Noninvasive, High-throughput bepaling van de duur van de slaap in knaagdieren
Summary
Beschrijven we een hoge-doorvoer-methode voor het meten van de slaap door middel van activiteiten gebaseerde home-kooi bewaking. Deze methode biedt voordelen ten opzichte van traditionele EEG gebaseerde methoden. Het kan is goed gevalideerd voor de bepaling van de totale slaap duur en een krachtig hulpmiddel voor de monitoring van de slaap in knaagdier modellen van ziekten bij de mens.
Abstract
Traditioneel, wordt slaap gecontroleerd door een electroencephalogram (EEG). EEG onderzoek bij knaagdieren vereisen chirurgische innesteling van de elektroden gevolgd door een lange herstelperiode. Voor het uitvoeren van een EEG-opname, is het dier aangesloten op een receiver, creëren een onnatuurlijke ketting aan de hoofd-mount EEG-monitoring is tijdrovend, draagt het risico aan het dier, en is niet een volledig natuurlijke omgeving voor de meting van de slaap. Alternatieve methoden voor het detecteren van slaap, vooral in een high-throughput mode, zou sterk vooraf op het gebied van onderzoek van de slaap. Hier beschrijven we een gevalideerde analysemethode voor het opsporen van slaap via activiteit gebaseerde home-kooi bewaking. Eerdere studies hebben aangetoond dat de slaap beoordeeld via deze methode een hoge mate van overeenstemming met slaap gedefinieerd door traditionele EEG gebaseerde maatregelen heeft. Overwegende dat deze methode is gevalideerd voor totale slaaptijd, is het belangrijk op te merken dat slaap bout duur moet worden beoordeeld door een EEG heeft beter temporele resolutie. De EEG kan ook onderscheid tussen rapid eye movement (REM) en niet – REM-slaap, geven meer details over de precieze aard van de slaap. Activity based slaap bepaling kan echter worden gebruikt voor het analyseren van meerdere dagen van ongestoorde nachtrust en slaap beoordelen als een antwoord op een acute gebeurtenis (zoals stress). Hier, laten we de kracht van dit systeem om te ontdekken de reactie van muizen op dagelijkse intraperitoneaal injecties.
Introduction
Slaap heeft belangrijke functies voor het herstel van het lichaam en de hersenen na de dagelijkse last van wakkerheid1. Het is aangetoond dat slaap een rol bij het bewaren van het geheugen en algemene hersenen plasticiteit1 speelt. De EEG is de gouden standaard om te detecteren slaap2. Bij knaagdieren vereist EEG toezicht chirurgische implantatie van elektroden aangebracht aan een hoofd-mount, waarna het dier moet een periode van tijd om te herstellen van2. Na het herstel, het dier op de opname-apparaat is aangesloten en krijgt een andere periode van gewenning2. Vanwege deze vereiste perioden van herstel en gewenning, EEG is tijdrovend en moeizaam en redelijkerwijs kan niet worden uitgevoerd op grote schaal. Bovendien is de chirurgische ingreep elektrode innesteling draagt een risico aan het dier. Tenslotte, de data-analyse voor het scoren van slaap in de EEG studies is ook zeer moeizaam. Een alternatief, niet-invasieve, hoge-doorvoer methode van slaap bewaking zou sterk steun knaagdier slaap onderzoek.
