Quantum Infra-slow Dynamics of Spectral Power en Heart Rate in slaapmuizen
Summary
Hier presenteren we experimentele en analytische procedures om de temporale dynamiek van de neurale en hartvariabelen van niet-REM slaap in muizen te beschrijven, die de respons op slaapresponsen voor akoestische stimuli moduleren.
Abstract
Drie waakzaamheidsstaten domineren zoogdierleven: waakzaamheid, niet-snelle oogbeweging (niet-REM) slaap, en REM slaap. Aangezien meer neurale correlaties van gedrag worden geïdentificeerd in vrij bewegende dieren, wordt deze drievoudige onderverdeling te simplistisch. Tijdens wakefulness definiëren ensembles van wereldwijde en lokale corticale activiteiten, samen met perifere parameters zoals pupillair diameter en sympathovagale balans, verschillende graden van opwinding. Het blijft onduidelijk hoezeer ook slaap een continuum van hersenstaten vormt, waarin de mate van veerkracht tot zintuiglijke stimuli en wakkerheid, en misschien andere slaapfuncties, geleidelijk verschillen – en hoe perifere fysiologische staten elkaar variëren. Onderzoek dat de methoden voor het monitoren van meerdere parameters tijdens de slaap bevordert, evenals de toekenning van constellaties van deze functionele kenmerken, is centraal om ons begrip van slaap als een multifunctioneel proces te verfijnen, waarbij veel gunstige effecten ex zijnecuted. Het identificeren van nieuwe parameters die slaapstanden karakteriseert, zullen mogelijkheden bieden voor nieuwe diagnostische wegen in slaapstoornissen.
Wij presenteren een procedure voor het omschrijven van dynamische variaties van muis-niet-REM slaapstanden via de gecombineerde monitoring en analyse van elektrodenfalogram (EEG) / elektrocorticogram (ECoG), elektromyogram (EMG) en elektrocardiogram (ECG) signalen met behulp van standaard polysomnografische opname technieken. Met behulp van deze aanpak bleek dat muis niet-REM slaap is georganiseerd in cycli van gecoördineerde neurale en cardiale oscillaties die opeenvolgende 25-s intervallen genereren van hoge en lage breekbaarheid naar externe stimuli. Daarom worden centrale en autonome zenuwstelsel gecoördineerd om gedragsmatige slaapstanden te vormen tijdens geconsolideerde niet-REM-slaap. Wij presenteren chirurgische manipulaties voor polysomnografische ( dwz EEG / EMG gecombineerd met ECG) monitoring om deze cycli in de vrije slaapmuis te volgen, de analyse naar quantiHun dynamiek en de akoestische stimulatieprotocollen om hun rol te beoordelen in de kans op wakker worden. Onze aanpak is al uitgebreid tot menselijke slaap en belooft de gemeenschappelijke organisatorische principes van niet-REM slaapstanden bij zoogdieren te ontrafelen.
Introduction
Zoogdier slaap is een gedragsstaat van rust en van veerkracht aan milieu-stimuli. Ondanks deze schijnbare uniformiteit geven polysomnografische en autonome parameters aan dat slaap tussen kwalitatief en kwantitatief verschillende neurale en somatische staten op verschillende temporale en ruimtelijke weegschaal 1 beweegt. Over enkele minuten tot tientallen minuten treedt de schakel tussen niet-REM en REM slaap op. Niet-REM-slaap gaat gepaard met een grote amplitude, lage frequentie activiteit in het EEG, met een spectrale piek rond ~ 0,5 – 4 Hz, terwijl REM slaap de normale EEG-activiteit toont in de theta band (6 – 10 Hz), samen met Spier atonia 2 . Binnen de niet-REM-slaap loopt de mens door het licht (S2) en de deep sleep wave (SWS). Zoals hun benaming aangeeft, tonen deze twee fasen respectievelijk lagere en hogere opwarmingstremmen 3 , 4 en ze verschillen voornamelijk in de dichtheid van de lage frequentieEncycortische EEG-kracht, aangeduid als slow wave activiteit (SWA; 0,75 – 4 Hz). Niet-uniformiteit blijft door de individuele aanval van S2 en SWS op de minuut-tot-tweede-keer-tijdschaal, zo uitgebreid gedocumenteerd door de variabele aanwezigheid van SWA in de loop van een bout 5 , 6 , maar ook door EEG en veldpotentiële ritmes bij Hogere frequenties, waaronder spindelgolven in de sigma-band (10-15 Hz) en gamma ritmes (80 – 120 Hz) (voor een review, zie 7 , 8 , 9 , 10 ).
