Kvantificering af infra-langsom dynamik for spektral kraft og hjertefrekvens i sovende mus
Summary
Her præsenterer vi eksperimentelle og analytiske procedurer for at beskrive den tidsmæssige dynamik af de neurale og hjertevariablerne af ikke-REM-søvn hos mus, som modulerer søvnresponsen over for akustiske stimuli.
Abstract
Tre årvågenhed stater dominerer pattedyrs liv: vågenhed, ikke-hurtig øjenbevægelse (ikke-REM) søvn og REM søvn. Da flere neurale korrelater af adfærd er identificeret i fritflytende dyr, bliver denne tredobbelte underopdeling for forenklet. Under vågenhed definerer ensembler af globale og lokale kortikale aktiviteter sammen med perifere parametre som pupildiameter og sympatovagalbalance forskellige grader af ophidselse. Det er fortsat uklart, i hvilken grad søvn også udgør et kontinuum af hjernestater – inden for hvilken grad af modstandsdygtighed overfor sensoriske stimuli og arousability og måske andre søvnfunktioner varierer gradvist – og hvordan perifere fysiologiske tilstande varierer. Forskning, der fremmer metoderne til overvågning af flere parametre under søvn, samt tilskrivning af konstellationer af disse funktionelle egenskaber, er centralt for at forbedre vores forståelse af søvn som en multifunktionel proces, hvor mange gavnlige virkninger skal være executed. At identificere nye parametre, der karakteriserer søvntilstand, vil åbne muligheder for nye diagnostiske veje i søvnforstyrrelser.
Vi præsenterer en procedure for at beskrive dynamiske variationer af mus-ikke-REM søvntilstande via den kombinerede overvågning og analyse af elektroencefalogram (EEG) / elektrokortikogram (ECoG), elektromyogram (EMG) og elektrokardiogram (EKG) signaler ved anvendelse af standardpolysomnografiske optagelsesteknikker. Ved hjælp af denne tilgang fandt vi, at mus-ikke-REM-søvn er organiseret i cykler af koordinerede neurale og hjerteoscillationer, der genererer successive 25-s intervaller med høj og lav sårbarhed overfor eksterne stimuli. Derfor koordineres centrale og autonome nervesystemer for at danne adfærdsmæssigt forskellige søvntilstande under konsolideret ikke-REM-søvn. Vi præsenterer kirurgiske manipulationer for polysomnografisk ( dvs. EEG / EMG kombineret med EKG) overvågning for at spore disse cykler i den frit sovende mus, analysen til quantiFy deres dynamik, og de akustiske stimuleringsprotokoller til at vurdere deres rolle i sandsynligheden for at vågne op. Vores tilgang er allerede blevet udvidet til menneskelig søvn og løfter om at løse fælles organiseringsprincipper for ikke-REM søvntilstande hos pattedyr.
Introduction
Sygeplejerske søvn er en adfærdsmæssig hvilestilstand og modstandsdygtighed over for miljømæssige stimuli. På trods af denne tilsyneladende ensartethed indikerer polysomnografiske og autonome parametre, at søvn bevæger sig mellem kvalitativt og kvantitativt forskellige neurale og somatiske tilstande på forskellige tidsmæssige og rumlige skalaer 1 . I løbet af minutter til mange minutter, skifter kontakten mellem ikke-REM og REM søvn. Non-REM-søvn ledsages af stor amplitude lavfrekvent aktivitet i EEG med en spektral peak omkring ~ 0,5-4 Hz, mens REM-søvn viser regelmæssig EEG-aktivitet i theta-båndet (6 – 10 Hz) sammen med Muskel atonia 2 . Inden for ikke-REM søvn cykler mennesker gennem lys (S2) og dyb langsom bølgesøvn (SWS). Som deres navngivning angiver, viser disse to faser henholdsvis lavere og højere ophobningstærskler 3 , 4 , og de afviger primært i tætheden af lavfrekvensEncycortical EEG-effekt, kaldet slow-wave-aktivitet (SWA; 0,75-4 Hz). Ikke-ensartethed fortsætter i løbet af individuelle udfald af S2 og SWS i minut- til sub-anden-tidsskalaen, som udførligt dokumenteret af den variable tilstedeværelse af SWA i løbet af en bout 5 , 6 , men også ved EEG og feltpotentiale rytmer ved Højere frekvenser, herunder spindelbølger i sigma båndet (10-15 Hz) og gamma rytmer (80 – 120 Hz) (for en anmeldelse, se 7 , 8 , 9 , 10 ).
