चूहे में नींद को मापने के लिए polygraphic रिकॉर्डिंग प्रक्रिया
Summary
The recording of electroencephalogram (EEG) and electromyogram (EMG) in freely behaving mice is a critical step to correlate behavior and physiology with sleep and wakefulness. The experimental protocol described herein provides a cable-based system for acquiring EEG and EMG recordings in mice.
Abstract
Recording of the epidural electroencephalogram (EEG) and electromyogram (EMG) in small animals, like mice and rats, has been pivotal to study the homeodynamics and circuitry of sleep-wake regulation. In many laboratories, a cable-based sleep recording system is used to monitor the EEG and EMG in freely behaving mice in combination with computer software for automatic scoring of the vigilance states on the basis of power spectrum analysis of EEG data. A description of this system is detailed herein. Steel screws are implanted over the frontal cortical area and the parietal area of 1 hemisphere for monitoring EEG signals. In addition, EMG activity is monitored by the bilateral placement of wires in both neck muscles. Non-rapid eye movement (Non-REM; NREM) sleep is characterized by large, slow brain waves with delta activity below 4 Hz in the EEG, whereas a shift from low-frequency delta activity to a rapid low-voltage EEG in the theta range between 6 and 10 Hz can be observed at the transition from NREM to REM sleep. By contrast, wakefulness is identified by low- to moderate-voltage brain waves in the EEG trace and significant EMG activity.
Introduction
तकनीकी अग्रिमों अक्सर neurobiological प्रक्रियाओं की समझ में क्वांटम आती उपजी है। उदाहरण के लिए, मानव खोपड़ी से दर्ज की बिजली क्षमता sinusoidal तरंगों का रूप ले लिया है कि 1929 में हंस बर्जर की खोज की है, जो की आवृत्ति सीधे विषय का जागना के स्तर से संबंधित था, सोने-जगने की समझ में तेजी से प्रगति करने के लिए नेतृत्व एक जैसे दोनों पशुओं और मनुष्यों में नियमन,। 1 इस दिन electroencephlogram (ईईजी) करने के लिए, विद्युतपेशीलेख (ईएमजी), अर्थात्। साथ संयोजन के रूप में, कंकाल की मांसपेशियों द्वारा उत्पादित बिजली की गतिविधि, लगभग हर प्रयोगात्मक और नैदानिक के डेटा "रीढ़" का प्रतिनिधित्व करता है मानव सहित, जानवरों से बर्ताव में cortical न्यूरॉन्स की गतिविधियों के साथ व्यवहार और शरीर विज्ञान सहसंबंधी करना चाहता है कि मूल्यांकन। सबसे बुनियादी नींद अनुसंधान प्रयोगशालाओं में इन ईईजी रिकॉर्डिंग घ हासिल कर ली है, जिसमें एक केबल आधारित प्रणाली (चित्रा 1) का उपयोग करके प्रदर्शन कर रहे हैंअता पैटर्न और स्पेक्ट्रम विश्लेषण करने के लिए बंद लाइन अधीन है [जैसे।, एक तेजी से फूरियर (FFT) एल्गोरिथ्म को बदलने के आवेदन करने वाले] विषय की सतर्कता राज्य दर्ज की जा रही निर्धारित करने के लिए। 