In plaats van subtiel te verschuiven, verschuiven deze variaties de slaapcorticale toestand bij mensen tot de uitersten van het spectrum. Voor niet-REM slaap, variëren deze van een overheersing van SWA naar staten die de wake-achtige activiteit benaderen omdat ze een aanzienlijk deel van de hoogfrequente componenten bevatten 11 <suP>, 12 . Bij knaagdieren en katten, hoewel niet-REM slaap niet in fasen wordt onderverdeeld, verschijnt een korte periode genaamd intermediaire slaap (IS) voorafgaand aan de REM slaapondergang 13 . Tijdens IS zijn REM slaapfuncties zoals hippocampale theta activiteit en ponto-geniculo-occipitale golven geïnitieerd, terwijl niet-REM slaap signaturen, zoals spindelgolven en SWA, nog steeds aanwezig zijn, waarbij een mix tussen de twee slaapstanden 14 , 15 wordt aangegeven . Niettemin zou IS functioneel verschillend kunnen zijn omdat het door antidepressiva 16 en door middel van nieuwe objectpresentatie tijdens voorafgaande waking 17 gemoduleerd wordt en bijdraagt tot het instellen van de opwaartse drempel 18 . Bovendien tonen staatsruimtebeelden van EEG- en EMG-parameters van vrij bewegende ratten een cluster van punten 14 die continu is tussen niet-REM slaap, REM slaap en wakkerheid. Er zijn ook sporadische dalingen in SWA zonder wakkerheid of REM-slaap te betreden, wat leidt tot aanzienlijke fluctuaties in de relatieve aanwezigheid van de lage- en hoogfrequente componenten tijdens een geconsolideerde niet-REM slaap op 14 , 19 , 20 . Tenslotte komen variabele ratio's van SWA en hogere frequentie ritmes tijdens niet-REM slaap niet alleen op tijd voor, maar tonen ook regionale verschillen in amplitude en synchronisatie tussen corticale gebieden 19 .
Mammalian non-REM slaap is ver van uniform. Echter, of dergelijke niet-uniformiteit leidt tot staten die verschillen in functie- en gedragskenmerken, is niet duidelijk. Bij verschillende soorten slaapstoornissen wordt doorlopende slaap verstoord door spontane ontwaken en ongepast motorisch gedrag. Bovendien tonen spectrale analyses veranderingen in de relatieve aanwezigheid van hogere frequenties in de EEG 21En in autonome parameters, zoals ademhalingssnelheden en hartverslaan 22 . De ordelijke sequentie van stabiele slaapstanden wordt aldus verstoord, en elementen van corticale en / of autonome opwarming treden onbeheerd in. Daarom is het begrip van het continuum van slaapstanden mogelijk voor ziekte. Bovendien is het verstoren van slaap door milieugeluid in stedelijke omgevingen geassocieerd met algemene gezondheidsrisico's, waardoor het cruciaal is om momenten van verhoogde kwetsbaarheid tijdens slaap te identificeren 23 .