Een activity based home-kooi controlesysteem gebruikt voor het opsporen van slaap adressen de beperkingen van EEG studies. De eenvoudige premisse is dat een inactieve dier waarschijnlijk een slapende dier is. Het is aangetoond dat 40 s van continue inactiviteit (weggegooid in 10 s tijdperken) is een betrouwbare maat voor slaap zoals gemeten met een EEG (aangetoond dat 88-94% overeenkomst)3. Home-kooi monitoring systemen kunnen worden gebruikt om te studeren van grote groepen dieren met minimale setup tijd. We hebben aangetoond dat het duurt dieren ongeveer één dag tot individuele huisvesting in de huis-kooi monitoring systeem4 in tegenstelling tot de weken herstel nodig voor EEG studies2koeien. Bovendien, kunnen sommige opstellingen ook detecteren fysiologische parameters zoals de lichaamstemperatuur, hartslag, activiteit en voeding. Temperatuur en hartslag zijn bepaald door de inplanting van een kleine zender. Deze parameters kunnen bieden meer informatie over de muis en in parallel met de opname van de slaap kunnen worden gebruikt voor verdere toevoegen aan ons begrip van slaap en hoe het wordt beïnvloed.
Hoewel het is een krachtig hulpmiddel, zijn er enkele beperkingen op de soorten gegevens die kan worden verkregen uit de monitoring van activity based home-kooi. EEG onderzoek kunnen onderscheid maken tussen REM en non – REM-slaap, die belangrijk voor een dieper inzicht in slaap architectuur zijn kunnen. Home-cage-bewakingssystemen activity based kunnen alleen gegevens leveren voor de duur van de totale slaap. Bovendien, hoewel de uitvoer voor het toezicht op activiteiten gebaseerde home-kooi informatie over slaap bout duur geeft, kan niet wij nauwkeurig beoordelen bout duur vanwege de inherente beperking van 40 s intervallen3. Ondanks deze beperkingen biedt home-kooi controle van slaap duur een belangrijke biologische maatregel die invloed op vele downstream factoren hebben kan, met inbegrip van de gezondheid van het dier en gedrag5.
Activiteit gebaseerde home-kooi bewaking is gebruikt voor het detecteren van slaap in vele studies die aangeeft zijn veelzijdigheid. We noemen een steekproef van deze onderzoeken4,6,7,8,9,10,11,12. Naast de methode voorgesteld, zijn er andere methoden voor het opsporen van de slaap via de activity based monitoring, elk met zijn eigen beperkingen13,14. Sommige van deze studies onderzoeken lange periodes van ononderbroken slaap (72 h) terwijl sommige slaap onderzoeken in blokken van 24 uur. In dit onderzoek presenteren wij slaap analyse voor elke periode van 24 uur na de reactie op dagelijkse intraperitoneaal (IP) injecties en op periodieke kooi veranderingen in een muismodel van fragiele X syndroom (Fmr1 KO muizen). We kozen voor Fmr1 KO muizen omdat ze slaap4 hebt verminderd en zijn hypothetische te hyper-reactieve tot en met15van de zintuiglijke informatie. Onze gegevens wijzen op de mogelijkheid om de opsporing van wijzigingen in slaappatronen in reactie op een stressvolle gebeurtenis. Deze methode is ideaal voor het verkrijgen van algemene informatie over slapen in grote cohorten van muizen. De methode kan nuttig zijn voor inzicht in de effecten van specifieke genetische wijzigingen op de slaap, de gevolgen van farmacologische behandelingen, of reacties op gebeurtenissen, zoals een stressor. Daarnaast biedt de methode een eenvoudige middelen van screening voor een reactie voordat meer betrokken studies.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier presenteren we een noninvasive, hoge-doorvoer methode voor de bepaling van de duur van de slaap op basis van Activiteitencontrole in de huis-kooi. Deze methode van beoordeling van totale slaaptijd is gevalideerd tegen EEG studies3. Activity based home-kooi controle is eenvoudig, noninvasive en toepassing op bevolkingsonderzoeken in grote aantallen dieren. Het is beperkt in dat het niet gedetailleerde informatie over slaap (zoals slaap bout duur en slaap-stadia geven).
<p class="jove_conte…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs wil erkennen de Editorial Board van de Fellows van NIH voor hun redactionele ondersteuning. Dit onderzoek werd gefinancierd door de intramurale Research Program van de NIMH (ZIA MH00889). RMS werd ook ondersteund door een FRAXA Postdoctoral Fellowship.
