Summary
Здесь представлен протокол для хронической фрагментации сна (CSF) модель, достигнутая с помощью электрически контролируемого орбитального ротора, который может вызвать подтвержденный когнитивный дефицит и тревожное поведение у молодых диких мышей типа. Эта модель может быть применена для изучения патогенеза хронического нарушения сна и связанных с ним расстройств.
Abstract
Нарушение сна, как правило, распространены в популяциях, как хроническое заболевание или жаловался событие. Хроническое нарушение сна предлагается тесно связано с патогенезом заболеваний, особенно нейродегенеративных заболеваний. Недавно мы обнаружили, что 2 месяца сна фрагментации инициировал болезнь Альцгеймера (AD)-как поведенческие и патологические изменения у молодых диких мышей типа. В этом случае мы представляем стандартизированный протокол для достижения хронической фрагментации сна (CSF). Короче говоря, CSF был вызван орбитальным ротором, вибрирующим при 110 об/мин и работающим с повторяющимся циклом 10 s-on, 110 s-off, во время фазы light-ON (8:00 AM-8:00 PM) непрерывно в течение 2 месяцев. Нарушения пространственного обучения и памяти, тревога, как, но не депрессия, как поведение у мышей, как последствия моделирования CSF, были оценены с Моррис воды лабиринт (MWM), Новый объект признания (NOR), Открытый полевой тест (OFT) и принудительного плавания тест (FST). По сравнению с другими манипуляциями сна, этот протокол сводит к минимуму обработку трудов и максимизирует эффективность моделирования. Он производит стабильные фенотипы у молодых мышей дикого типа и потенциально может быть создан для различных исследовательских целей.
Introduction
Нарушение сна становится все более распространенным как у пациентов с нарушениями сна и здоровых людей со сном тревожные события. Было отмечено, что пациенты с нейродегенеративными заболеваниями, хронической болью, эмоциональным стрессом, заболеваниями дыхательной системы, заболеваниями мочевыделительной системы ит.д., как правило, жалуются на неприятные переживания сна 1,2,3,4,5. Обструктивное апноэ сна (OSA), периодические движения конечностей во сне (PLMS), бессонница поддержания сна среди других расстройств сна являются наиболее распространенными причинами, которыевызывают фрагментацию сна 6,7. В развитых странах, OSA имеет более 5% до 9% распространенности среди взрослого населения и 2% вдетской популяции 8,9,10. Между тем, растет доля здорового населения испытывают нарушения сна из-за чрезмерного использования смартфонов, нерегулярные привычки сна, раздражающие шумы, и рабочие обязанности, такие как ночные смены для воспитателей. Сон признан важным для очистки отходов мозга11,12,консолидациипамяти 13,14,метаболическийбаланс 15,16, среди многих других физиологических процессов. Тем не менее, до сих пор остается в значительной степени неизвестно, является ли долгосрочное нарушение сна приводит к необратимым изменениям патогенеза у здоровых людей, и является ли это этиология или фактором развития заболеваний центральной нервной системы, таких как нейродегенеративные заболевания в течение нескольких лет в будущем. Наша цель состоит в том, чтобы сообщить об экспериментальной модели, которая генерирует стабильный и очевидный когнитивный дефицит и тревожное поведение у молодых диких мышей типа после 2-месячного лечения фрагментации сна. Эта модель будет применяться для ответа на научные вопросы, перечисленные выше.
Нарушение сна перечислено как потенциальный фактор риска развития болезни Альцгеймера (AD) или слабоумия. Кан и др. впервые обнаружили и описали обострение патологии АД на 6 ч острого лишения сна17. После этого, многие другие исследования сообщили, что лишение сна или фрагментации может усугубить патогенез в трансгенных моделей АДмышей 18,19,20. Тем не менее, очень немногие исследователи изучали последствия нарушения сна у молодых диких мышей типа; то есть, является ли нарушение сна приводит к AD-подобное поведение или патологические изменения у молодых диких мышей типа. В нашей недавней публикации, мы сообщили, что 2 месяца фрагментации сна индуцированных очевидный дефицит пространственной памяти и тревоги, как поведение, а также увеличение внутриклеточного амилоид-β (АЗ) накопление как в коре головного мозга и гиппокампа в 2-3 месяца дикихмышей типа 21. Мы также наблюдали измененные уровни экспрессии эндосомно-аутофагосом-лизосомных маркеров пути и активации микроглии, которая была похожа на патологические изменения, зарегистрированные в APP/PS1мышей 21,22.
