Quantifizierung der infra-langsamen Dynamik der spektralen Kraft und der Herzfrequenz bei schlafenden Mäusen

Säugetier-Schlaf ist ein Verhaltenszustand der Ruhe und der Resilienz gegenüber Umweltreizen. Trotz dieser scheinbaren Homogenität, Polysomnographie und vegetative Parameter zeigen , dass die Schlaf bewegt sich zwischen qualitativ und quantitativ unterschiedliche neuronale und somatische Zustände auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen ^1. Über Minuten bis zu zehn Minuten tritt der Wechsel zwischen Nicht-REM und REM-Schlaf auf. Nicht-REM-Schlaf wird von einer großampligen, niederfrequenten Aktivität im EEG mit einem spektralen Peak um ~ 0,5 – 4 Hz begleitet, während REM-Schlaf eine regelmäßige EEG-Aktivität im Theta-Band (6 – 10 Hz) aufweist Muskel atonia ² Innerhalb des Nicht-REM-Schlafes radeln die Menschen durch Licht (S2) und tiefen Langsamwellen-Schlaf (SWS). Wie ihre Benennung zeigt, zeigen diese beiden Stufen niedrigere und höhere Erregungsschwellen ^{3 , 4} , und sie unterscheiden sich primär in der Dichte von NiedrighäutenEn-kortikale EEG-Leistung, die als langsame Aktivität (SWA; 0,75 – 4 Hz) bezeichnet wird. Die Ungleichförmigkeit bleibt während der einzelnen Kämpfe von S2 und SWS auf der Minute-zu-Sub-Sekunde-Zeitskala bestehen, die durch die variable Präsenz von SWA im Laufe eines Kampfes ^{5 , 6} , aber auch durch EEG- und Feldpotential-Rhythmen ausführlich dokumentiert wird Höhere Frequenzen, einschließlich Spindelwellen im Sigma-Band (10-15 Hz) und Gamma-Rhythmen (80 – 120 Hz) (für eine Überprüfung siehe ^{7 , 8 , 9 , 10} ).

Anstatt subtil zu sein, verschieben diese Variationen den schlafenden kortikalen Zustand beim Menschen auf die Extreme des Spektrums. Für Nicht-REM – Schlaf, diese reichen von einer Dominanz von SWA zu Staaten , dass ungefähre wake-artiger Aktivität , weil sie ¹¹ einen wesentlichen Anteil an Hochfrequenzkomponenten enthalten <suP>, ¹² Bei Nagetieren und Katzen, obwohl Nicht-REM-Schlaf nicht in Stufen unterteilt ist, tritt eine kurze Periode, die Zwischenschlaf (IS) genannt wird, vor dem REM-Schlaf-Beginn ^{13 auf} . Während des IS werden REM-Schlaf-Features wie Hippocampal-Theta-Aktivität und Ponto-Geniculo-Okzipital-Wellen initiiert, während Nicht-REM-Schlafsignaturen wie Spindelwellen und SWA noch vorhanden sind, was auf eine Mischung zwischen den beiden Schlafzuständen ^{14 , 15} hinweist. Dennoch könnte IS funktionell unterschiedlich sein, weil es durch Antidepressiva ¹⁶ moduliert wird und durch neuartige Objektpräsentation während des vorigen Aufwachens ¹⁷ , und es trägt zur Einstellung der Erregungsschwelle ^{18 bei} . Weiterhin zeigen die Zustandsflächen von EEG- und EMG-Parametern frei beweglicher Ratten eine Gruppe von Punkten ¹⁴ , die zwischen Nicht-REM-Schlaf, REM-Schlaf und Wachsamkeit kontinuierlich ist. Es gibt auch sporadische Abnahmen in der SWA, ohne in den Wach- oder REM-Schlaf einzutreten, was zu erheblichen Schwankungen der relativen Präsenz der nieder- und hochfrequenten Komponenten während eines konsolidierten Nicht-REM-Schlafkampfes ^{14 , 19 , 20 führt} . Schließlich treten variable Verhältnisse von SWA und höherfrequenten Rhythmen während des Nicht-REM-Schlafes nicht nur zeitlich auf, sondern zeigen auch regionale Unterschiede in der Amplitude und Synchronisation zwischen den kortikalen Bereichen ¹⁹ .

