Beschrijven we een hoge-doorvoer-methode voor het meten van de slaap door middel van activiteiten gebaseerde home-kooi bewaking. Deze methode biedt voordelen ten opzichte van traditionele EEG gebaseerde methoden. Het kan is goed gevalideerd voor de bepaling van de totale slaap duur en een krachtig hulpmiddel voor de monitoring van de slaap in knaagdier modellen van ziekten bij de mens.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Noninvasive, High-throughput bepaling van de duur van de slaap in knaagdieren
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Traditioneel, wordt slaap gecontroleerd door een electroencephalogram (EEG). EEG onderzoek bij knaagdieren vereisen chirurgische innesteling van de elektroden gevolgd door een lange herstelperiode. Voor het uitvoeren van een EEG-opname, is het dier aangesloten op een receiver, creëren een onnatuurlijke ketting aan de hoofd-mount EEG-monitoring is tijdrovend, draagt het risico aan het dier, en is niet een volledig natuurlijke omgeving voor de meting van de slaap. Alternatieve methoden voor het detecteren van slaap, vooral in een high-throughput mode, zou sterk vooraf op het gebied van onderzoek van de slaap. Hier beschrijven we een gevalideerde analysemethode voor het opsporen van slaap via activiteit gebaseerde home-kooi bewaking. Eerdere studies hebben aangetoond dat de slaap beoordeeld via deze methode een hoge mate van overeenstemming met slaap gedefinieerd door traditionele EEG gebaseerde maatregelen heeft. Overwegende dat deze methode is gevalideerd voor totale slaaptijd, is het belangrijk op te merken dat slaap bout duur moet worden beoordeeld door een EEG heeft beter temporele resolutie. De EEG kan ook onderscheid tussen rapid eye movement (REM) en niet - REM-slaap, geven meer details over de precieze aard van de slaap. Activity based slaap bepaling kan echter worden gebruikt voor het analyseren van meerdere dagen van ongestoorde nachtrust en slaap beoordelen als een antwoord op een acute gebeurtenis (zoals stress). Hier, laten we de kracht van dit systeem om te ontdekken de reactie van muizen op dagelijkse intraperitoneaal injecties.
Inleiding
Slaap heeft belangrijke functies voor het herstel van het lichaam en de hersenen na de dagelijkse last van wakkerheid1. Het is aangetoond dat slaap een rol bij het bewaren van het geheugen en algemene hersenen plasticiteit1 speelt. De EEG is de gouden standaard om te detecteren slaap2. Bij knaagdieren vereist EEG toezicht chirurgische implantatie van elektroden aangebracht aan een hoofd-mount, waarna het dier moet een periode van tijd om te herstellen van2. Na het herstel, het dier op de opname-apparaat is aangesloten en krijgt een andere periode van gewenning2. Vanwege deze vereiste perioden van herstel en gewenning, EEG is tijdrovend en moeizaam en redelijkerwijs kan niet worden uitgevoerd op grote schaal. Bovendien is de chirurgische ingreep elektrode innesteling draagt een risico aan het dier. Tenslotte, de data-analyse voor het scoren van slaap in de EEG studies is ook zeer moeizaam. Een alternatief, niet-invasieve, hoge-doorvoer methode van slaap bewaking zou sterk steun knaagdier slaap onderzoek.
Een activity based home-kooi controlesysteem gebruikt voor het opsporen van slaap adressen de beperkingen van EEG studies. De eenvoudige premisse is dat een inactieve dier waarschijnlijk een slapende dier is. Het is aangetoond dat 40 s van continue inactiviteit (weggegooid in 10 s tijdperken) is een betrouwbare maat voor slaap zoals gemeten met een EEG (aangetoond dat 88-94% overeenkomst)3. Home-kooi monitoring systemen kunnen worden gebruikt om te studeren van grote groepen dieren met minimale setup tijd. We hebben aangetoond dat het duurt dieren ongeveer één dag tot individuele huisvesting in de huis-kooi monitoring systeem4 in tegenstelling tot de weken herstel nodig voor EEG studies2koeien. Bovendien, kunnen sommige opstellingen ook detecteren fysiologische parameters zoals de lichaamstemperatuur, hartslag, activiteit en voeding. Temperatuur en hartslag zijn bepaald door de inplanting van een kleine zender. Deze parameters kunnen bieden meer informatie over de muis en in parallel met de opname van de slaap kunnen worden gebruikt voor verdere toevoegen aan ons begrip van slaap en hoe het wordt beïnvloed.
