تسجيل الطباعة الداخلي لقياس النوم في الفئران
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
في كثير من الأحيان التقدم التقني عجلت قفزات نوعية في فهم العمليات العصبية الحيوية. على سبيل المثال، اكتشاف هانس بيرغر في عام 1929 أن إمكانات الكهربائية المسجلة من فروة الرأس الإنسان اتخذت شكل موجات جيبية، والتردد الذي كان مرتبطا مباشرة إلى مستوى اليقظة من هذا الموضوع، وأدت إلى التقدم السريع في فهم النوم واليقظة تنظيم، في كل من الحيوانات والبشر على حد سواء. 1 لهذا اليوم electroencephlogram (EEG)، بالتزامن مع كهربية (EMG)، أي، النشاط الكهربائي التي تنتجها العضلات والهيكل العظمي، يمثل البيانات "العمود الفقري" للما يقرب من كل التجريبية والسريرية تقييم تسعى إلى ربط السلوك وعلم وظائف الأعضاء مع نشاط الخلايا العصبية القشرية في التصرف الحيوانات، بما في ذلك البشر. في معظم المختبرات البحثية النوم الأساسية يتم تنفيذ هذه التسجيلات EEG باستخدام نظام قائم على كابل (الشكل 1) حيث حصل ديخضع آتا خارج الخط إلى نمط والطيف التحليل [على سبيل المثال، تطبيق تحويل فورييه السريع (الاتحاد الفرنسي للتنس) خوارزمية] لتحديد حالة يقظة موضوع يتم تسجيلها. 2، ويتكون 3 نوم حركة العين السريعة (REM) و غير REM (NREM) النوم. يتميز النوم REM التي كتبها a-الجهد المنخفض السريع EEG، حركة العين بشكل عشوائي، وارتخاء العضلات، وهي الدولة التي بالشلل العضلات بشكل فعال. ومن المعروف النوم REM أيضا النوم المتناقض، لأن نشاط الدماغ يشبه ذلك من اليقظة، في حين أن الجسد هو قطع إلى حد كبير من الدماغ ويبدو أن في نوم عميق. على النقيض من ذلك، يتم تحفيز الخلايا العصبية الحركية أثناء النوم NREM لكن ليس هناك حركة العين. ويمكن تقسيم النوم NREM البشري إلى 4 مراحل، حيث تسمى مرحلة 4 نوم عميق أو نوم الموجة البطيئة والتي حددها كبيرة، وموجات الدماغ بطيئة مع النشاط دلتا بين 0،5-4 هرتز في EEG. من ناحية أخرى، إحدى وحداتها بين مراحل النوم NREM في الحيوانات الصغيرة، مثل الفئران لالثاني الفئران، لم يثبت، لأن معظمهم ليس لديهم فترات طويلة من النوم الموحدة كما رأينا في البشر.
على مر السنين، وعلى أساس تفسير EEG، عدة نماذج من تنظيم النوم واليقظة، سواء الدارة والقائم على الخلطية، وقد اقترحت. العصبية والأساس الخلوي للحاجة إلى النوم أو، بدلا من ذلك، "حملة النوم،" لا تزال دون حل، ولكن تم تصور كورقة ضغط استتبابي أن يبني خلال فترة الاستيقاظ ويتبدد قبل النوم. نظرية واحدة هي أن العوامل الذاتية somnogenic تتراكم أثناء اليقظة، وأن تراكمها التدريجي هو دعامة من النوم الضغط التماثل الساكن. في حين كان لها الفضل الأول الفرضية الرسمية أن النوم هو تنظمها العوامل الخلطية للعمل روزنباوم التي نشرت في عام 1892 4، وكان Ishimori 5 و 6 و Pieron 7 الذين مستقل، ومنذ أكثر من 100 سنة، أظهرت وجود المواد الكيميائية التي تعزز النوم. اقترح كل من الباحثين، وثبت في الواقع، أن المواد منومة أو "hypnotoxins" كانت موجودة في السائل الدماغي الشوكي (CSF) من الكلاب بالحرمان من النوم. 8 وعلى مدى القرن الماضي عدة مواد منومة المفترضة إضافية المتورطين في عملية التماثل الساكن النوم تم تحديدها (للمراجعة، انظر المرجع 9)، بما في ذلك البروستاغلاندين (PG) D 2، 10 السيتوكينات، 11 الأدينوزين، 12 anandamide و 13 و الببتيد urotensin الثاني (14).
العمل التجريبي قبل إيكونومو 15، 16، Moruzzi وMagoun 17، وغيرهم في النتائج المبكرة والمتوسطة 20 ال تنتج القرن التي ألهمت النظريات القائمة على الدوائر النوم واليقظة، وإلى درجة معينة، طغت نظرية الخلطية ثم السائدة نوم. حتى الآن، العديد من "نماذج الدوائر" وقد اقترحت، كل علم بها بيانات نوعية وكمية متفاوتة (للمراجعة، انظر المرجع 18). نموذج واحدعلى سبيل المثال، يقترح أن يتم إنشاء نوم الموجة البطيئة من خلال بوساطة الأدينوزين تثبيط إطلاق سراح أستيل من الخلايا العصبية كوليني في الدماغ الأمامي القاعدية، وهي منطقة consisiting أساسا من نواة الطرف الأفقي للالفرقة قطري من بروكا وinominata substantia. 19 نموذج آخر شعبية لتنظيم النوم / الاستيقاظ يصف آلية تبديل الوجه بالتخبط على أساس التفاعلات المثبطة المتبادلة بين الخلايا العصبية الذي يحفز النوم في المنطقة أمام البصرية البطنية الوحشية والخلايا العصبية الذي يحفز أعقاب في جذع تحت المهاد والدماغ. 18، 20، 21 وعلاوة على ذلك، لتبديل الدخول والخروج من النوم REM، وقد اقترح تفاعل المثبطة بالتبادل مماثل لمناطق في جذع الدماغ، وهذا هو رمادي بطني المحيطة بالمسال، الجانبية جسري سقيفة، ونواة sublaterodorsal 22 بشكل جماعي، وقد أثبتت هذه النماذج قيمة الاستدلال والأطر التفسيرية المهمة الممنوحة للدراسات في مجال البحوث النوم. ومع ذلك، أنتمور أكمل فهم الآليات الجزيئية ودوائر تنظيم دورة النوم واليقظة تتطلب معرفة أكثر اكتمالا من مكوناته. ينبغي للنظام لتسجيل الطباعة المفصلة أدناه تساعد في تحقيق هذا الهدف.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف هذا البروتوكول مجموعة المتابعة للتسجيلات EEG / EMG التي تسمح للتقييم النوم واليقظة تحت ضجيج منخفض وظروف فعالة من حيث التكلفة، والإنتاجية العالية. ونظرا لصغر حجم الرأس الكهربائي EEG / EMG التجمع، وهذا النظام يمكن الجمع بين غرسات أخرى لإجراء التجارب داخل الدماغ، بما في ذ…
Disclosures
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 |
References
- 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).