Этот представленный протокол фрагментации сна (SF) был подтвержден Sinton et al.23 и изменен Li et al.24. Короче говоря, орбитальный ротор, вибрирующий при 110 об/мин, прерывает сон на 10 с каждые 2 минуты во время фазы light-ON (8:00 AM-8:00 PM). Изменение структуры сна в этой модели ранее характеризовалось электрофизиологическими записями сна и сообщили Li et al.24, что указывает на значительное увеличение времени бодрствования и уменьшение быстрого движения глаз (REM) сна во время фазы light-ON, с общим временем сна и бодрствования (в 24 часа) не влияет после более чем 4 недельмоделирования 24. В настоящее время, полный сон или частичное лишение сна являются наиболее часто используемыми моделями манипуляции сна. Полное лишение сна, как правило, осуществляется путем устойчивого мягкого обращения или подвергая животных новых объектов, в качестве альтернативы, непрерывно вращая барили беговой дорожке 25,26,27,28,29. По этическим соображениям общее лишение сна обычно короче 24 ч. Наиболее часто применяется частичная модель лишения сна является метод водной платформы, которая в первую очередь ablating REMсна 30,31,32. Другие подходы, используя либо беговой дорожке или бар, который зачисток вдоль нижней части клетки, может вызвать фрагментацию сна принаборе на фиксированные интервалы 33,34 , 35,36,37,38. Примечательно, что SF прерывает сон и периодически вызывает возбуждения на всех стадиях сна24. Одним из заметных преимуществ этой модели CSF применения орбитального ротора является то, что он может выполняться непрерывно в течение нескольких месяцев автоматически контролируется машинами, что позволяет избежать частой обработки труда ежедневно, за исключением регулярного мониторинга. Кроме того, аппарат позволит одновременно моделировать несколько клеток мышей под форму вмешательства. В течение всего моделирования сессий, мышей размещаются в своих домашних клетках с обычными постельными принадлежностями и вложенных материалов, в то время как некоторые другие методы требуют воздействия диверсифицированной среды и неизбежный стресс.
Фрагментация сна ранее характеризовалась методом манипуляции сном, который имитирует частые возбуждения во время фазы сна и значительный отскок сна во время фазы бодрствования. В некоторых литературах CSF рассматривался как модель животных для OSA39,40. В этом исследовании, обоснование выбранной частоты возбуждения, чтобы быть 30 раз в час основан на наблюдении индексы возбуждения у пациентов с умеренной до тяжелой апноэ сна. Было отмечено, что 4 недели сна фрагментации значительно увеличилось гиперкапное возбуждение задержки и тактильное возбуждение порог, который может по крайней мере длиться 2 недели послевосстановления 24. Этот фенотип был объяснен выявлением c-fos снижение активации в норадренергических, orexinergic, гистаминергические, и холинергические бодрствования активных нейронов в ответ на гиперкапнию, а также снижение катехоламинергических и orexinergic прогнозы в cingulateкоры 24. Тем не менее, необходимо отметить, что наиболее важной особенностью в OSA является гипоксия, вызванная обструкцией дыхательных путей, чтоприводит к нарушению сна 41,42. Нарушение сна и повторяющиеся гипоксии взаимно взаимодействуют друг с другом в патогенеза OSA. Таким образом, фрагментация сна сама по себе не может быть в состоянии в полной мере продемонстрировать все ключевые особенности OSA у мышей.
В этом случае мы представляем стандартизированный протокол для моделирования хронической фрагментации сна у молодых мышей дикого типа. Когнитивный дефицит и тревога, как, а также депрессии, как поведение после лечения CSF были оценены Моррис лабиринт воды, Новый объект признания, Открытый тест поля, и принудительное плавание тест. Важно отметить, что эта модель должна быть взята в целом, что генерирует фенотипы дисрегулируемой сна, когнитивный дефицит, и тревога, как поведение. Нынешняя модель потенциально может быть применена, но не ограничивается следующими целями: 1) Дальнейшее изучение функциональных или молекулярных механизмов патогенеза, вызванных хроническим нарушением сна у молодых мышей без генетической предрасположенности, 2) Определение прямого пути, ведущего к нейродегенерации, инициированной нарушением сна, 3) Изучение терапевтических средств для улучшения фенотипов, вызванных хроническим нарушением сна, 4) Изучение внутренних защитных/компенсационных механизмов у мышей дикого типа при хроническом нарушении сна, 5) Для изучения регулирования сна и государственного перехода.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Этот протокол был одобрен Институциональным комитетом по уходу за животными и использованию больницы Тонгдзи, Медицинского колледжа Тонгдзи, Университета науки и техники Хуачжуна.
1. Скрининг мышей и подготовка к эксперименту
- Выберите взрослых диких (8-10 недель) мышей мужского пола весом 20-28 г для всего эксперимента.
ПРИМЕЧАНИЕ: Мыши дикого типа C57BL/6 получены из Исследовательского центра лабораторных животных Хубэй, Хубэй, Китай. - Случайно назначьте всех мышей в CSF и контрольную группу. Дом 3-5 мышей в каждой клетке, чтобы избежать социальной изоляции стресса. Количество мышей, размещенных в клетках управления, соответствует количеству в парных клетках CSF.
ПРИМЕЧАНИЕ: Мыши в одной группе клетки объединяются для выполнения последующих поведенческих экспериментов. - Найдите клетки управления в одной комнате с клетками CSF, чтобы сохранить окружающую среду и побочные эффекты идентичны.
- Номер и пометить мышей в каждой группе на ушах с помощью уха теги для целей мониторинга.
- Поддержание температуры и влажности окружающей среды между 21-23 градусами по Цельсию и 35%-60%.
- Поддержание окружающей среды в 12-часовом светло-темном цикле (8:00 утра-8:00 вечера свет-ON, 8:00 вечера-8:00 утра свет-OFF), чтобы избежать предвзятого влияния на нормальный ритм сна у мышей.
- Свести к минимуму шум и помехи в то время как исследователь присутствует в комнате моделирования.