2, 3 नींद तेजी से आँख आंदोलन के होते हैं (रेम) और गैर रेम (NREM) नींद। रेम नींद एक तेजी से कम वोल्टेज ईईजी, यादृच्छिक नेत्र आंदोलन, और मांसपेशियों atonia, मांसपेशियों को प्रभावी ढंग से लकवा मार जाता है, जिसमें एक राज्य की विशेषता है। शरीर मस्तिष्क से काफी हद तक काट दिया जाता है और गहरी नींद में प्रतीत होता है जबकि मस्तिष्क की गतिविधियों, कि जागने के जैसा दिखता है क्योंकि रेम नींद भी, उलटी सोने के रूप में जाना जाता है। इसके विपरीत, मोटर न्यूरॉन्स NREM नींद के दौरान प्रेरित कर रहे हैं, लेकिन कोई आंख आंदोलन है। ईईजी में 4 हर्ट्ज – मानव NREM नींद स्टेज 4 गहरी नींद या धीमी गति की नींद कहा जाता है और 0.5 के बीच डेल्टा गतिविधि के साथ बड़े, धीमी गति से मस्तिष्क तरंगों द्वारा की पहचान की है, जिसके तहत चार चरणों में विभाजित किया जा सकता है। दूसरी ओर, एक चूहे जैसे छोटे जानवरों में NREM नींद के चरणों के बीच एक उपखंड,एन डी चूहों, मनुष्य के रूप में देखा है कि वे नींद की लंबी समेकित अवधि के लिए नहीं है, क्योंकि ज्यादातर स्थापित नहीं किया गया।
इन वर्षों में, और ईईजी व्याख्या के आधार पर, सोने-जगने के विनियमन के कई मॉडल, सर्किट और humoral आधारित दोनों प्रस्ताव किया गया है। तंत्रिका और नींद या, वैकल्पिक रूप से, के लिए जरूरत के सेलुलर आधार "नींद ड्राइव," अनसुलझे रहता है, लेकिन जागने की अवधि के दौरान बनाता है और नींद से छितराया हुआ है कि एक homeostatic दबाव अवधारणा के रूप में की गई है। एक सिद्धांत यह अंतर्जात somnogenic कारकों जागना दौरान और उनके क्रमिक संचय नींद होमियोस्टैटिक दबाव का आधार है कि जमा है। त्रिदोषन कारकों द्वारा नियंत्रित किया जाता है कि नींद पहली औपचारिक परिकल्पना 1892 4 में प्रकाशित रोसेनबम के काम करने के लिए जमा किया गया है, वहीं यह Ishimori 5, 6 और जो स्वतंत्र रूप से Pieron 7 था, और 100 से अधिक साल पहले, नींद को बढ़ावा देने के रसायनों के अस्तित्व का प्रदर्शन। दोनों शोधकर्ताओं hypnogenic पदार्थ या 'hypnotoxins' नींद से वंचित कुत्तों के मस्तिष्क रीढ़ की हड्डी द्रव (सीएसएफ) में मौजूद थे कि, प्रस्तावित, और वास्तव में साबित कर दिया। 8 पिछली सदी के दौरान नींद होमियोस्टैटिक प्रक्रिया में फंसा कई अतिरिक्त ख्यात hypnogenic पदार्थों पहचान की गई है (समीक्षा के लिए, रेफरी देखते हैं। 9), प्रोस्टाग्लैंडीन (पीजी) डी 2, 10 साइटोकिन्स, 11 एडेनोसाइन, 12 एनंदएमाइड, 13 और urotensin द्वितीय पेप्टाइड भी शामिल है। 14
एक निश्चित डिग्री करने के लिए सोने और जागने और, सर्किट आधारित सिद्धांतों से प्रेरित है कि जल्दी और मध्य 20 वीं सदी का उत्पादन निष्कर्षों में Economo 15, 16, Moruzzi और Magoun 17, और दूसरों के द्वारा प्रायोगिक कार्य के तत्कालीन प्रचलित त्रिदोषन सिद्धांत भारी पड़ रही है नींद। तिथि करने के लिए, कई "सर्किट मॉडल" प्रत्येक (समीक्षा के लिए, रेफरी। 18 देखें) गुणवत्ता और मात्रा बदलती के डेटा के द्वारा सूचित किया, प्रस्तावित किया गया है। एक मॉडलउदाहरण के लिए, धीमी गति की नींद बेसल अग्रमस्तिष्क में, एक क्षेत्र में मुख्य रूप से ब्रोका के विकर्ण बैंड और द्रव्य inominata की क्षैतिज अंग के नाभिक की consisiting कोलीनर्जिक न्यूरॉन्स acetylcholine से रिहाई के एडेनोसाइन की मध्यस्थता निषेध के माध्यम से उत्पन्न होता है कि प्रस्ताव है। नींद / जगा विनियमन के 19 अन्य लोकप्रिय मॉडल हाइपोथेलेमस और ब्रेन स्टेम में ventrolateral preoptic क्षेत्र में नींद उत्प्रेरण न्यूरॉन्स के बीच परस्पर निरोधात्मक बातचीत और जगा उत्प्रेरण न्यूरॉन्स के आधार पर एक फ्लिप फ्लॉप स्विच तंत्र का वर्णन है। 18, 20, 21 इसके अलावा, में और रेम नींद से बदलने के लिए, एक समान आपस में निरोधात्मक बातचीत ब्रेन स्टेम में क्षेत्रों के लिए प्रस्तावित किया गया है, कि उदर periaqueductal ग्रे, पार्श्व pontine tegmentum, और sublaterodorsal नाभिक है। 