klatki powinny być przechowywane w skrzynkach izolacyjnych, które są wyciszone, kontrolowane przez światło i dobrze wentylowane. W zależności od wielkości i konfiguracji skrzynek izolacyjnych, liczba klatek w każdej skrzynce będzie zwykle wynosić od 1 do 8. W przypadku trzymania wielu klatek w jednej izolatce należy mieć świadomość, że różne zapachy i dźwięki pochodzące od innych zwierząt mogą mieć mylący wpływ na zachowanie okołodobowe poszczególnych zwierząt. Aby uniknąć tych problemów, należy starać się umieścić jedną klatkę w każdej skrzynce izolacyjnej.
  4. Wentylacja: Odpowiedni przepływ powietrza jest niezbędny, aby boksy były komfortowym środowiskiem domowym dla gryzoni. Wentylator w każdej skrzynce powinien być osłonięty, tak aby światło z zewnątrz skrzynki nie przedostawało się do środka. Ponadto wentylatory zazwyczaj usuwają powietrze z pudełka i wdmuchują je do pomieszczenia. Małe, światłoszczelne otwory wentylacyjne umożliwiają dopływ powietrza do skrzynek izolacyjnych z kilku punktów i pomagają uniknąć nieprzyjemnego wiatru. W celu sprawdzenia, czy zapewniona jest odpowiednia wentylacja, temperatura wewnątrz skrzynki izolacyjnej (gdy jest zamknięta przez kilka godzin, przy włączonym świetle) powinna być praktycznie identyczna z temperaturą w pomieszczeniu, w którym jest ona przechowywana.
  5. Oświetlenie: Natężenie światła otoczenia powinno być takie samo we wszystkich klatkach. Umieść pojedynczą lampę w podobnym miejscu nad każdą klatką i zawsze używaj tej samej marki/typu żarówki. Używaj oświetlenia o umiarkowanej intensywności (100-300 luksów) na poziomie klatki. Unikaj zbyt wysokich poziomów oświetlenia, które z większym prawdopodobieństwem spowodują bezpośrednie zmiany w zachowaniu, które można przypisać światłu, a nie systemowi okołodobowemu jako takiemu (np. maskowanie).
  6. Ciemność/przyćmione czerwone oświetlenie: Jeśli konieczne jest obchodzenie się ze zwierzętami lub leczenie ich w ciemności (np. w ciągłej ciemności lub w nocy), należy używać gogli noktowizyjnych. Alternatywnie, ponieważ system okołodobowy jest stosunkowo niewrażliwy na fale czerwone, można użyć przyciemnionego czerwonego oświetlenia. Określone czerwone światło, którego używasz, powinno zostać przetestowane, aby upewnić się, że nie zmienia aktywności kółka bieżnego (np. maskowania) ani nie dostosowuje zegara okołodobowego (np. nie powoduje przesunięcia fazowego).

2. Zbieranie danych (patrz Rysunek 1 - Konfiguracja sprzętowa Vitalview)

  1. Koła jezdne: Średnica i ergonomia koła jezdnego zmienią intensywność użytkowania24. Dlatego używaj mniejszych i lżejszych kół dla myszy, a większych, cięższych kół dla szczurów. Podczas mycia i ponownego montażu kół należy upewnić się, że koła mogą się obracać bez przeszkód, nie "chybotają" i aby mikroprzełączniki nagrywające były aktywowane przy każdym obrocie koła.
  2. Mikroprzełączniki: Każdy obrót koła jezdnego powinien aktywować mikroprzełącznik magnetyczny lub mechaniczny. Informacje z mikroprzełącznika są przesyłane jednym kanałem i rejestrowane przez komputer, który może z czasem (np. co 2, 5, 6 lub 10 minut) segregować dane.
  3. Sprzęt komputerowy: Nasze nagrania kół do biegania są wykonywane za pomocą Vitalview, platformy sprzętowo-programowej opracowanej przez Mini Mitter (http://www.minimitter.com/vitalview_software.cfm). Istnieją jednak inne platformy nagrywające, takie jak ClockLab, opracowane przez Actimetrics (http://www.actimetrics.com/ClockLab/). Obie platformy gromadzą dane z wielu źródeł jednokanałowych (np. pojedynczy mikroprzełącznik uruchamiany przez jedno koło jezdne) w jednym pliku komputerowym. Dane z poszczególnych kanałów mogą być następnie przedstawiane na wykresach i analizowane oddzielnie w późniejszym terminie.