- Обеспечьте мышей достаточной пищей и водой. Используйте длинные сопла с шариковой клапаном советы на бутылках с водой, чтобы предотвратить утечку воды на платформе движений. Закрепите бутылку с водой поверх клетки пружиной, чтобы избежать вывиха бутылки во время работы ротора.
2. Подготовка и установка орбитального ротора
- Подготовь электрически управляемый орбитальный ротор с увеличенной платформой (67 см х 110 см), на которой можно разместить не более 10 клеток.
- Установите орбитальный ротор во время этапа light-ON (8:00 AM-8:00 PM), контролируемого таймером программы, который является временем, когда мыши демонстрируют большую часть своего ежедневного сна.
- Установите орбитальный ротор со скоростью 110 об/мин и повторяющимся циклом 10 с-на, 110 с-офф контролируется с твердого тела таймер.
ПРИМЕЧАНИЕ: Грузоподъемность платформы составляет 50 кг. Фиксированная амплитуда вибрирующего горизонта ротора составляет 2,5 см. - Закрепите клетки CSF поверх роторной платформы толстыми пружинами, чтобы предотвратить вывих клеток при вращениях платформы.
3. Хроническое моделирование и мониторинг фрагментации сна
- Поместите клетки CSF и контрольных мышей в комнату моделирования в течение одной недели до экспериментов, чтобы позволить мышам адаптироваться к окружающей среде.
- В начале моделирования убедитесь, что все мыши имеют свободный доступ к пище и воде во время орбитальных вращений.
- В начале моделирования, наблюдать по крайней мере в течение 1 ч, чтобы обеспечить орбитальный ротор, работающий в передаче.
- В период моделирования, убедитесь, что орбитальный ротор работает должным образом и мышей условия каждые 2 дня, чтобы обеспечить мышей достаточно пищи и воды. Изменение постельных принадлежностей клеток еженедельно.
- В период моделирования, взвешивать мышей еженедельно в 8:00 утра при смене постельных принадлежностей. Удалите мышей со значительной потерей веса из моделирования, а также из экспериментальных групп.
ПРИМЕЧАНИЕ: Значительная потеря веса определяется как весом менее 20 г продолжительностью в течение 2 недель. - В течение всего сеанса моделирования, удалить агрессора, если таковые имеются, из клетки, а также из экспериментальных групп.
- После прекращения моделирования продолжайте поддерживать и кормить мышей в оригинальной комнате.
4. Моррис лабиринт воды (MWM) тест
- Подготовка к тесту
- Подготовь аппарат кругового бака, наполненного теплой водой (20-23 градусов по Цельсию).
- Приостановить четыре знака с различными формами и цветами на занавес, окружающий танк в четырех квадрант направлениях в качестве ссылки далекого видения. Сделайте воду непрозрачной путем добавления сухого молока.
- Найдите платформу в середине юго-западного квадранта.
- Учебный тест
- Субъект мышей до четырех последовательных испытаний между 8:00 утра и 12:00 утра каждый день в течение 5-дневного периода обучения.
- Отпустите каждую мышь в воду, обращенную к боковине в одном из четырех квадрантов в четырех испытаниях. В каждом испытании, позволяют мыши плавать в течение 60 с, чтобы найти платформу. Если мышь не может прибыть на платформу в течение 60 с, направлять его на платформу и оставаться там в течение 15 с.
- Используйте систему видео слежения, чтобы автоматически записывать задержку побега мышей, чтобы найти скрытую платформу.
- Тест зонда
- Проведи тест зонда на шестой день после 5 тренировочных дней.
- Удалите платформу. Отпустите каждую мышь с северо-восточного квадранта и дайте ей плавать в течение 60 с
- Используйте систему видео слежения для автоматической записи данных о следе мышей.
5. Новый тест распознавания объектов (NOR)
- Знакомая фаза
- Поместите мышей в бак (длина 30 см, ширина 28 см, рост 35 см) в последовательности, которая содержит две копии объектов (A1 и A2). Разрешить мышам свободно исследовать (10 мин за пробную версию).
- Используйте систему видео слежения для автоматической записи данных о следе мышей.
- Этап тестирования
- Проведи испытание после задержки на 1 ч знакомой фазы. Замените один из оригинальных объектов новым объектом ("роман") в баке, сохраняя другой без изменений. Верните мышей в бак и дайте ему исследовать в течение 5 минут за испытание.
- Используйте систему видео слежения для автоматической записи времени, затученного на исследование каждого объекта каждой мышью.
ПРИМЕЧАНИЕ: Исследование объекта определяется лизать, нюхать, жевать, или движущихся вибраций при ориентации нос к и менее 1 см от объекта. Индекс дискриминации (DI) рассчитывается с уравнением (TN и TF)/(TN и TF), где TN - время, затраченное на изучение "нового" объекта, и TF - время, затраченное на изучение "знакомого" объекта.
6. Открытый полевой тест (OFT)
- Подготовь аппарат танка (30 см х 28 см х 35 см).
- Во время теста поместите каждую мышь в центр бака и позвольте ей свободно исследовать в течение 5 минут. Очистите бак с 75% этанола после каждого испытания, чтобы избежать остатков эффектов предыдущей мыши.
- Используйте систему видео слежения для автоматической записи данных о следе мышей.
7. Принудительный тест по плаванию (FST)
- Подготовь аппарат открытого цилиндрического сосуда, который содержит воду глубиной 20-23 градуса Цельсия, глубиной 15 см.
