Quantification de la dynamique infra-lente de la puissance spectrale et de la fréquence cardiaque chez les souris dormantes
Summary
Ici, nous présentons des procédures expérimentales et analytiques pour décrire la dynamique temporelle des variables neuronales et cardiaques du sommeil non-REM chez la souris, qui modulent la réactivité du sommeil aux stimuli acoustiques.
Abstract
Trois états de vigilance dominent la vie des mammifères: l'éveil, le sommeil non-rapide des yeux (non-REM) et le sommeil paradoxal. Comme plus de corrélats neuronaux de comportement sont identifiés chez les animaux en mouvement libre, cette subdivision à trois fois devient trop simpliste. Au cours de l'éveil, des ensembles d'activités corticales globales et locales, ainsi que des paramètres périphériques tels que le diamètre pupillaire et l'équilibre sympathovagal, définissent différents degrés d'éveil. Il ne reste pas clair dans quelle mesure le sommeil forme également un continuum d'états du cerveau – dans lequel le degré de résilience aux stimuli sensoriels et à l'excitation, et peut-être à d'autres fonctions du sommeil, varie progressivement et comment les états physiologiques périphériques co-varient. La recherche de l'avancement des méthodes pour surveiller les paramètres multiples pendant le sommeil, ainsi que l'attribution des constellations de ces attributs fonctionnels, est essentielle pour affiner notre compréhension du sommeil en tant que processus multifonctionnel pendant lequel de nombreux effets bénéfiques doivent être exÉcouté. L'identification de nouveaux paramètres caractérisant les états du sommeil ouvrira des opportunités pour de nouvelles voies diagnostiques dans les troubles du sommeil.
Nous présentons une procédure pour décrire les variations dynamiques des états de sommeil non-REM de la souris via les signaux combinés de surveillance et d'analyse des électroencéphalogrammes (EEG) / électrocorticogramme (ECoG), électromyogramme (EMG) et électrocardiogramme (ECG) en utilisant des techniques d'enregistrement polysomnographique standard. En utilisant cette approche, nous avons constaté que le sommeil non-REM de la souris est organisé en cycles d'oscillations neuronales et cardiaques coordonnées qui génèrent des intervalles de 25 secondes successifs de fragilité élevée et faible aux stimuli externes. Par conséquent, les systèmes nerveux central et autonome sont coordonnés pour former des états de sommeil comportementalement distincts pendant le sommeil non-REM consolidé. Nous présentons des manipulations chirurgicales pour la surveillance polysomographique ( c'est-à-dire EEG / EMG combinée avec ECG) pour suivre ces cycles dans la souris librement dormante, l'analyse à quantiPar leur dynamique et les protocoles de stimulation acoustique pour évaluer leur rôle dans la probabilité de se réveiller. Notre approche a déjà été étendue au sommeil humain et promet de démêler les principes d'organisation communs des états de sommeil non-REM chez les mammifères.
Introduction
Le sommeil des mammifères est un état de repos comportemental et de résilience aux stimuli environnementaux. Malgré cette uniformité apparente, les paramètres polysomnographiques et autonomes indiquent que le sommeil se déplace entre des états neuronaux et somatiques qualitatifs et quantitativement différents sur diverses échelles temporelles et spatiales 1 . Pendant quelques minutes à plusieurs dizaines de minutes, le basculement entre le sommeil non REM et REM se produit. Le sommeil non-REM s'accompagne d'une activité de grande amplitude et de basse fréquence dans l'EEG, avec un pic spectral autour de ~ 0,5 à 4 Hz, alors que le sommeil REM montre une activité EEG régulière dans la bande theta (6-10 Hz), ainsi que Muscle atonia 2 . Dans le sommeil non-REM, les humains traversent la lumière (S2) et le sommeil lent profond (SWS). Comme leur nomination les indique, ces deux étapes présentent des seuils d'excitation inférieurs et supérieurs 3 , 4 , respectivement, et ils diffèrent principalement dans la densité de basse fréquencePuissance EEG corticale, appelée activité de l'onde lente (SWA, 0,75 – 4 Hz). La non-uniformité persiste dans les épisodes individuels de S2 et SWS à la minute à la sous-deuxième échelle, tellement documenté par la présence variable de la SWA au cours des 5 , 6 , mais aussi par l'EEG et les rythmes de potentiel de terrain au Fréquences plus élevées, y compris les ondes de broche dans la bande sigma (10-15 Hz) et les rythmes gamma (80 – 120 Hz) (pour une évaluation, voir 7 , 8 , 9 , 10 ).
Plutôt que d'être subtil, ces variations changent l'état cortical endormi chez les humains aux extrêmes du spectre. Pour le sommeil non-REM, ceux-ci vont d'une prédominance de SWA à des états qui se rapprochent d'une activité de réveil car ils contiennent une proportion importante de composants à haute fréquence 11 <suP>, 12 . Chez les rongeurs et les chats, bien que le sommeil non-REM ne soit pas subdivisé en étapes, une courte période appelée somme de sommeil intermédiaire émerge avant le début du sommeil 13 . Pendant IS, les fonctions de sommeil REM, telles que l'activité de l'thetape de l'hippocampe et les ondes de point-geniculo-occipital, tandis que les signatures de sommeil non-REM, telles que les ondes de broche et SWA, sont encore présentes, ce qui indique un mélange entre les deux états de sommeil 14 , 15 . Néanmoins, IS pourrait être fonctionnellement distinct car il est modulé par des antidépresseurs 16 et par une présentation d'objet nouvelle lors du réveil précédent 17 , et il contribue à régler le seuil d'excitation 18 . En outre, les parcelles spatiales d'états des paramètres EEG et EMG des rats en mouvement libre montrent un groupe de points 14 qui est continu entre le sommeil non-REM, le sommeil REM et l'éveil. Il y a également des déclins sporadiques dans la SWA, sans entrer dans la veille ou le sommeil paradoxal, ce qui entraîne des fluctuations importantes de la présence relative des composants à faible et haute fréquence au cours d'un combat consolidé non-REM 14 , 19 , 20 . Enfin, les rapports variables de SWA et les rythmes de fréquence plus élevés pendant le sommeil non-REM ne se produisent pas seulement dans le temps, mais montrent également des différences régionales d'amplitude et de synchronisation entre les zones corticales 19 .