Säugetier Nicht-REM-Schlaf ist weit von Uniform. Ob diese Ungleichförmigkeit jedoch zu Zuständen führt, die sich in Funktions- und Verhaltensattributen unterscheiden, ist nicht klar. Bei verschiedenen Arten von Schlafstörungen wird der kontinuierliche Schlaf durch spontane Erwachungen und unangemessenes motorisches Verhalten gestört. Darüber hinaus zeigen Spektralanalysen Veränderungen in der relativen Präsenz höherer Frequenzen im EEG ²¹Und in autonomen Parametern wie Atemnoten und Herzschlag ²² . Die geordnete Abfolge von stabilen Schlafzuständen ist also gestört, und Elemente der kortikalen und / oder autonomen Erregung dringen unkontrolliert ein. Daher ist das Verständnis des Kontinuums der Schlafzustände für Krankheiten von Bedeutung. Darüber hinaus ist die Störung des Schlafes durch Umgebungslärm in städtischen Umgebungen mit allgemeinen Gesundheitsrisiken verbunden, was es entscheidend macht, Momente der erhöhten Verwundbarkeit während des Schlafes zu identifizieren ²³ .

Verhaltenserregung Versuche beim Menschen Schlaf zeigen an, dass es am schwersten ist aus aufzuwecken SWA dominierten Nicht-REM – Schlaf (Stufe S3), während Licht nicht-REM – Schlaf (Stufe S2) und REM – Schlaf zeigen vergleichbare und unteren Erregungsschwellen ^4. Die kortikale Verarbeitung von kurzen Schallreizen variiert im wesentlichen zwischen REM-Schlaf, S2 und S3 ^{24 ,25} , was anzeigt, dass staatsspezifische kortikale Aktivitätsmuster die ersten Stadien der sensorischen Verarbeitung modulieren. Für Nicht-REM-Schlaf beim Menschen variiert die Neigung zum Aufwachen als Reaktion auf Lärm mit dem Vorhandensein von Spindelwellen und Alpha-Rhythmen im EEG ^{26 , 27 , 28} . Thalamokortikalen rhythmicity während Spindeln wird durch verbesserte synaptische Hemmung bei beiden thalamischen und kortikalen Ebenen begleitet, die auf die Dämpfung der sensorischen Verarbeitung ⁷ beitragen gedacht wird.

Wie sind geräuschresistente und verwundbare Zeiträume in der Zeit organisiert und was sind ihre Determinanten? Bei Mäusen und Menschen haben wir vor kurzem eine infra-langsame, 0,02-Hz-Oszillation in neuronalen Rhythmen identifiziert. Abhängig von der Phase dieser 0,02-Hz-Oszillation zeigten Mäuse eine variable Reaktivität gegenüber externen Reizen, entweder aufwachen oder schlafenGh das Geräusch Interessanterweise war diese Oszillation mit der Rate des Herzschlags korreliert, was darauf hinweist, dass das autonome Nervensystem an der Modulation der Anfälligkeit des Schlafes an äußere Reize beteiligt ist ¹ . Gedächtnisbezogene hippocampale Rhythmen wurden auch in diesem Rhythmus organisiert, und am auffallendsten war seine Stärke mit der Qualität der Gedächtniskonsolidierung beim Menschen korreliert. Die 0,02-Hz-Oszillation scheint also ein organisatorisches Prinzip des Nagetier- und menschlichen Nicht-REM-Schlafes zu sein, das sowohl die Empfindlichkeit für die Umwelt als auch die interne Speicherverarbeitung moduliert. Dies unterstreicht erneut die Notwendigkeit von multiparametrischen und kontinuierlichen Einschätzungen von Schlafzuständen, um ihre Funktionalität zu erkennen und Orte von potentieller Verwundbarkeit zu identifizieren.

Hier präsentieren wir ein Verfahren zur Extraktion der Wellenform dieser Dynamik, einschließlich der chirurgischen Implantation von Mäusen für kombinierte EEG / ECoG- und EMG-EKG-Messungen, Exposition gegenüber sensorischen Reizen, aAnalyseanalyse. Diese Prozedur stellt eine Grundlage für die Betrachtung des Schlafes als ein kontinuierlich variierender, aber stark organisierter Vigilanzzustand dar, während dessen verschiedene grundlegende Schlaffunktionen sequentiell ausgeführt werden. Allgemeiner ist das Verfahren auf Ansätze anwendbar, die darauf abzielen, die spektralen und autonomen Merkmale zu extrahieren, die einem Verhaltensergebnis während des Schlafes sowohl im Gesundheits- als auch im Krankheitszustand vorausgehen.