- Во время теста поместите каждую мышь в цилиндр и дайте ей оставаться там в течение 6 минут.
- Используйте систему видео-трека, чтобы автоматически записывать время неподвижности в течение последних 4 минут теста каждой мышью.
ПРИМЕЧАНИЕ: Мышь определяется быть неподвижным, когда он перестает бороться и плавает в воде, делая только движения, которые необходимы, чтобы держать голову над водой.
8. Анализ данных
- Анализируйте данные с помощью программного обеспечения статистического анализа (например, GraphPad Prism 6.0).
- Выразите все данные как среднее ± SEM.
- Сравните задержку побега в тесте MWM между двумя группами, использующими двухгодовую ANOVA, с неоднократными мерами, за которыми следуют посттесты Bonferroni. Другие сопоставления между CSF и контрольными группами определяются неспаренными тестами t.
- Рассмотрим различия значительными, если P lt; 0.05 во всех тестах.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Все репрезентативные результаты и цифры были воспроизведены из нашей недавнейпубликации 21. Повторное использование этих цифр было разрешено в оригинальном журнале.
Вся экспериментальная конструкция иллюстрируется в порядке времени, который указывает сроки моделирования CSF, поведенческие тесты MWM, NOR, OFT, и FST(рисунок 1A). Мы получили веса мышей каждую неделю от CSF и контрольных групп, чтобы контролировать их общие условия во время моделирования сессий. Не было обнаружено очевидной разницы в увеличении веса мышей между двумя группами во время моделирования(рисунок 1B).
Чтобы оценить влияние CSF на пространственное обучение и производительность памяти, мы провели MWM поведенческоеиспытание 43,44. Группа CSF показала более плохие возможности побега, чтобы найти платформу в течение 5 учебных дней по сравнению с контрольной группой(рисунок 2A). В тесте зонда мыши CSF потратили значительно меньшую долю времени в целевом квадранте и пересекли предыдущее местоположение платформы на меньшееколичество раз (рисунок 2B,C), без разницы в скорости плавания(рисунок 2D). Эти выше результаты показали, что пространственное обучение и возможности поиска памяти мышей были нарушены после CSF.
Мы также провели тест NOR для оценки распознавания объектов и кратковременной рабочей памяти после CSF45. На знакомом этапе не было существенной разницы в общем времени разведки между CSF и контрольной группой(рисунок 3A). Соответственно, не было обнаружено различий во времени исследования между объектами А1 и А2, соответственно, в двух группах(рисунок 3B). Вышеуказанные результаты гарантировали, что не было никаких различий в способности мышей для исследования и предпочтения для расположения. На этапе тестирования индекс дискриминации (DI) мышей CSF был значительно уменьшен по сравнению с контролем(рисунок 3C),что, очевидно, указывает на дефицит распознавания объектов и кратковременной рабочей памяти после CSF.
Мы далее выполняется OFT и FST, соответственно, для изучения тревоги, как и депрессия, как поведениемышей 46,47. Интересно, что в OFT, было установлено, что группа CSF провел меньше времени в центральной зоне, чем контрольная группа (Рисунок 4A), который проиллюстрировал, что фрагментация сна может вызвать беспокойство, как поведение в определенной степени. Кроме того, мыши CSF продемонстрировали большее общее расстояние, перемещенное в баке(рисунок 4B),что свидетельствует о повышенной спонтанной активности после моделирования. Тем не менее, это моделирование CSF не может вызвать депрессию, как поведение, проверенное незначимой разницей во времени неподвижности между двумя группами, подвергаемых FST (Рисунок 4C).
Рисунок 1: Flowchart экспериментальной процедуры проектирования. (A)Экспериментальная процедура проектирования с указанием сроков моделирования CSF и поведенческих тестов (т.е. MWM, NOR, OFT и FST). (B)Кривые веса тела CSF и мыши управления во время первого месяца после того как модель CSF была установлена. Эта цифра была изменена с Xie et al.21 Пожалуйста, нажмитездесь, чтобы просмотреть более широкую версию этой цифры.
Рисунок 2: CSF нарушения пространственного обучения и способности памяти оценивается MWM-тест. (A) Мыши CSF выполнили более длинную задержку побега сравненную к мышам управления во время 5-дневного испытания тренировки. 0,01. (B) В тесте зонда мыши CSF демонстрировали меньше процентного времени, затязвив в квадранте платформы, в отличие от контрольных мышей. Верхняя панель показывает репрезентативные трассировки двух групп. p lt; 0.0001. (C)В тесте зонда группа CSF выполняла меньше времени пересечения местоположения платформы по сравнению с контрольной группой. 0,05. (D)Скорость плавания двух групп в тесте зонда. n.s. указывает на то, что изменения между различными группами не были значительными. Все данные были представлены как среднее ± SEM. n No 10 в группу. Эта цифра была изменена с Xie et al.21 Пожалуйста, нажмитездесь, чтобы просмотреть более широкую версию этой цифры.