I stedet for at være subtile skifter disse variationer den sovende kortikale tilstand hos mennesker til ekstremerne af spektret. For ikke-REM-søvn spænder disse fra en overvejelse af SWA til stater, der tilnærmer sig vævlignende aktivitet, fordi de indeholder en betydelig andel af højfrekvente komponenter 11 <suP>, 12 . Hos gnavere og katte, selvom ikke-REM-søvn ikke er opdelt i stadier, fremkommer en kort periode kaldet mellemliggende søvn (IS) før REM-søvnbegyndelsen 13 . Under IS indleder REM søvnfunktioner såsom hippocampal theta aktivitet og ponto-geniculo-occipitale bølger, mens ikke-REM søvn signaturer, såsom spindelbølger og SWA, stadig er til stede, hvilket indikerer en blanding mellem de to søvntilstande 14 , 15 . Ikke desto mindre kan IS være funktionelt særskilt, fordi det moduleres af antidepressiva 16 og gennem ny objektpræsentation under forudgående vævning 17 , og det bidrager til at indstille ophobningstærsklen 18 . Endvidere viser statens rumtegninger af EEG- og EMG-parametre for frit bevægelige rotter en klynge af punkter 14, som er kontinuerlig mellem ikke-REM-søvn, REM-søvn og vækkelse. Der er også sporadiske fald i SWA uden at indtaste vækkelse eller REM søvn, hvilket fører til betydelige udsving i den relative tilstedeværelse af lav- og højfrekvenskomponenterne under en konsolideret ikke-REM-søvn om 14 , 19 , 20 . Endelig forekommer variable variabler af SWA og højere frekvensrytmer under ikke-REM-søvn ikke kun i tid, men viser også regionale forskelle i amplitude og synkronisering mellem kortikale områder 19 .
Mammalian non-REM søvn er langt fra ensartet. Hvorvidt en sådan ikke-ensartethed fører til stater, der adskiller sig i funktion og adfærdsmæssige attributter, er ikke klart. I flere typer søvnforstyrrelser er kontinuerlig søvn forstyrret af spontane vækkelser og uhensigtsmæssig motorisk adfærd. Desuden viser spektrale analyser ændringer i den relative tilstedeværelse af højere frekvenser i EEG 21Og i autonome parametre, såsom vejrtrækninger og hjerteslag 22 . Den ordnede sekvens af stabile søvntilstande er således forstyrret, og elementer af kortisk og / eller autonom oprykning trænger på en ukontrolleret måde. Derfor er forståelse af kontinuum for søvntilstanden mulig for sygdommen. Desuden er forstyrrelsen af søvn ved miljøstøj i bymiljøer forbundet med generelle sundhedsrisici, hvilket gør det afgørende at identificere øjeblikke med øget sårbarhed i søvn 23 .