Hoewel het is een krachtig hulpmiddel, zijn er enkele beperkingen op de soorten gegevens die kan worden verkregen uit de monitoring van activity based home-kooi. EEG onderzoek kunnen onderscheid maken tussen REM en non - REM-slaap, die belangrijk voor een dieper inzicht in slaap architectuur zijn kunnen. Home-cage-bewakingssystemen activity based kunnen alleen gegevens leveren voor de duur van de totale slaap. Bovendien, hoewel de uitvoer voor het toezicht op activiteiten gebaseerde home-kooi informatie over slaap bout duur geeft, kan niet wij nauwkeurig beoordelen bout duur vanwege de inherente beperking van 40 s intervallen3. Ondanks deze beperkingen biedt home-kooi controle van slaap duur een belangrijke biologische maatregel die invloed op vele downstream factoren hebben kan, met inbegrip van de gezondheid van het dier en gedrag5.
Activiteit gebaseerde home-kooi bewaking is gebruikt voor het detecteren van slaap in vele studies die aangeeft zijn veelzijdigheid. We noemen een steekproef van deze onderzoeken4,6,7,8,9,10,11,12. Naast de methode voorgesteld, zijn er andere methoden voor het opsporen van de slaap via de activity based monitoring, elk met zijn eigen beperkingen13,14. Sommige van deze studies onderzoeken lange periodes van ononderbroken slaap (72 h) terwijl sommige slaap onderzoeken in blokken van 24 uur. In dit onderzoek presenteren wij slaap analyse voor elke periode van 24 uur na de reactie op dagelijkse intraperitoneaal (IP) injecties en op periodieke kooi veranderingen in een muismodel van fragiele X syndroom (Fmr1 KO muizen). We kozen voor Fmr1 KO muizen omdat ze slaap4 hebt verminderd en zijn hypothetische te hyper-reactieve tot en met15van de zintuiglijke informatie. Onze gegevens wijzen op de mogelijkheid om de opsporing van wijzigingen in slaappatronen in reactie op een stressvolle gebeurtenis. Deze methode is ideaal voor het verkrijgen van algemene informatie over slapen in grote cohorten van muizen. De methode kan nuttig zijn voor inzicht in de effecten van specifieke genetische wijzigingen op de slaap, de gevolgen van farmacologische behandelingen, of reacties op gebeurtenissen, zoals een stressor. Daarnaast biedt de methode een eenvoudige middelen van screening voor een reactie voordat meer betrokken studies.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Alle procedures werden goedgekeurd door het nationale Instituut voor geestelijke gezondheid Animal Care en gebruik Comité en uitgevoerd overeenkomstig de nationale instituten van gezondheid richtsnoeren inzake de zorg en het gebruik van dieren.
1. het opzetten van de slaap detectie eenheden
- Koop het gewenste aantal eenheden en software.
- Volg de instructies voor het instellen van de controlesystemen.
- Hiermee lijnt u een detector tegenover een emitter. Controleer of de infraroodstralen naar binnen staan en zijn uitgelijnd op dezelfde hoogte.
- Gebruik de bijgeleverde schroeven om de positie van de detectoren en de vervuilers op de gewenste hoogte op de metalen stand. Deze hoogte moet worden aangepast zodat de bedding van de kooi onder het niveau van de infraroodstralen is, maar de lichtbundel op de juiste hoogte is te detecteren van het dier activiteit. Dit creëert een interne gebied van 27 cm × 32 cm (10.625 in × 12.75 in).
- Desgewenst meer schroeven zijn aankoop meer bij een hardware opslaan (6-32 ¼ in Pan hoofd schroef).
- Sluit elke detector met elke zender. De emitter verbinden met de meegeleverde hub gekoppeld aan de ontvanger. Dit voor zowel de x als de y-vliegtuigen uitvoeren. Herhaal deze stap voor alle opstellingen.
- Sluit de ontvanger aan een computer met de meegeleverde USB-hub.
2. software-instellingen
- Installeren van de software van de analyse en de meegeleverde hardware configuratiebestand Selecteer als standaard. De hardware configuratiebestand mogen alleen worden gewijzigd door het bedrijf.
- Klik op bestand | Experiment naar Computerconfiguratie. Open de standaardconfiguratie voor experiment.
- Klik op Experiment | Eigenschappen.
- Klik op het tabblad Scan . omzetten in de Scan Rate 10 s.
- Klik op de tab van de activiteit wijzigen de bemonsteringsfrequentie van de activiteit tot en met 10 s.
