The recording of electroencephalogram (EEG) and electromyogram (EMG) in freely behaving mice is a critical step to correlate behavior and physiology with sleep and wakefulness. The experimental protocol described herein provides a cable-based system for acquiring EEG and EMG recordings in mice.
Recording of the epidural electroencephalogram (EEG) and electromyogram (EMG) in small animals, like mice and rats, has been pivotal to study the homeodynamics and circuitry of sleep-wake regulation. In many laboratories, a cable-based sleep recording system is used to monitor the EEG and EMG in freely behaving mice in combination with computer software for automatic scoring of the vigilance states on the basis of power spectrum analysis of EEG data. A description of this system is detailed herein. Steel screws are implanted over the frontal cortical area and the parietal area of 1 hemisphere for monitoring EEG signals. In addition, EMG activity is monitored by the bilateral placement of wires in both neck muscles. Non-rapid eye movement (Non-REM; NREM) sleep is characterized by large, slow brain waves with delta activity below 4 Hz in the EEG, whereas a shift from low-frequency delta activity to a rapid low-voltage EEG in the theta range between 6 and 10 Hz can be observed at the transition from NREM to REM sleep. By contrast, wakefulness is identified by low- to moderate-voltage brain waves in the EEG trace and significant EMG activity.
Tekniske fremskritt har ofte utfelt kvantesprang i forståelsen av nevrobiologiske prosesser. For eksempel, Hans Berger oppdagelse i 1929 at elektriske potensialer tatt opp fra den menneskelige hodebunnen tok form av sinusbølger, hyppigheten av som var direkte knyttet til nivået av våkenhet av faget, førte til raske fremskritt i forståelsen av søvn-våkenhets regulering, hos både dyr og mennesker likt. 1 Til denne dag electroencephlogram (EEG), i forbindelse med electromyogram (EMG), altså., elektrisk aktivitet produsert av skjelettmuskulatur, representerer data "ryggraden" i nesten hver eksperimentell og klinisk Vurderingen som søker å korrelere adferd og fysiologi med aktiviteten av kortikale nevroner i oppføre dyr, inkludert mennesker. I de fleste grunnleggende søvnforskningslaboratorier disse EEG opptak blir utført ved hjelp av en kabel-basert system (figur 1) der kjøpte data kastes off-line til mønsteret og spekteret analyse [f.eks., å bruke en hurtig Fourier-transformasjon (FFT) algoritme] for å bestemme årvåkenhet tilstanden til individet som blir tatt opp. 2, omfatter tre hvile av raske øyebevegelser (REM) og non-REM (NREM) søvn. REM søvn er preget av en rask lavspent EEG, tilfeldig øyebevegelser, og muskel atonia, en tilstand der musklene er effektivt lammet. REM-søvn er også kjent som paradoksale søvn, fordi hjernen aktivitet likner på våkenhet, mens legemet er i hovedsak koblet fra hjernen, og synes å være i dyp søvn. I motsetning til dette er motoriske neuroner i løpet av NREM søvn stimulert men det er ingen øyebevegelser. Menneskelig NREM søvn kan deles inn i 4 faser, hvor scenen fire kalles dyp søvn eller slow-wave søvn og er identifisert av store, langsomme hjernebølger med deltaaktiviteten mellom 0,5 – 4 Hz i EEG. På den annen side, en underavdeling mellom faser av NREM søvn i mindre dyr, slik som rotter ennd mus, ikke har blitt etablert, mest fordi de ikke har lange konsern perioder med søvn som ses hos mennesker.