Adfærdsmæssige opvågningsforsøg hos sovende mennesker indikerer, at det er sværest at vågne op fra SWA-domineret ikke-REM-søvn (stadium S3), mens lys ikke-REM-søvn (stadium S2) og REM-søvn viser sammenlignelige og lavere ophobningstærskler 4 . Den kortikale behandling af korte lydstimuli varierer væsentligt mellem REM-søvn, S2 og S3 24 ,25 , hvilket indikerer at statsspecifikke kortikale aktivitetsmønstre modulerer de første faser af sensorisk behandling. For ikke-REM søvn hos mennesker varierer tilbøjelighed til at vågne op som følge af støj med tilstedeværelsen af spindelbølger og alfa-rytmer i EEG 26 , 27 , 28 . Thalamocortical rytmicitet under spindler ledsages af øget synaptisk hæmning ved både thalamins og kortikale niveauer, hvilket antages at bidrage til dæmpning af sensorisk behandling 7 .
Hvordan er støjbestandige og sårbare søvnperioder organiseret i tide, og hvad er deres determinanter? I både mus og menneske identificerede vi for nylig en infrarad, 0,02-Hz oscillation i neurale rytmer. Afhængig af fasen af denne 0,02 Hz-svingning viste musene variabel reaktivitet over for eksterne stimuli enten ved at vågne op eller sove throuGh støjen. Interessant nok var denne oscillation korreleret med hjerteslagets hastighed, hvilket indikerer, at det autonome nervesystem deltager i moduleringen af søvnens sårbarhed over for eksterne stimuli 1 . Hukommelsesrelaterede hippocampale rytmer blev også organiseret inden for denne rytme, og mest påfaldende var dets styrke korreleret med kvaliteten af hukommelseskonsolidering hos mennesker. 0,02 Hz-svingningen ser således ud til at være et organiserende princip for gnaver og human ikke-REM-søvn, som modulerer både følsomhed over for miljøet og intern hukommelse. Dette fremhæver igen behovet for multiparametriske og kontinuerlige vurderinger af søvntilstande for at genkende deres funktionalitet og for at identificere steder med potentiel sårbarhed.
Her præsenterer vi en procedure for at udvinde bølgeformen af disse dynamikker, herunder kirurgisk implantation af mus til kombineret EEG / ECoG og EMG-EKG målinger, eksponering for sensoriske stimuli, enNd analyse rutiner. Denne procedure tilvejebringer et grundlag for visning af søvn som en kontinuerligt varierende, dog højorganiseret årvågenhedstilstand, hvor forskellige grundlæggende søvnfunktioner udføres sekventielt. Mere generelt er proceduren anvendelig for fremgangsmåder, der sigter mod at udtrække de spektrale og autonome træk, der går forud for et adfærdsmæssigt resultat under søvn i både sundhed og sygdomstilstande.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her viser vi, hvordan man etablerer en kontinuerlig tidsmæssig profil for ikke-REM-søvn, der integrerer EEG-, EMG- og EKG-variabler. Dette er et første skridt i retning af at udvikle en integreret beskrivelse af musesøvn, som kan hjælpe med at identificere den tidligere uigenkaldelige tidsskala, over hvilken høj og lav modstandsdygtighed over for støj er organiseret under ikke-REM-søvn 1 . En lignende tidsmæssig struktur blev også beskrevet i human ikke-REM søvn gennem en analog analys…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker alle laboratoriemedlemmer for deres bidrag til at skrive og omhyggeligt læse dette manuskript. Vi er taknemmelige for Paul Franken for at stimulere diskussioner, Dr. Gisèle Ferrand for nyttige kommentarer til den kirurgiske protokol og Dr. Jean-Yves Chatton for at levere de originale Labview-eksekverbare filer til støjeksponeringen. Finansiering blev ydet af det schweiziske nationale videnskabsstiftelse (Grants 31003A_146244 og 31003A_166318) og Etat de Vaud.