Gedragsopwekkende experimenten bij slapende mensen wijzen erop dat het moeilijkst is om wakker te worden van SWA-gedomineerde niet-REM slaap (stadium S3), terwijl lichte, niet-REM slaap (stadium S2) en REM slaap show vergelijkbare en lagere arousal drempels 4 . De corticale verwerking van korte geluidsstimulaties varieert aanzienlijk tussen REM slaap, S2 en S3 24 ,25 , wat aangeeft dat staatsspecifieke corticale activiteitspatronen de eerste stadia van sensorische verwerking moduleren. Voor niet-REM slaap bij mensen is de neiging om wakker te worden als gevolg van geluid afwijken van de aanwezigheid van spindelgolven en alfa ritmes in de EEG 26 , 27 , 28 . Thalamocortische ritmiciteit tijdens spindels wordt gepaard gegaan met verbeterde synaptische remming bij zowel de thalamische als corticale niveaus, waarvan wordt gedacht dat zij bijdragen aan de verzwakking van de sensorische verwerking 7 .
Hoe zijn geluidsbestendige en kwetsbare slaapperiodes georganiseerd in de tijd, en wat zijn hun determinanten? In beide muizen en mens hebben we recentelijk een infraagge, 0,02-Hz oscillatie in neurale ritmes geïdentificeerd. Afhankelijk van de fase van deze 0,02-Hz-oscillatie, vertoonden muizen variabele reactiviteit tegen externe stimuli, ofwel wakker worden of slapenHet lawaai Interessant genoeg was deze oscillatie gecorreleerd met de hartslagslag, wat aangeeft dat het autonome zenuwstelsel deelneemt aan de modulatie van de kwetsbaarheid van de slaap voor externe stimuli 1 . Geheugen-gerelateerde hippocampale ritmes werden ook georganiseerd binnen dit ritme, en het meest opvallend was dat de kracht ervan in verband was met de kwaliteit van geheugenconsolidatie bij mensen. De 0,02-Hz oscillatie lijkt dus een organiserend principe van knaagdier- en menselijke niet-REM slaap die zowel gevoeligheid voor het milieu als interne geheugenverwerking moduleert. Dit wijst opnieuw op de noodzaak van multiparametrische en continue evaluaties van slaapstaten om hun functionaliteit te herkennen en sites van mogelijke kwetsbaarheid te identificeren.
Hier presenteren we een procedure om de golfvorm van deze dynamiek te extraheren, inclusief de chirurgische implantatie van muizen voor gecombineerde EEG / ECoG en EMG-ECG metingen, blootstelling aan sensorische stimuli, eenNd analyse routines. Deze procedure vormt de basis voor het bekijken van slaap als een voortdurend wisselende, maar zeer georganiseerde waakzaamheidstoestand waarin verschillende fundamentele slaapfuncties achtereenvolgens worden uitgevoerd. Meer in het algemeen is de procedure van toepassing op benaderingen die gericht zijn op het opsporen van de spectrale en autonome kenmerken die een gedragsuitkomst voorafgaan tijdens slaap in zowel gezondheids- als ziektebeelden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier laten we zien hoe een continu temporaal profiel van niet-REM-slaap wordt vastgesteld die de EEG-, EMG- en ECG-variabelen integreert. Dit is een eerste stap in de richting van het ontwikkelen van een integrale beschrijving van de slaap van de muis, die kan helpen bij het identificeren van de eerder onbekende tijdschaal over welke hoge en lage veerkracht aan geluid wordt georganiseerd tijdens niet-REM slaap 1 . Een soortgelijke tijdelijke structuur werd ook beschreven bij menselijke niet-REM s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij bedanken alle lableden voor hun bijdrage aan het schrijven en voorzichtig lezen van dit manuscript. Wij zijn Paul Franken dankbaar voor het stimuleren van discussies, Dr. Gisèle Ferrand voor nuttige opmerkingen over het chirurgische protocol en Dr. Jean-Yves Chatton voor het leveren van de originele Labview-uitvoerbare bestanden voor de geluidsbelasting. Financiering werd verstrekt door de Zwitserse National Science Foundation (Grants 31003A_146244 en 31003A_166318) en de 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).