- Klik op bestand | Sla Experiment als deze configuratieinstellingen voor toekomstige experimenten op te slaan.
3. dierlijke Setup
- Afzonderlijk het huis van de muizen in schone kooien die 31 cm (12.25 in) lang en 16,5 cm (6.5 inch) breed. Ter voorkoming van de muis uit te bouwen het beddengoed en belemmeren de balken, het gebruik van beddengoed op een diepte van 3 mm. Bieden geen extra nesten materiaal voor de muizen.
- De muizen te voorzien van toegang tot voedsel en water ad libitum door middel van een draad-feeder die in de bovenkant van de kooi uit de weg van de balken rust. Indien nodig, vullen van het voedsel en de waterflessen wijzigen wanneer kooien worden gewijzigd elke 3-5 dagen tijdens de gehele duur van de studie.
- Hiermee lijnt u de muis kooi binnen de infraroodstraal instellen, ervoor te zorgen dat het berust in ongeveer het midden van de balken voor een volledige dekking.
- Zorgen voor het licht-donker cyclus van de kamer is ingesteld op de spiegel het licht donker cyclus van de normale woonomstandigheden van de muizen, of desgewenst wijzigen op basis van het experiment.
4. voorbereiding en injecties van de drug
- Steriel water en steriele Cyclodextrine verkrijgen.
- Voor alle injecties, een spuit van 1 mL met een 25,5-30,5 G hypodermische naald te gebruiken. Een nieuwe steriele naald en de spuit moeten worden gebruikt voor elke muis.
- Verklein de tijd tussen de injecties en monteren alle spuiten op voorhand.
- Voor Cyclodextrine injecties: bereid Cyclodextrine-oplossing door het toevoegen van 3 g Cyclodextrine aan 10 mL water om een 30% Cyclodextrine oplossing te maken.
- Beheren van 0.3 mL zoutoplossing of Cyclodextrine via IP-injectie.
5. software om Record slaap
- Open het standaard hardware configuratiebestand.
- Klik op bestand | Experiment naar Computerconfiguratie. Open de gewenste of standaard experimenteren configuratie.
- Klik op Experiment | Setup.
- Wijst de locatie voor het opslaan van het gegevensbestand alsmede een locatie voor het opslaan van het back-upbestand. De software vereist dat het gegevensbestand worden opgeslagen in de Program Files onder de specifieke programmamap.
Opmerking: gezien het feit dat sommige computers de Dossiers van het programma als gevoelige bekijken, toegang tot het gegevensbestand niet mogelijk na het experiment. Daarom is het aanbevolen om het back-upbestand opslaan naar een andere, niet-gevoelige gebied op de lokale computer. - Het dier wijzen ID aan elke slaap kamer en voer het gewicht van het dier indien gewenst. Als een kamer niet wordt gebruikt in het experiment, zal de doos unchecking deactiveren van die kamer. Zodra de identificatie-informatie is ingevoerd, klikt u op gedaan.
- Wijst de locatie voor het opslaan van het gegevensbestand alsmede een locatie voor het opslaan van het back-upbestand. De software vereist dat het gegevensbestand worden opgeslagen in de Program Files onder de specifieke programmamap.
- Klik op bestand | Sla experimenteren als om de huidige configuratie van het experiment onder de gewenste bestandsnaam op te slaan.
- Klik op Experiment | Voer of F5 om de opname te starten. Wachten op een 10 s tijdperk om ervoor te zorgen dat alle kamers zijn het oppakken van activiteiten. Als de dieren waren gewoon geïnjecteerd, is het zeer waarschijnlijk dat de dieren zullen verhuizen genoeg om te worden gedetecteerd door de infrarood stralen.
- Als er geen activiteit wordt gedetecteerd, probeer te verplaatsen van de muis kooi handmatig om ervoor te zorgen dat de balken pick-up van het verkeer. Gaat u verder, of verplaatst naar een kamer werken als de activiteit is nog steeds niet geregistreerd.
Opmerking: Voer het experiment zodra de injecties zijn afgewerkt.
- Als er geen activiteit wordt gedetecteerd, probeer te verplaatsen van de muis kooi handmatig om ervoor te zorgen dat de balken pick-up van het verkeer. Gaat u verder, of verplaatst naar een kamer werken als de activiteit is nog steeds niet geregistreerd.
- Bedek de computerschermen met een ondoorzichtige dekking te blokkeren van het licht. Betrekking hebben op de knipperende lampjes op de activiteit meter.