Materials
| 2-components epoxy glue | Henkel | Loctite EA 3450 | |
| Absorbable Suturing Fiber (Prolene) | Ethicon | 5-0 FS-3 | |
| Adson Forceps | FST | 11006-12 | |
| Antiseptic swab | VWR | 149-0332 | |
| Attane Isoflurane | Piramal | Isoflurane 250mL | |
| Connectors 3×2-channels | ENA AG | 2.316 | Raster 2.00 x 2.00 mm; size 5x8x9 mm; pin size 5mm; http://www.ena.ch/ |
| Dragonfly commutator | Dragonfly | Model #SL-10 | |
| EMBLA amplifier | EMBLA | A10 amplifier | |
| Fine scissors | FST | 14108-09 | |
| Flat Head Gold-plated steel screw | J.I. Morris | FF00CE125 | https://jimorrisco.com/ |
| Gold wire | CMSA | T.69 5gr | http://www.cmsa.ch/en/ |
| Hemostatic sponge | Pfizer | Gelfoam | |
| iodine-based disinfectant (Betadine) | Mundipharma | standart solution 60mL | |
| Komet drill steel 1/005PM104 | UNOR AG | 22310 | |
| Matlab Analysis Software | MathWorks | R2016b | https://ch.mathworks.com/products/matlab.html |
| Microdrill | Fine Science Tools | 96758 | |
| Mouse Gas Anesthesia Head Holder | Kopf Instruments | Model 923-B | http://kopfinstruments.com/product/model-923-b-mouse-gas-anesthesia-head-holder/ |
| Ophtalmic ointment | Pharmamedica | VITA-POS | |
| Paladur (liquid) | UNOR AG | 2260215 | for dental cement |
| Palavit (powder) | UNOR AG | 5410929 | for dental cement |
| Small Animal Stereotaxic Frame | Kopf Instruments | Model 930 | http://kopfinstruments.com/product/model-930-small-animal-stereotaxic-frame-assembly/ |
| Soldering wire | Stannol | 593072 | |
| Temperature controller – Mini rectal probe | Phymep | 4090502 | http://www.phymep.com/produit/dc-temperature-controller/ |
| Temperature controller- heating pad | Phymep | 4090205 | http://www.phymep.com/produit/dc-temperature-controller/ |
References
- Lecci, S., et al. Coordinated infra-slow neural and cardiac oscillations mark fragility and offline periods in mammalian sleep. Sci Adv. 3 (2), 1602026 (2017).
- Rechtschaffen, A., Kales, A. A manual of standardized terminology, techniques and scoring system for sleep of human subjects. U.S. Department of Health, Education, and Welfare. , (1968).
- Blake, H., Gerard, R. W. Brain potentials during sleep. Am J Physiol. 119, 692-703 (1937).
- Rechtschaffen, A., Hauri, P., Zeitlin, M. Auditory awakening threshold in REM and NREM sleep stages. Percept Mot Skills. 22 (3), 927-942 (1966).
- Achermann, P., Borbély, A. A. Low-frequency (< 1 Hz) oscillations in the human sleep electroencephalogram. Neuroscience. 81 (1), 213-222 (1997).
- Aeschbach, D., Borbély, A. A. All-night dynamics of the human sleep EEG. J. Sleep Res. 2 (2), 70-81 (1993).
- Astori, S., Wimmer, R. D., Lüthi, A. Manipulating sleep spindles–expanding views on sleep, memory, and disease. Trends Neurosci. 36 (12), 738-748 (2013).
- Brown, R. E., Basheer, R., McKenna, J. T., Strecker, R. E., McCarley, R. W. Control of sleep and wakefulness. Physiol Rev. 92 (3), 1087-1187 (2012).
- Buzsáki, G., Wang, X. J. Mechanisms of gamma oscillations. Annu Rev Neurosci. 35, 203-225 (2012).
- Rasch, B., Born, J. About sleep’s role in memory. Physiol Rev. 93 (2), 681-766 (2013).
- Halász, P., Bòdizs, R. . Dynamic structure of NREM sleep. , (2013).
- Terzano, M. G., Parrino, L., Spaggiari, M. C. The cyclic alternating pattern sequences in the dynamic organization of sleep. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 69 (5), 437-447 (1988).