Рисунок 3: CSF нарушение распознавания объектов и короткое время рабочей памяти оценивается тестом NOR. (A)Общее время исследования между CSF и контрольных мышей в знакомой фазе, n.s. указывает на отсутствие значительных изменений между различными группами. (B)Время исследования объектов A1 и A2 соответственно между двумя группами в знакомой фазе. n.s. указывает на отсутствие существенных изменений между различными группами. C)на этапе тестирования индекс дискриминации (DI) группы CSF был значительно снижен по сравнению с индексом контрольной группы. 0,05. Все данные были представлены как среднее ± SEM. n No 10 в группу. Эта цифра была изменена с Xie et al.21 Пожалуйста, нажмитездесь, чтобы просмотреть более широкую версию этой цифры.
Рисунок 4: CSF усугубляется тревога, как, но не депрессия, как поведение оценивается OFT и FST. (A) Мыши CSF провели меньше времени в центральной зоне в течение наблюдаемых 5 минут по сравнению с контрольными мышами в OFT. 0,05. (B)Группа CSF показала более длиннее общее расстояние двинутое в баке против группы управления в OFT. 0,05. (C)Время неподвижности между CSF и контрольных групп в FST. n.s. указывает на отсутствие существенных изменений между различными группами. Все данные были представлены как среднее ± SEM. n No 10 в группу. Эта цифра была изменена с Xie et al.21 Пожалуйста, нажмитездесь, чтобы просмотреть более широкую версию этой цифры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Критические шаги в текущем протоколе включают настройку машин фрагментации сна с оптимизированными параметрами в соответствии с целью исследования и поддержание мышей в комфортной и тихой среде обитания на протяжении всех сеансов моделирования. Важно также решить правильное время, чтобы прервать или остановить фрагментацию сна и организовать поведенческие тесты для этих мышей. Как и другие модели манипуляций со сном, важно выполнять протокол в специальной комнате с контролируемыми световыми циклами и недействительными всех возможных ненужных помех. Следует приложить усилия, чтобы избежать шума и свести к минимуму время работы, проводимое исследователями для проверки, заправки продуктов питания и водоснабжения, изменения постельных принадлежностей и т.д. В редких случаях, Есть агрессоры нападения littermates, особенно при инициировании неудобных сессий нарушения сна. Агрессор при присутствуют должны быть удалены из домашних клеток, а также экспериментальных групп. Большинство экспериментальных животных, за исключением нескольких к нашему опыту, будет адаптироваться к лечению и управлять доступом к воде и пище по мере необходимости. Мыши с внутренними проблемами, такими как деформированные зубы, недостаточный вес и раны кожи могут вызвать потерю веса или слабость. Их также следует избегать использования для моделирования. Поскольку этот протокол потенциально может вызвать хронический стресс и метаболическую дисрегуляцию, важно использовать мышей, скрининг с единообразными критериями, такими как вес тела, для моделирования и экспериментов.
В описаном протоколе орбитальный ротор будет автоматически включен в течение 8:00 утра-8:00 вечера (свет-ON) ежедневно, то есть время, когда мыши проявляют большую часть своей повседневной жизни. Ротор был установлен работает на повторяющийся цикл 10 s-on, 110 s-off во время фазы light-ON, чтобы вызвать частые возбуждения. Различные продолжительности моделирования приведет к различным фенотипам. Острая фрагментация сна может привести к абсолютному сокращению продолжительности сна, повышенной симпатической деятельности нервной системы, таких как повышенный уровень кортизонаи нарушение чувствительности к инсулину 23,24. Тем не менее, хроническая фрагментация сна показала незатронутые уровни кортизона, и сбалансированное общеевремя сна 24. Любые изменения, основанные на текущем протоколе, такие как световые циклы, вибрирующие настройки (скорость, амплитуда, повторяющийся цикл и т.д.) и продолжительность моделирования, потенциально могут изменить фенотипы. Для определения фенотипов сна необходимо проводить анализ записи сна и структуры сна в различных настройках моделирования. Это также может привести к отличительным поведенческим и патологическим изменениям. По мере того как мы исследовали познавательный дефицит после долгосрочной rather than одной-ночной фрагментации сна и клонили во избежание пристрастные влияния прерывистой фрагментации сна на поведениях мышей в MWM и NOR, мы выполнили эти 2 поведенческих испытания после прекращать протокол CSF на день 60. Тем не менее, неизбежно, эффект восстановления сна у мышей, возможно, путают результаты для MWM и NOR показано.
Хотя эта модель озаглавлена с моделью фрагментации сна, она фактически состоит из фрагментированных моделей сна во время фазы light-ON, дисрегуляции циркадного ритма и компенсационного отскока сна во время фазы light-OFF. Этот протокол может вызвать не только изменения сна, но и существенное нейровоспламенение, метаболический дисбаланс, нарушение иммунной системы ит.д. 21,23,24. Все эти патологические процессы могут взаимодействовать друг с другом и окутывать фенотипы, как оркестр. Эта модель должна быть взята в целом для создания мышей с фенотипами дисрегулируемого сна, когнитивный дефицит, и тревога, как поведение у молодых диких мышей типа. Как уже упоминалось в предыдущем разделе, эта модель не совсем отражает OSA из-за отсутствия повторяющихся гипоксии. Другим ограничением является то, что трудно генерировать точные патологические изменения и фенотипы сна у тех же мышей. Широко применяется ЭЭГ / ЭМГ имплантации электродов для записи сна неизбежно индуцированной тяжелой глиоз в коре48. В последние годы в исследованиях сна применялись методы видеонаблюдения и анализа изображений на основе искусственного интеллекта, которые собирали точную информацию о сне безинвазивной имплантации электродов 49,50,51.