22 सामूहिक रूप से, इन मॉडलों मूल्यवान साबित किया है heuristics और नींद अनुसंधान के क्षेत्र में अध्ययन के लिए afforded महत्वपूर्ण अर्थ व्यवस्थाएं; हालांकि, एक तुनींद जगा चक्र को विनियमित करने के आणविक तंत्र और सर्किट के टी समग्र समझ उसके घटकों में से एक और पूरी ज्ञान की आवश्यकता होगी। नीचे विस्तृत polygraphic रिकॉर्डिंग के लिए इस प्रणाली को इस लक्ष्य में सहायता करनी चाहिए।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस प्रोटोकॉल कम शोर, लागत प्रभावी, और उच्च throughput की शर्तों के तहत सोने और जागने के मूल्यांकन की अनुमति देता है कि ईईजी / ईएमजी रिकॉर्डिंग के लिए एक सेट-अप का वर्णन है। कारण ईईजी / ईएमजी इलेक्ट्रोड सिर विधान?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Dr. Larry D. Frye for editorial help with this manuscript. This work was supported by Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research 24300129 (to M.L.), 25890005 (to Y.O.) and 26640025 (to Y.T.), the National Agriculture and Food Research Organization (to Y.U.), the World Premier International Research Center Initiative (WPI) from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (to Y.O., Y.T., Y.U. and M.L.) and the Nestlé Nutrition Council, Japan (to M.L.).
Materials
| 4-pin header | Hirose | A3B-4PA-2DSA(71) | |
| Ampicillin | Meiji Seika | N/A | |
| Analog-to-digital converter | Contec | AD16-16U(PCIEV) | |
| Caffeine | Sigma | C0750 | |
| Carbide cutter | Minitor | B1055 | |
| Crimp housing | Hirose | DF11-4DS-2C | |
| Crimp socket | Hirose | DF11-30SC | |
| Dental cement (Toughron Rebase) | Miki Chemical Product | N/A | |
| Epoxy adhesive | Konishi | #16351 | |
| FFC/FPC connector | Honda Tsushin Kogyo | FFC-10BMEP1(B) | |
| Flat cable | Hitachi Cable | 20528-ST LF | |
| Instant glue (Aron Alpha A) | Toagosei | N/A | |
| Meloxicam | Boehringer Ingelheim | N/A | |
| Pentobarbital | Kyoritsu Seiyaku | N/A | |
| Signal amplifier | Biotex | N/A | |
| Sleep recording chamber | APL | N/A | |
| SleepSign software | Kissei Comtec | N/A | for EEG/EMG recording/analysis |
| Slip ring | Biotex | N/A | |
| Stainless steel screw | Yamazaki | N/A | φ1.0×2.0 |
| Stainless steel wire | Cooner Wire | AS633 |
Referenzen
- Berger, H. Über das Elektrenkephalogramm des Menschen. Arch. Psych. 87 (1), 527-570 (1929).
- Tobler, I., Deboer, T., & Fischer, M. Sleep and sleep regulation in normal and prion protein-deficient mice. J. Neurosci. 17 (5), 1869-1879, (1997).
- Kohtoh, S. et al. Algorithm for sleep scoring in experimental animals based on fast Fourier transform power spectrum analysis of the electroencephalogram. Sleep Biol. Rhythm. 6 (3), 163-171 (2008).
- Rosenbaum, E. Warum müssen wir schlafen? : eine neue Theorie des Schlafes. August Hirschwald (1892).
- Kubota, K. Kuniomi Ishimori and the first discovery of sleep-inducing substances in the brain. Neurosci. Res. 6 (6), 497-518 (1989).
- Ishimori, K. True cause of sleep: a hypnogenic substance as evidenced in the brain of sleep-deprived animals. Tokyo Igakkai Zasshi. 23, 429-457 (1909).
- Legendre, R., & Pieron, H. Recherches sur le besoin de sommeil consécutif à une veille prolongée. Z. Allegem. Physiol. 14, 235-262 (1913).
- Inoué, S., Honda, K., & Komoda, Y. Sleep as neuronal detoxification and restitution. Behav. Brain. Res. 69 (1-2), 91-96 (1995).