- Gottesmann, C. Detection of seven sleep-waking stages in the rat. Neurosci Biobehav Rev. 16 (1), 31-38 (1992).
- Benington, J. H., Kodali, S. K., Heller, H. C. Scoring transitions to REM sleep in rats based on the EEG phenomena of pre-REM sleep: an improved analysis of sleep structure. Sleep. 17 (1), 28-36 (1994).
- Sullivan, D., Mizuseki, K., Sorgi, A., Buzsáki, G. Comparison of sleep spindles and theta oscillations in the hippocampus. J Neurosci. 34 (2), 662-674 (2014).
- Vas, S., et al. Differential adaptation of REM sleep latency, intermediate stage and theta power effects of escitalopram after chronic treatment. J Neural Transm (Vienna). 120 (1), 169-176 (2013).
- Schiffelholz, T., Aldenhoff, J. B. Novel object presentation affects sleep-wake behavior in rats. Neurosci Lett. 328 (1), 41-44 (2002).
- Wimmer, R. D., et al. Sustaining sleep spindles through enhanced SK2-channel activity consolidates sleep and elevates arousal threshold. J Neurosci. 32 (40), 13917-13928 (2012).
- Fernandez, L. M. J., et al. Highly dynamic spatiotemporal organization of low-frequency activities during behavioral states in the mouse cerebral cortex. Cereb Cortex. , (2016).
- Franken, P. Long-term vs. short-term processes regulating REM sleep. J Sleep Res. 11 (1), 17-28 (2002).
- Feige, B., et al. The microstructure of sleep in primary insomnia: an overview and extension. Int J Psychophysiol. 89 (2), 171-180 (2013).
- Parrino, L., Halasz, P., Tassinari, C. A., Terzano, M. G. CAP, epilepsy and motor events during sleep: the unifying role of arousal. Sleep Med Rev. 10 (4), 267-285 (2006).
- Akinseye, O. A., et al. Sleep as a mediator in the pathway linking environmental factors to hypertension: a review of the literature. Int J Hypertens. 2015, 926414 (2015).
- Campbell, K., Muller-Gass, A. The extent of processing of near-hearing threshold stimuli during natural sleep. Sleep. 34 (9), 1243-1249 (2011).
- Nir, Y., Vyazovskiy, V. V., Cirelli, C., Banks, M. I., Tononi, G. Auditory responses and stimulus-specific adaptation in rat auditory cortex are preserved across NREM and REM sleep. Cereb Cortex. 25 (5), 1362-1378 (2015).
- Dang-Vu, T. T., et al. Interplay between spontaneous and induced brain activity during human non-rapid eye movement sleep. Proc Natl Acad Sci USA. 108 (37), 15438-15443 (2011).
- Elton, M., et al. Event-related potentials to tones in the absence and presence of sleep spindles. J Sleep Res. 6 (2), 78-83 (1997).
- McKinney, S. M., Dang-Vu, T. T., Buxton, O. M., Solet, J. M., Ellenbogen, J. M. Covert waking brain activity reveals instantaneous sleep depth. PLoS One. 6 (3), 17351 (2011).
- Mang, G. M., Franken, P. Sleep and EEG phenotyping in mice. Curr Protoc Mouse Biol. 2 (1), 55-74 (2012).
- Borbély, A. A., Tobler, I., Hanagasioglu, M. Effect of sleep deprivation on sleep and EEG power spectra in the rat. Behav Brain Res. 14 (3), 171-182 (1984).
- Jurysta, F., et al. The impact of chronic primary insomnia on the heart rate–EEG variability link. Clin Neurophysiol. 120 (6), 1054-1060 (2009).
- Silvani, A., Calandra-Buonaura, G., Benarroch, E. E., Dampney, R. A. L., Cortelli, P. Bidirectional interactions between the baroreceptor reflex and arousal: an update. Sleep Med. , (2015).