Значение этого метода CSF по сравнению с существующими методами включают в себя: 1) Отличается от протоколов лишения сна, которые обычно выполняются в течение нескольких часов или дней, текущий протокол лучше имитирует долгосрочные нарушения сна у здоровых людей. Компенсационный сон отскок во сне фрагментированных мышей прекрасно отражает дневное сонливость и отсталые рабочие показатели у людей с плохим качеством сна вночное время 52,53. 2) Это пока единственная модель хронической фрагментации сна у молодых диких мышей с подтвержденным когнитивным дефицитом и тревожным, но не депрессией, как фенотипы поведения, а также очевидные молекулярные патологические изменения в тканях мозга. 3) Это лечение вызывает более мягкое раздражение мышей, так что моделирование может длиться в течение нескольких месяцев, даже с возможностью быть выполнены в более длительные периоды времени. 4) При надлежащих настройках, эта модель может генерировать стабильные фенотипы нарушения сна, когнитивный дефицит, и тревога, как поведение, которое может быть использовано либо в качестве моделей заболеваний или вмешательства для различных конструкций исследования. 5) Некоторые модели лишения сна требуют полного вмешательства сессии исследователями, чтобы применить мягкое обращение или новые объекты. За исключением регулярного мониторинга, этот метод сводит к минимуму обработку трудов, что также устраняет искусственный уклон.
Этот протокол CSF дает возможность ответить на ряд ключевых научных вопросов, таких как, является ли хроническое нарушение сна причиной или следствием нейродегенеративных заболеваний? Является ли хроническое нарушение сна индуцированного патогенеза в молодом возрасте обратимым? Различаются ли компенсационные механизмы при хроническом нарушении сна между молодыми и пожилыми людьми, здоровыми людьми и пациентами? Этот протокол также может быть применен для изучения терапевтических путем оценки тяжести и улучшения поведенческих и молекулярных фенотипов. Он также будет применяться для моделирования мышей с хронической краниэктомии, оптических волокон имплантации препаратов для функциональных записей. Кроме того, он может быть использован в качестве интервенционной стратегии, чтобы вызвать или усугубить фенотипы поверх уже существующих условий. Наконец, он может быть использован для изучения временных механизмов состояния сна и бодрствования. Интересно, что нынешняя модель CSF может вызвать беспокойство, как, а не депрессия, как поведение у мышей, что в соответствии с клиническим наблюдением, что нарушение сна у пациентов, вероятно, будет связано гораздо больше с тревогой, чем сдепрессией 54,55. Она обеспечивает практическую модель для изучения эмоциональных расстройств у грызунов.
Таким образом, мы представляем протокол моделирования хронической фрагментации сна с помощью вибрирующего орбитального ротора, который может производить стабильные фенотипы у молодых мышей дикого типа и свести к минимуму моделирование трудов с высокой эффективностью. Он может быть потенциально создан для различных исследовательских целей.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (61327902-6 к В. Вану и 81801318 к F.F. Ding). Мы признательны д-ру Сигриду Веаси за создание экспериментальной системы SF и любезное предоставление технических деталей. Мы признательны д-ру Майкену Недергаарду за поучительные комментарии для соответствующих экспериментов.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Any-maze behavior tracking system | Stoelting,Inc,USA | - | A video-tracking system which was used to record the behavior track of mice. |
| C57BL/6J mice | Hubei Research Center for Laboratory Animals, Hubei, China. | - | healthy male C57BL/6J mice aged 10-12 weeks were purchased from Hubei Research Center for Laboratory Animals |
| Graphpad Prism 6.0 Software | Graphpad Software,Inc.USA | - | Graphpad Prism 6.0 software was used to draw statistical graphs. |
| Morris water maze system | Shanghai XinRuan Information Technology Co.,Ltd,China | XR-XM101 | The system was used to perform Morris water maze test |
| Orbial rotor | Shanghai ShiPing Laboratory Equipment Co.,Ltd,China | SPH-331 | The orbital rotor was used to establish the chronic sleep fragmentation model |
| Solid state timer | OMRON Corporation, Kyoto, Japan | H3CR-F8-300 | The solid state time was used to control the frequency and time of the rotor running |
| Wooden Lusterless Tank | - | - | length 30 cm, width 28 cm, height 35 cm The tank was used to perform open field test and novel object recognition test |
References
- Peter-Derex, L., Yammine, P., Bastuji, H., Croisile, B. Sleep and Alzheimer's disease. Sleep Medicine Reviews. 19, 29-38 (2015).
- Mathias, J. L., Cant, M. L., Burke, A. L. J. Sleep disturbances and sleep disorders in adults living with chronic pain: a meta-analysis. Sleep Medicine. 52, 198-210 (2018).
- Murphy, M. J., Peterson, M. J. Sleep Disturbances in Depression. Sleep Medicine Clinics. 10 (1), 17-23 (2015).
- Walter, L. M., et al. Sleep disturbance in pre-school children with obstructive sleep apnoea syndrome. Sleep Medicine. 12 (9), 880-886 (2011).
- Helfand, B. T., et al. The relationship between lower urinary tract symptom severity and sleep disturbance in the CAMUS trial. Journal of Urology. 185 (6), 2223-2228 (2011).