- Voer het experiment gedurende 24 uur.
Opmerking: Vanwege de tijd die nodig is voor het uitvoeren van de injecties, zal het niet een volledige 24 h. De injecties moeten worden uitgevoerd op hetzelfde moment dagelijks. Slaap moet niet worden geregistreerd tijdens de injecties. - De volgende dag, op het moment van injecties, klik op Experiment | Stoppen met aan het einde van de opname. Klik op bestand | Exporteren | Genereren van onderwerp CSVs om de ruwe gegevens voor elke muis te verzamelen.
Opmerking: Het kan even duren om te exporteren, dus dit onmiddellijk doen en gaat u verder met injecties terwijl de computer wordt verwerkt. - Klik op bestand | Exporteren | Slaap voor het exporteren van het bestand van de slaap voor elk experiment door het openen van de raw. Het gegevensbestand van de CDTA op elke computer waarop de software is geïnstalleerd.
- Zorg ervoor dat zowel de x-as en de y-as selectievakjes zijn ingeschakeld onder Detectie Parameters activiteit bron.
- Zorg ervoor dat 4 tijdperken zijn geselecteerd onder Slapen drempel tijdperken.
- Zorg ervoor dat de 0 graven zijn geselecteerd onder Slapen drempel drempel.
- Kijk onder het Licht/donker cyclus, of de geschikte tijd voor de licht/donker cyclus.
- Selecteer de gewenste tijd voor analyse onder Venster Analyse. In het geval van de injectie studies, laat de dag als standaard. Stel de Begintijd in als ExpSTART. De duur instellen als 24:00 uur voor 24 h. analyse met behulp van die de software kan worden gedaan voor een maximum van 72 uur.
- Sla de configuratie om voor het exporteren van gegevens tijd te besparen.
- Klik op bijwerken.
- Klik op Genereren CSV-bestand en sla het bestand op de gewenste locatie.
6. de gegevensanalyse
- Voor elke opnamesessie, de slaap-bestand te openen. Om de onderwerp-ID toewijzen, open het individuele CSV-bestand voor elke kamer om te bepalen van de onderwerp-ID. Noteer de TOT slaap uu voor zowel het licht en de donkere fasen voor alle dieren.
- Controleer het individuele certificaathouder CSV-bestand voor de inconsistenties die aangeeft het falen van de opname. Als Verstraler tellingen worden gedetecteerd in één vlak, maar geen graven zijn waargenomen op het andere vliegtuig, betekent dit falen van de lichtbundel.
Opmerking: De "% slapen" voor de lichte en donkere fasen wordt berekend over de totale opname periode, waarin zowel licht en donker fasen. Voor 12 h licht/donker cycli, vermenigvuldigt u dit nummer met 2 te krijgen van de "% slapen" in de 12 h lichte of donkere fase. Gezien het feit dat de studies van de injectie niet gaan voor een volledige 24 h, de berekende "% slapen" is niet juist. Voor het genereren van de juiste "% slapen", deelt u de "TOT slapen uu" door de "Experiment verstreken tijd: uu," vermenigvuldig met 2, en dan te vermenigvuldigen met 100 om het percentage. Als injecties werden uitgevoerd in de lichte fase, dan moet alleen de lichte fase worden aangepast op deze manier.
- Controleer het individuele certificaathouder CSV-bestand voor de inconsistenties die aangeeft het falen van de opname. Als Verstraler tellingen worden gedetecteerd in één vlak, maar geen graven zijn waargenomen op het andere vliegtuig, betekent dit falen van de lichtbundel.