Le sommeil non-REM de mammifère est loin d'être uniforme. Cependant, si cette non-uniformité conduit à des états qui diffèrent en fonction et les attributs comportementaux n'est pas clair. Dans plusieurs types de troubles du sommeil, le sommeil continu est perturbé par des éveils spontanés et un comportement moteur inapproprié. En outre, les analyses spectrales montrent des altérations de la présence relative de fréquences plus élevées dans l'EEG 21Et dans les paramètres autonomes, tels que les taux de respiration et le battement cardiaque 22 . La séquence ordonnée des états de sommeil stables est donc perturbée, et les éléments de l'excitation corticale et / ou autonome s'observent de manière incontrôlée. Par conséquent, la compréhension du continuum des états du sommeil est une pertinence possible pour la maladie. En outre, la perturbation du sommeil par le bruit environnemental en milieu urbain est associée à des risques généraux pour la santé, ce qui rend crucial pour identifier les moments de vulnérabilité accrue pendant le sommeil 23 .
Les expériences d'évasion comportementale chez les personnes endormées indiquent qu'il est plus difficile de se réveiller du sommeil non-REM qui a dominé par la SWA (stade S3), tandis que le sommeil non-REM (stade S2) et le sommeil REM montrent des seuils d'excitation comparables et inférieurs 4 . Le traitement cortical des stimuli sonores courts varie considérablement entre le sommeil REM, S2 et S3 24 ,25 , indiquant que les modèles d'activité corticale spécifiques à l'état modulent les premiers stades du traitement sensoriel. Pour le sommeil non-REM chez les humains, la propension à se réveiller en réponse au bruit varie avec la présence d'ondes de broche et de rythmes alpha dans l'EEG 26 , 27 , 28 . La rythmicité thalamocortique pendant les broches s'accompagne d'une inhibition synaptique améliorée aux niveaux thalamique et cortical, ce qui est censé contribuer à l'atténuation du traitement sensoriel 7 .
Comment les périodes de sommeil résistant au bruit et les périodes de sommeil sont-elles réparties dans le temps et quels sont leurs déterminants? Chez les souris et les humains, nous avons récemment identifié une oscillation infrarouge de 0,02 Hz dans les rythmes neuronaux. Selon la phase de cette oscillation de 0,02 Hz, les souris ont montré une réactivité variable à des stimuli externes, soit en train de réveiller soit de dormirGh le bruit. Il est intéressant de noter que cette oscillation a été corrélée avec le rythme cardiaque, ce qui indique que le système nerveux autonome participe à la modulation de la vulnérabilité du sommeil aux stimuli externes 1 . Les rythmes hippocampiques liés à la mémoire ont également été organisés à ce rythme et, de manière frappante, leur force est corrélée à la qualité de la consolidation de la mémoire chez l'homme. L'oscillation de 0,02 Hz semble donc être un principe organisateur du rongeur et du sommeil humain non-REM qui module à la fois la sensibilité à l'environnement et le traitement de la mémoire interne. Cela souligne à nouveau la nécessité d'évaluations multiparamétriques et continues des états du sommeil pour reconnaître leur fonctionnalité et identifier les sites potentiellement vulnérables.
Ici, nous présentons une procédure pour extraire la forme d'onde de ces dynamiques, y compris l'implantation chirurgicale de souris pour les mesures combinées EEG / ECoG et EMG-ECG, l'exposition à des stimuli sensoriels, uneNd routines d'analyse. Cette procédure fournit une base pour regarder le sommeil comme un état de vigilance en constante évolution, mais très organisé au cours duquel différentes fonctions fondamentales du sommeil sont exécutées séquentiellement. Plus généralement, la procédure s'applique aux approches visant à extraire les caractéristiques spectrales et autonomes qui précèdent un résultat comportemental pendant le sommeil dans les états de santé et de maladie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ici, nous montrons comment établir un profil temporel continu du sommeil non-REM qui intègre les variables EEG, EMG et ECG. Il s'agit d'une première étape vers le développement d'une description intégrative du sommeil de la souris, ce qui peut aider à identifier le calendrier précédemment non reconnu sur lequel la résilience élevée et faible au bruit est organisée pendant le sommeil non-REM 1 . Une structure temporelle similaire a également été décrite dans le sommeil…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions tous les membres du laboratoire pour leur contribution à l'écriture et à la lecture attentive de ce manuscrit. Nous remercions Paul Franken de stimuler les discussions, le Dr Gisèle Ferrand pour des commentaires utiles sur le protocole chirurgical, et le Dr Jean-Yves Chatton pour avoir fourni les fichiers exécutables Labview originaux pour l'exposition au bruit. Le financement a été fourni par la Fondation nationale suisse de la science (Subventions 31003A_146244 et 31003A_166318) et l'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/ |
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