- Kimoff, R. J. Sleep fragmentation in obstructive sleep apnea. Sleep. 19 (9), Suppl 61-66 (1996).
- Dhondt, K., et al. Sleep fragmentation and periodic limb movements in children with monosymptomatic nocturnal enuresis and polyuria. Pediatric Nephrology. 30 (7), Berlin, Germany. 1157-1162 (2015).
- Young, T., Peppard, P. E., Gottlieb, D. J. Epidemiology of obstructive sleep apnea: a population health perspective. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 165 (9), 1217-1239 (2002).
- Peppard, P. E., et al. Increased prevalence of sleep-disordered breathing in adults. American Journal of Epidemiology. 177 (9), 1006-1014 (2013).
- Marcus, C. L., et al. Diagnosis and management of childhood obstructive sleep apnea syndrome. Pediatrics. 130 (3), 714-755 (2012).
- Xie, L., et al. Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science. 342 (6156), New York, N.Y. 373-377 (2013).
- Benveniste, H., et al. The Glymphatic System and Waste Clearance with Brain Aging: A Review. Gerontology. 65 (2), 106-119 (2019).
- Stickgold, R., Walker, M. P. Memory consolidation and reconsolidation: what is the role of sleep. Trends in Neurosciences. 28 (8), 408-415 (2005).
- Stickgold, R. Sleep-dependent memory consolidation. Nature. 437 (7063), 1272-1278 (2005).
- Aalling, N. N., Nedergaard, M., DiNuzzo, M. Cerebral Metabolic Changes During Sleep. Current Neurology and Neuroscience Reports. 18 (9), 57 (2018).
- Rempe, M. J., Wisor, J. P. Cerebral lactate dynamics across sleep/wake cycles. Frontiers in Computational Neuroscience. 8, 174 (2014).
- Kang, J. E., et al. Amyloid-beta dynamics are regulated by orexin and the sleep-wake cycle. Science. 326 (5955), New York, N.Y. 1005-1007 (2009).
- Minakawa, E. N., et al. Chronic sleep fragmentation exacerbates amyloid beta deposition in Alzheimer's disease model mice. Neuroscience Letters. 653, 362-369 (2017).
- Qiu, H., et al. Chronic Sleep Deprivation Exacerbates Learning-Memory Disability and Alzheimer's Disease-Like Pathologies in AβPP(swe)/PS1(ΔE9) Mice. Journal of Alzheimer's Disease : JAD. 50 (3), 669-685 (2016).
- Holth, J. K., et al. The sleep-wake cycle regulates brain interstitial fluid tau in mice and CSF tau in humans. Science. 363 (6429), New York, N.Y. 880-884 (2019).
- Xie, Y., et al. Chronic sleep fragmentation shares similar pathogenesis with neurodegenerative diseases: Endosome-autophagosome-lysosome pathway dysfunction and microglia-mediated neuroinflammation. CNS Neuroscience & Therapeutics. 26 (2), 215-227 (2020).
- Ba, L., et al. Distinct Rab7-related Endosomal-Autophagic-Lysosomal Dysregulation Observed in Cortex and Hippocampus in APPswe/PSEN1dE9 Mouse Model of Alzheimer's Disease. Chinese Medical Journal (England). 130 (24), 2941-2950 (2017).
- Sinton, C. M., Kovakkattu, D., Friese, R. S. Validation of a novel method to interrupt sleep in the mouse. Journal of Neuroscience Methods. 184 (1), 71-78 (2009).
- Li, Y., et al. Effects of chronic sleep fragmentation on wake-active neurons and the hypercapnic arousal response. Sleep. 37 (1), 51-64 (2014).
- Misrani, A., et al. Differential effects of citalopram on sleep-deprivation-induced depressive-like behavior and memory impairments in mice. Progress Neuro-psychopharmacology & Biological Psychiatry. 88, 102-111 (2019).
- Xu, A., et al. Roles of hypothalamic subgroup histamine and orexin neurons on behavioral responses to sleep deprivation induced by the treadmill method in adolescent rats. Journal of Pharmacological Sciences. 114 (4), 444-453 (2010).
- Saito, L. P., et al. Acute total sleep deprivation potentiates amphetamine-induced locomotor-stimulant effects and behavioral sensitization in mice. Pharmacology, Biochemistry, and Behavior. 117, 7-16 (2014).
- Spano, G. M., et al. Sleep Deprivation by Exposure to Novel Objects Increases Synapse Density and Axon-Spine Interface in the Hippocampal CA1 Region of Adolescent Mice. The Journal of Neuroscience : The Official Journal of the Society for Neuroscience. 39 (34), 6613-6625 (2019).
- Morrow, J. D., Opp, M. R. Sleep-wake behavior and responses of interleukin-6-deficient mice to sleep deprivation. Brain, Behavior, and Immunity. 19 (1), 28-39 (2005).
- Arthaud, S., et al. Paradoxical (REM) sleep deprivation in mice using the small-platforms-over-water method: polysomnographic analyses and melanin-concentrating hormone and hypocretin/orexin neuronal activation before, during and after deprivation. Journal of Sleep Research. 24 (3), 309-319 (2015).
- Aleisa, A. M., Alzoubi, K. H., Alkadhi, K. A. Post-learning REM sleep deprivation impairs long-term memory: reversal by acute nicotine treatment. Neuroscience Letters. 499 (1), 28-31 (2011).