- Aangezien verschillende dagen en fasen met elkaar vergeleken worden, analyseren de percentage slaap-duur voor elke fase en elke dag.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Om te bepalen van het effect van dagelijkse injecties op slaap en of dieren koeien aan de injecties, we dagelijkse IP-injecties gedurende 14 opeenvolgende dagen bij 9:00 AM (lichte cyclus begon om 6:00 AM) hebt uitgevoerd en slaap duur opgenomen in 12 Fmr1 KO C57Bl/6J muizen. We gebruikten een binnen de onderwerpen ontwerp, injecteren van elk dier met normale zout gedurende 4 opeenvolgende dagen (1-4 dagen) en vervolgens 30% Cyclodextrine voor de volgende tien achtereenvolgende d...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Hier presenteren we een noninvasive, hoge-doorvoer methode voor de bepaling van de duur van de slaap op basis van Activiteitencontrole in de huis-kooi. Deze methode van beoordeling van totale slaaptijd is gevalideerd tegen EEG studies3. Activity based home-kooi controle is eenvoudig, noninvasive en toepassing op bevolkingsonderzoeken in grote aantallen dieren. Het is beperkt in dat het niet gedetailleerde informatie over slaap (zoals slaap bout duur en slaap-stadia geven).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
De auteurs wil erkennen de Editorial Board van de Fellows van NIH voor hun redactionele ondersteuning. Dit onderzoek werd gefinancierd door de intramurale Research Program van de NIMH (ZIA MH00889). RMS werd ook ondersteund door een FRAXA Postdoctoral Fellowship.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Comprehensive Lab Animal Monitoring System (CLAMS) | Columbus Instruments | Apparatuur en software om slaapduur te analyseren | |
| Captisol Research Grade | Captisol | RC-0C7-100 | Captisol voor het oplossen van hydrofobe verbindingen |
| 30 G BD Needle 1/2 inch | BD | 305106 | Naald voor injecties |
| BD Disposable Syringes | Fisher | 14-823-30 | Spuiten voor injecties |
| B6.129P2-Fmr1tm1Cgr/J | Jackson Labs | 3025 | Fmr1 KO muizen |
| Super Mouse 750 Mouse Cage | Lab Products, Inc. | Thuiskooien voor de muizen | |
| SANI-Chips Bedding | PJ Murphys | Bedding voor de muizen |
Referenties
- Picchioni, D., Reith, R. M., Nadel, J. L., Smith, C. B. Sleep, plasticity and the pathophysiology of neurodevelopmental disorders: the potential roles of protein synthesis and other cellular processes. Brain sciences. 4, 150-201 (2014).
- Ingvar, M. C., Maeder, P., Sokoloff, L., Smith, C. B. The effects of aging on local rates of cerebral protein synthesis in rats. Monographs in neural sciences. 11, 47-50 (1984).
- Pack, A. I., et al. Novel method for high-throughput phenotyping of sleep in mice. Physiological genomics. 28, 232-238 (2007).
- Sare, R. M., et al. Deficient Sleep in Mouse Models of Fragile X Syndrome. Front Mol Neurosci. 10, (2017).
- Alvarez, G. G., Ayas, N. T. The impact of daily sleep duration on health: a review of the literature. Progress in cardiovascular nursing. 19, 56-59 (2004).
- Kincheski, G. C., et al. Chronic sleep restriction promotes brain inflammation and synapse loss, and potentiates memory impairment induced by amyloid-beta oligomers in mice. Brain, behavior, and immunity. 64, 140-151 (2017).
- Sare, R. M., Levine, M., Hildreth, C., Picchioni, D., Smith, C. B. Chronic sleep restriction during development can lead to long-lasting behavioral effects. Physiology & behavior. 155, 208-217 (2015).
- Moretti, P., Bouwknecht, J. A., Teague, R., Paylor, R., Zoghbi, H. Y. Abnormalities of social interactions and home-cage behavior in a mouse model of Rett syndrome. Human molecular genetics. 14, 205-220 (2005).
- Guzman, M. S., et al. Mice with selective elimination of striatal acetylcholine release are lean, show altered energy homeostasis and changed sleep/wake cycle. Journal of neurochemistry. 124, 658-669 (2013).
- Vecsey, C. G., et al. Daily acclimation handling does not affect hippocampal long-term potentiation or cause chronic sleep deprivation in mice. Sleep. 36, 601-607 (2013).
- Bogdanik, L. P., Chapman, H. D., Miers, K. E., Serreze, D. V., Burgess, R. W. A MusD retrotransposon insertion in the mouse Slc6a5 gene causes alterations in neuromuscular junction maturation and behavioral phenotypes. PloS one. 7, e30217(2012).
- Angelakos, C. C., et al. Hyperactivity and male-specific sleep deficits in the 16p11.2 deletion mouse model of autism. Autism research: official journal of the International Society for Autism Research. 10, 572-584 (2017).
- Fisher, S. P., et al. Rapid assessment of sleep-wake behavior in mice. Journal of biological rhythms. 27, 48-58 (2012).
- Mang, G. M., et al. Evaluation of a piezoelectric system as an alternative to electroencephalogram/ electromyogram recordings in mouse sleep studies. Sleep. 37, 1383-1392 (2014).
- Chen, L., Toth, M. Fragile X mice develop sensory hyperreactivity to auditory stimuli. Neuroscience. 103, 1043-1050 (2001).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