Materials
| Comprehensive Lab Animal Monitoring System (CLAMS) | Columbus Instruments | Equipment and software to analyze sleep duration | |
| Captisol Research Grade | Captisol | RC-0C7-100 | Captisol for dissolving hydrophobic compounds |
| 30 G BD Needle 1/2 inch | BD | 305106 | Needle for injections |
| BD Disposable Syringes | Fisher | 14-823-30 | Syringes for injections |
| B6.129P2-Fmr1tm1Cgr/J | Jackson Labs | 3025 | Fmr1 KO mice |
| Super Mouse 750 Mouse Cage | Lab Products, Inc. | Homecages for the mice | |
| SANI-Chips Bedding | PJ Murphys | Bedding for the mice |
References
- Picchioni, D., Reith, R. M., Nadel, J. L., Smith, C. B. Sleep, plasticity and the pathophysiology of neurodevelopmental disorders: the potential roles of protein synthesis and other cellular processes. Brain sciences. 4, 150-201 (2014).
- Ingvar, M. C., Maeder, P., Sokoloff, L., Smith, C. B. The effects of aging on local rates of cerebral protein synthesis in rats. Monographs in neural sciences. 11, 47-50 (1984).
- Pack, A. I., et al. Novel method for high-throughput phenotyping of sleep in mice. Physiological genomics. 28, 232-238 (2007).
- Sare, R. M., et al. Deficient Sleep in Mouse Models of Fragile X Syndrome. Front Mol Neurosci. 10, (2017).
- Alvarez, G. G., Ayas, N. T. The impact of daily sleep duration on health: a review of the literature. Progress in cardiovascular nursing. 19, 56-59 (2004).
- Kincheski, G. C., et al. Chronic sleep restriction promotes brain inflammation and synapse loss, and potentiates memory impairment induced by amyloid-beta oligomers in mice. Brain, behavior, and immunity. 64, 140-151 (2017).
- Sare, R. M., Levine, M., Hildreth, C., Picchioni, D., Smith, C. B. Chronic sleep restriction during development can lead to long-lasting behavioral effects. Physiology & behavior. 155, 208-217 (2015).
- Moretti, P., Bouwknecht, J. A., Teague, R., Paylor, R., Zoghbi, H. Y. Abnormalities of social interactions and home-cage behavior in a mouse model of Rett syndrome. Human molecular genetics. 14, 205-220 (2005).
- Guzman, M. S., et al. Mice with selective elimination of striatal acetylcholine release are lean, show altered energy homeostasis and changed sleep/wake cycle. Journal of neurochemistry. 124, 658-669 (2013).
- Vecsey, C. G., et al. Daily acclimation handling does not affect hippocampal long-term potentiation or cause chronic sleep deprivation in mice. Sleep. 36, 601-607 (2013).
- Bogdanik, L. P., Chapman, H. D., Miers, K. E., Serreze, D. V., Burgess, R. W. A MusD retrotransposon insertion in the mouse Slc6a5 gene causes alterations in neuromuscular junction maturation and behavioral phenotypes. PloS one. 7, e30217 (2012).
- Angelakos, C. C., et al. Hyperactivity and male-specific sleep deficits in the 16p11.2 deletion mouse model of autism. Autism research: official journal of the International Society for Autism Research. 10, 572-584 (2017).
- Fisher, S. P., et al. Rapid assessment of sleep-wake behavior in mice. Journal of biological rhythms. 27, 48-58 (2012).
- Mang, G. M., et al. Evaluation of a piezoelectric system as an alternative to electroencephalogram/ electromyogram recordings in mouse sleep studies. Sleep. 37, 1383-1392 (2014).
- Chen, L., Toth, M. Fragile X mice develop sensory hyperreactivity to auditory stimuli. Neuroscience. 103, 1043-1050 (2001).