3. Zapisy danych

  1. Pliki: Wyżej wymienione platformy oprogramowania mogą być używane do oddzielania pojedynczych kanałów, tak aby dla każdego rekordu koła jezdnego tworzone były indywidualne pliki. Takie dane najlepiej wizualizować i przedstawiać na wykresach za pomocą specjalnie zaprojektowanych programów, takich jak Actiview (Minimitter, Bend, OR), Circadia lub Clocklab (Actimetrics, Wilmette, IL), które mogą tworzyć periodogramy i aktogramy. Jednak pliki jednokanałowe można również otwierać i analizować za pomocą ogólnych programów do obsługi arkuszy kalkulacyjnych, takich jak Excel (Microsoft, Redmond, WA).
  2. Obliczanie czasu okołodobowego (CT): CT 12 to z definicji początek aktywności kół biegowych u gryzoni prowadzących nocny tryb gryzoni. Równolegle z 24-godzinną dą, zgodnie z konwencją, jeden dzień okołodobowy dzieli się na 24 godziny okołodobowe. W związku z tym, jeśli okołodobowy okres swobodnego biegu wynosi 24 godziny 30 minut, mierzony przez zegar ścienny, CT 0 nastąpi około 12 godzin 15 minut po CT12.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Programy komputerowe: Specjalistyczne programy komputerowe są zwykle używane do generowania aktogramów i obliczania okresu okołodobowego. Programy te obejmują między innymi Actiview (Minimitter, Bend, OR) i Circadia.
  2. Aktogramy: Aktogramy stanowią graficzną ilustrację codziennych wzorców aktywności kół biegowych. Istnieją aktogramy jednowykresowe (oś x = 24 godz.) i podwójnie kreślone (oś x = 48 godz.). Obie metody kreślą kolejne dni od góry do dołu, ale podwójnie wykreślane aktogramy kreśl...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Monitorowanie codziennych rytmów aktywności za pomocą kół do biegania jest najczęściej stosowaną i wiarygodną metodą oceny wydajności głównego zegara okołodobowego u gryzoni prowadzących nocny tryb życia. Aktywność związana z bieganiem na kółkach jest jednak tylko jednym z wielu aspektów zachowania i fizjologii, które można stale monitorować. Chociaż zdecydowana większość aktywności kół do biegania ma miejsce w nocy, ponad 30% całkowitego czuwania ma miejsce w ciągu dnia25,26. Inne punkty końcowe można wykorzy...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy chcieliby podziękować za nagrody płacowe, dotacje na sprzęt i fundusze operacyjne od Fonds de la recherche en santé Québec (FRSQ), Kanadyjskich Instytutów Badań nad Zdrowiem (CIHR), Kanadyjskiej Rady ds. Badań Przyrodniczych i Inżynieryjnych (NSERC) oraz Concordia University Research Chairs Program (CRUC), a także za przemyślane opinie na temat tego manuskryptu od dr Jane Stewart.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Karta Vitalview & Programowemini ukośne# 855-0030-00(gięcie, OR, USA)
DP24 DataportMini Mitter# 840-0024-00(gięcie, OR, USA)
QA4-moduł mini ukośny# 130-0050-00(gięcie, OR, USA)
Przełącznik magnetycznyMini Mitter# 130-0015-00(gięcie, OR, USA)
C-50 ZespółMini Mitter# 060-0045-10(Bend, OR, USA)
Zespół koła jezdnego szczuraMini Mitter# 640-0700-00(Bend, OR, USA)
Wspornik klatki i tacyMini Mitter# 640-0400-00(Bend, OR, USA)
Użyteczna klatka z wycięciemMini Mitter# 664-2154-00(Bend, OR, USA)
Podłoga siatkowa do klatkiMini Mitter# 676-2154-00(Bend, OR, USA)
Taca na odpadyMini Mitter#684-2154-00(Bend, OR, USA)
Obudowa lampyMicrolites Scientific#R-101(Toronto, ON, Kanada)
Lampy fluorescencyjne 4WMicrolites Scientific#F4T5/CW(Toronto, ON, Kanada)
Komory izolacyjne Budowanena zamówienie28"H x 20"W x 28"D ½ " melamina.