- Zagaar, M., Dao, A., Alhaider, I., Alkadhi, K. Regular treadmill exercise prevents sleep deprivation-induced disruption of synaptic plasticity and associated signaling cascade in the dentate gyrus. Molecular and Cellular Neurosciences. 56, 375-383 (2013).
- McKenna, J. T., et al. Sleep fragmentation elevates behavioral, electrographic and neurochemical measures of sleepiness. Neuroscience. 146 (4), 1462-1473 (2007).
- Tartar, J. L., et al. Hippocampal synaptic plasticity and spatial learning are impaired in a rat model of sleep fragmentation. The European Journal of Neuroscience. 23 (10), 2739-2748 (2006).
- Guzman-Marin, R., Bashir, T., Suntsova, N., Szymusiak, R., McGinty, D. Hippocampal neurogenesis is reduced by sleep fragmentation in the adult rat. Neuroscience. 148 (1), 325-333 (2007).
- Nair, D., et al. Sleep fragmentation induces cognitive deficits via nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase-dependent pathways in mouse. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 184 (11), 1305-1312 (2011).
- McCoy, J. G., et al. Experimental sleep fragmentation impairs attentional set-shifting in rats. Sleep. 30 (1), 52-60 (2007).
- Dumaine, J. E., Ashley, N. T. Acute sleep fragmentation induces tissue-specific changes in cytokine gene expression and increases serum corticosterone concentration. American Journal of Physiology. Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 308 (12), 1062-1069 (2015).
- Carreras, A., et al. Chronic sleep fragmentation induces endothelial dysfunction and structural vascular changes in mice. Sleep. 37 (11), 1817-1824 (2014).
- Khalyfa, A., et al. Circulating exosomes potentiate tumor malignant properties in a mouse model of chronic sleep fragmentation. Oncotarget. 7 (34), 54676-54690 (2016).
- Ferreira, C. B., Cravo, S. L., Stocker, S. D. Airway obstruction produces widespread sympathoexcitation: role of hypoxia, carotid chemoreceptors, and NTS neurotransmission. Physiological Reports. 6 (3), (2018).
- Tripathi, A., et al. Intermittent Hypoxia and Hypercapnia, a Hallmark of Obstructive Sleep Apnea, Alters the Gut Microbiome and Metabolome. mSystems. 3 (3), (2018).
- D'Hooge, R., De Deyn, P. P. Applications of the Morris water maze in the study of learning and memory. Brain Research. Brain Research Reviews. 36 (1), 60-90 (2001).
- Vorhees, C. V., Williams, M. T. Morris water maze: procedures for assessing spatial and related forms of learning and memory. Nature Protocols. 1 (2), 848-858 (2006).
- Vogel-Ciernia, A., Wood, M. A. Examining object location and object recognition memory in mice. Current Protocols in Neuroscience. 69, 1-17 (2014).
- Kraeuter, A. K., Guest, P. C., Sarnyai, Z. The Open Field Test for Measuring Locomotor Activity and Anxiety-Like Behavior. Methods in Molecular Biology. 1916, Clifton, N.J. 99-103 (2019).
- Porsolt, R. D., Bertin, A., Blavet, N., Deniel, M., Jalfre, M. Immobility induced by forced swimming in rats: effects of agents which modify central catecholamine and serotonin activity. European Journal of Pharmacology. 57 (2-3), 201-210 (1979).
- Hauglund, N. L., Kusk, P., Kornum, B. R., Nedergaard, M. Meningeal Lymphangiogenesis and Enhanced Glymphatic Activity in Mice with Chronically Implanted EEG Electrodes. The Journal of Neuroscience : The Official Journal of the Society for Neuroscience. 40 (11), 2371-2380 (2020).
- Nguyen-Michel, V. H., et al. Rapid eye movement sleep behavior disorder or epileptic seizure during sleep? A video analysis of motor events. Seizure. 58, 1-5 (2018).
- Zimmerman, J. E., Raizen, D. M., Maycock, M. H., Maislin, G., Pack, A. I. A video method to study Drosophila sleep. Sleep. 31 (11), 1587-1598 (2008).
- Abad, J., et al. Automatic Video Analysis for Obstructive Sleep Apnea Diagnosis. Sleep. 39 (8), 1507-1515 (2016).
- Sandlund, C., Hetta, J., Nilsson, G. H., Ekstedt, M., Westman, J. Impact of group treatment for insomnia on daytime symptomatology: Analyses from a randomized controlled trial in primary care. International Journal of Nursing Studies. 85, 126-135 (2018).
- Shekleton, J. A., Rogers, N. L., Rajaratnam, S. M. Searching for the daytime impairments of primary insomnia. Sleep Medicine Reviews. 14 (1), 47-60 (2010).
- Dixon, L. J., Lee, A. A., Gratz, K. L., Tull, M. T. Anxiety sensitivity and sleep disturbance: Investigating associations among patients with co-occurring anxiety and substance use disorders. Journal of Anxiety Disorders. 53, 9-15 (2018).
- Press, Y., Punchik, B., Freud, T. The association between subjectively impaired sleep and symptoms of depression and anxiety in a frail elderly population. Aging Clinical and Experimental Research. 30 (7), 755-765 (2018).