I løpet av årene, og på grunnlag av EEG tolkning, flere modeller av sleep-wake regulering, både effekt og humorale basert, er blitt foreslått. Nevrale og cellulær grunnlag av behovet for søvn eller, alternativt, "sleep-stasjon," er fortsatt uavklart, men har blitt begrepsfestet som en homeostatic trykket som bygger under våkenperioden og utsvevende av søvn. En teori er at endogene somnogenic faktorer akkumuleres under våkenhet og at deres gradvise akkumulering er den underliggende søvn homeostatic press. Mens den første formelle hypotese at søvn er regulert av humorale faktorer er kreditert Rosenbaum arbeid publisert i 1892 4, det var Ishimori 5, 6 og Pieron 7 som selvstendig, og over 100 år siden, viste eksistensen av søvnfremmende kjemikalier. Både forskere foreslått, og faktisk bevist, at hypnogenic stoffer eller 'hypnotoxins' var tilstede i cerebrospinalvæsken (CSF) av søvnmangel hunder. 8 I løpet av det siste århundret flere andre antatte hypnogenic stoffer innblandet i søvn homeostatic prosessen har blitt identifisert (for oversikt, se ref. 9), som blant annet prostaglandin (PG) D 2, 10 cytokiner, 11 adenosin, 12 Anandamid, 13 og urotensin II peptid. 14
Eksperimentelt arbeid ved Economo 15, 16, Moruzzi og Magoun 17, og andre i de tidlige og middels 20. århundre produserte funn som inspirerte effektbaserte teorier om søvn og våkenhet, og til en viss grad, overskygget dagjeldende humoral teorien om sove. Hittil har flere "kretsmodeller" blitt foreslått, som hver informert av data av varierende kvalitet og kvantitet (for oversikt, se ref. 18). En modellFor eksempel foreslår at langsom-bølgesøvn er generert gjennom adenosin-mediert inhibering av acetylcholin-frigjøring fra kolinerge neuroner i den basale forhjerne, et område hovedsakelig consisiting av kjernen av den horisontale gren av det diagonale bånd av Broca og substantia inominata. 19 En annen populær modell på søvn / våkne regulering beskriver en flip-flop brytermekanismen på grunnlag av gjensidig hemmende interaksjoner mellom søvnfremkallende nevroner i ventrolateral preoptic området og telefoninduserende nevroner i hypothalamus og hjernestammen. 18, 20, 21 Videre, for svitsjing i og ut av REM søvn, en tilsvarende innbyrdes inhiberende interaksjonen har blitt foreslått for områder i hjernestammen, det vil si den ventrale periaqueductal grå, lateral pontin tegmentum, og sublaterodorsal kjernen. 22 Samlet har disse modellene vist seg verdifull heuristikk og ga viktige fortolkningsrammer for studier i søvn forskning; imidlertid en deret fyldigere forståelse av molekylære mekanismer og kretser som regulerer søvn-våkne syklus vil kreve en mer fullstendig kunnskap om komponentene. Systemet for trykkeri opptak beskrevet nedenfor skal hjelpe i dette målet.
Denne protokollen beskriver en set-up for EEG / EMG opptak som gjør vurderingen av søvn og våkenhet under lavt støynivå, kostnadseffektive, og high-throughput forhold. På grunn av den lille størrelsen av EEG / EMG elektrodehodet, kan dette systemet kan kombineres med andre implantater for intra-hjerne eksperimenter, inkludert optogenetics (optisk fiber implantering), eller i forbindelse med samtidig kanyle implantering, for mikro av medikamenter i mus hjernen. 31 Videre er utformingen av elektrodehodet…
The authors have nothing to disclose.
We thank Dr. Larry D. Frye for editorial help with this manuscript. This work was supported by Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research 24300129 (to M.L.), 25890005 (to Y.O.) and 26640025 (to Y.T.), the National Agriculture and Food Research Organization (to Y.U.), the World Premier International Research Center Initiative (WPI) from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (to Y.O., Y.T., Y.U. and M.L.) and the Nestlé Nutrition Council, Japan (to M.L.).
4-pin header | Hirose | A3B-4PA-2DSA(71) | |
Ampicillin | Meiji Seika | N/A | |
Analog-to-digital converter | Contec | AD16-16U(PCIEV) | |
Caffeine | Sigma | C0750 | |
Carbide cutter | Minitor | B1055 | |
Crimp housing | Hirose | DF11-4DS-2C | |
Crimp socket | Hirose | DF11-30SC | |
Dental cement (Toughron Rebase) | Miki Chemical Product | N/A | |
Epoxy adhesive | Konishi | #16351 | |
FFC/FPC connector | Honda Tsushin Kogyo | FFC-10BMEP1(B) | |
Flat cable | Hitachi Cable | 20528-ST LF | |
Instant glue (Aron Alpha A) | Toagosei | N/A | |
Meloxicam | Boehringer Ingelheim | N/A | |
Pentobarbital | Kyoritsu Seiyaku | N/A | |
Signal amplifier | Biotex | N/A | |
Sleep recording chamber | APL | N/A | |
SleepSign software | Kissei Comtec | N/A | for EEG/EMG recording/analysis |
Slip ring | Biotex | N/A | |
Stainless steel screw | Yamazaki | N/A | φ1.0×2.0 |
Stainless steel wire | Cooner Wire | AS633 |