- Urade, Y., & Hayaishi, O. Prostaglandin D2 and sleep/wake regulation. Sleep Med. Rev. 15 (6), 411-418 (2011).
- Ueno, R., Ishikawa, Y., Nakayama, T., & Hayaishi, O. Prostaglandin D2 induces sleep when microinjected into the preoptic area of conscious rats. Biochem. Biophys. Res. Commun. 109 (2), 576-582 (1982).
- Krueger, J. M., Walter, J., Dinarello, C. A., Wolff, S. M., & Chedid, L. Sleep-promoting effects of endogenous pyrogen (interleukin-1). Am. J. Physiol. 246 (6 Pt 2), R994-999 (1984).
- Porkka-Heiskanen, T. et al. Adenosine: a mediator of the sleep-inducing effects of prolonged wakefulness. Science. 276 (5316), 1265-1268 (1997).
- Garcia-Garcia, F., Acosta-Pena, E., Venebra-Munoz, A., & Murillo-Rodriguez, E. Sleep-inducing factors. CNS Neurol. Disord. Drug. Targets. 8 (4), 235-244 (2009).
- Huitron-Resendiz, S. et al. Urotensin II modulates rapid eye movement sleep through activation of brainstem cholinergic neurons. J. Neurosci. 25 (23), 5465-5474 (2005).
- Wilkins, R. H., & Brody, I. A. Encephalitis lethargica. Arch. Neurol. 18 (3), 324-328 (1968).
- von Economo, C. Die encephalitis lethargica. Wien. Klin. Wochenschr. 30, 581-585 (1917).
- Moruzzi, G., & Magoun, H. W. Brain stem reticular formation and activation of the EEG. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1 (4), 455-473 (1949).
- Saper, C. B., Fuller, P. M., Pedersen, N. P., Lu, J., & Scammell, T. E. Sleep state switching. Neuron. 68 (6), 1023-1042 (2010).
- Jones, B. E. in Progress in Brain Research,. Volume 145, eds. Kresimir Krnjevic Laurent Descarries & Steriade Mircea. Elsevier, 157-169 (2004).
- Saper, C. B., Scammell, T. E., & Lu, J. Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms. Nature. 437 (7063), 1257-1263 (2005).
- Fort, P., Bassetti, C. L., & Luppi, P. H. Alternating vigilance states: new insights regarding neuronal networks and mechanisms. Eur. J. Neurosci. 29 (9), 1741-1753 (2009).
- Lu, J., Sherman, D., Devor, M., & Saper, C. B. A putative flip-flop switch for control of REM sleep. Nature. 441 (7093), 589-594 (2006).
- Paxinos, G., & Franklin, K. B. J. The mouse brain in stereotaxic coordinates. Academic (2001).
- Lazarus, M. et al. Arousal effect of caffeine depends on adenosine A2A receptors in the shell of the nucleus accumbens. J. Neurosci. 31 (27), 10067-10075 (2011).
- Huang, Z.-L. et al. Adenosine A2A, but not A1, receptors mediate the arousal effect of caffeine. Nat. Neurosci. 8 (7), 858-859 (2005).
- Qu, W.-M., Huang, Z.-L., Xu, X.-H., Matsumoto, N., & Urade, Y. Dopaminergic D1 and D2 receptors are essential for the arousal effect of modafinil. J. Neurosci. 28 (34), 8462-8469 (2008).
- Huang, Z. L. et al. Arousal effect of orexin A depends on activation of the histaminergic system. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 98 (17), 9965-9970 (2001).
- Xu, Q. et al. A mouse model mimicking human first night effect for the evaluation of hypnotics. Pharmacol. Biochem. Behav. 116, 129-136 (2014).
- Cho, S. et al. Marine polyphenol phlorotannins promote non-rapid eye movement sleep in mice via the benzodiazepine site of the GABAA receptor. Psychopharmacol. 231 (14), 2825-2837 (2014).
- Liu, Y.-Y. et al. Piromelatine exerts antinociceptive effect via melatonin, opioid, and 5HT1A receptors and hypnotic effect via melatonin receptors in a mouse model of neuropathic pain. Psychopharmacol. 231 (20), 3973-3985 (2014).
- Qu, W.-M. et al. Lipocalin-type prostaglandin D synthase produces prostaglandin D2 involved in regulation of physiological sleep. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103 (47), 17949-17954 (2006).