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Pittendrigh, C. S., Daan, S. A Functional Analysis of Circadian Pacemakers in Nocturnal Rodents. V. Pacemaker Structure: A Clock for All Seasons. J. Comp. Physiol. 106, 333-355 (1976).
  2. Pittendrigh, C. S., Daan, S. A Functional Analysis of Circadian Pacemakers in Nocturnal Rodents. IV. Entrainment: Pacemaker as Clock. J. Comp. Physiol. 106, 291-331 (1976).
  3. Pittendrigh, C. S., Daan, S. A Functional Analysis of Circadian Pacemakers in Nocturnal Rodents. III. Heavy Water and Constant Light: Homeostasis of Frequency? J. Comp. Physiol. 106, 267-290 (1976).
  4. Pittendrigh, C. S., Daan, S. A Functional Analysis of Circadian Pacemakers in Nocturnal Rodents. II. The Variability of Phase Response Curves. J. Comp. Physiol. 106, 253-266 (1976).
  5. Pittendrigh, C. S., Daan, S. A Functional Analysis of Circadian Pacemakers in Nocturnal Rodents. I. The Stability and Lability of Spontaneous Frequency. J. Comp. Physiol. 106, 223-252 (1976).
  6. Ralph, M. R., Foster, R. G., Davis, F. C., Menaker, M. Transplanted suprachiasmatic nucleus determines circadian period. Science. 247, 975-978 (1990).
  7. Moore, R. Y., Eichler, V. B. Loss of a circadian adrenal corticosterone rhythm following suprachiasmatic lesions in the rat. Brain Res. 42, 201-206 (1972).
  8. Stephan, F. K., Zucker, I. Circadian rhythms in drinking behavior and locomotor activity of rats are eliminated by hypothalamic lesions. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 69, 1583-1586 (1972).
  9. Abe, M., et al. Circadian rhythms in isolated brain regions. J. Neurosci. 22, 350-356 (2002).
  10. Yamazaki, S., et al. Resetting central and peripheral circadian oscillators in transgenic rats. Science. 288, 682-685 (2000).
  11. Lamont, E. W., Robinson, B., Stewart, J., Amir, S. The central and basolateral nuclei of the amygdala exhibit opposite diurnal rhythms of expression of the clock protein Period2. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 4180-4184 (2005).
  12. Amir, S., Lamont, E. W., Robinson, B., Stewart, J. A circadian rhythm in the expression of PERIOD2 protein reveals a novel SCN-controlled oscillator in the oval nucleus of the bed nucleus of the stria terminalis. J. Neurosci. 24, 781-790 (2004).
  13. Yoo, S. H., et al. PERIOD2::LUCIFERASE real-time reporting of circadian dynamics reveals persistent circadian oscillations in mouse peripheral tissues. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101, 5339-5346 (2004).
  14. Guilding, C., Piggins, H. D. Challenging the omnipotence of the suprachiasmatic timekeeper: are circadian oscillators present throughout the mammalian brain? Eur. J. Neurosci. 25, 3195-3216 (2007).
  15. Boulos, Z., Terman, M. Food availability and daily biological rhythms. Neurosci. Biobehav. Rev. 4, 119-131 (1980).
  16. Boulos, Z., Rosenwasser, A. M., Terman, M. Feeding schedules and the circadian organization of behavior in the rat. Behav. Brain Res. 1, 39-65 (1980).
  17. Verwey, M., Amir, S. Food-entrainable circadian oscillators in the brain. Eur. J. Neurosci. 30, 1650-1657 (2009).
  18. Davidson, A. J., Poole, A. S., Yamazaki, S., Menaker, M. Is the food-entrainable circadian oscillator in the digestive system? Genes Brain Behav. 2, 32-39 (2003).
  19. Hara, R., et al. Restricted feeding entrains liver clock without participation of the suprachiasmatic nucleus. Genes Cells. 6, 269-278 (2001).
  20. Damiola, F., et al. Restricted feeding uncouples circadian oscillators in peripheral tissues from the central pacemaker in the suprachiasmatic nucleus. Genes Dev. 14, 2950-2961 (2000).
  21. Mrosovsky, N. Phase response curves for social entrainment. J. Comp. Physiol. A. 162, 35-46 (1988).
  22. Cain, S. W., et al. Reward and aversive stimuli produce similar nonphotic phase shifts. Behav. Neurosci. 118, 131-137 (2004).
  23. Antle, M. C., Mistlberger, R. E. Circadian clock resetting by sleep deprivation without exercise in the Syrian hamster. J. Neurosci. 20, 9326-9332 (2000).
  24. Banjanin, S., Mrosovsky, N. Preferences of mice, Mus musculus, for different types of running wheel. Lab Anim. 34, 313-318 (2000).
  25. Verwey, M., Lam, G. Y., Amir, S. Circadian rhythms of PERIOD1 expression in the dorsomedial hypothalamic nucleus in the absence of entrained food-anticipatory activity rhythms in rats. Eur. J. Neurosci. 29, 2217-2222 (2009).
  26. Gooley, J. J., Schomer, A., Saper, C. B. The dorsomedial hypothalamic nucleus is critical for the expression of food-entrainable circadian rhythms. Nat. Neurosci. 9, 398-407 (2006).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Zachowanie gryzonicykl wiat o ciemnosta a ciemnoanaliza aktogramuanaliza periodogramuj dro nadskrzy owanioweczas zeitgeberaczas oko odobowy

Powiązane artykuły