جهاز إبطال النوم: طريقة فعالة للغاية لحرمان الدروزوفيلا من النوم
Summary
الحرمان من النوم هو أداة قوية للتحقيق في وظيفة النوم والتنظيم. نحن نصف بروتوكول النوم يحرم دروسوفيلا باستخدام جهاز إبطال النوم ، وتحديد مدى انتعاش النوم الناجم عن الحرمان.
Abstract
التوازن النوم، والزيادة في النوم لوحظ بعد فقدان النوم، هي واحدة من المعايير المحددة المستخدمة لتحديد النوم في جميع أنحاء المملكة الحيوانية. ونتيجة لذلك، فإن الحرمان من النوم وتقييد النوم هما أداتان قويتان تستخدمان عادة لتوفير نظرة ثاقبة على وظيفة النوم. ومع ذلك، فإن تجارب الحرمان من النوم إشكالية بطبيعتها من حيث أن حافز الحرمان نفسه قد يكون السبب في التغيرات الملحوظة في علم وظائف الأعضاء والسلوك. وبناء على ذلك، ينبغي أن تبقي تقنيات الحرمان من النوم الناجحة الحيوانات مستيقظة، ومن الناحية المثالية، تؤدي إلى انتعاش قوي في النوم دون أن تؤدي أيضا إلى عدد كبير من العواقب غير المقصودة. هنا، ونحن نصف تقنية الحرمان من النوم لDrosophila الميلانوغاستر. جهاز إبطال النوم (SNAP) يدير حافزا كل 10s للحث على geotaxis السلبية. على الرغم من أن التحفيز يمكن التنبؤ به ، إلا أن SNAP يمنع بشكل فعال >95٪ من النوم الليلي حتى في الذباب مع محرك الأقراص عالي النوم. والأهم من ذلك أن الاستجابة اللاحقة للنواس الساكنة تشبه إلى حد كبير الاستجابة التي تحققت باستخدام الحرمان اليدوي. يمكن تعديل توقيت المحفزات والمباعدة بينها لتقليل فقدان النوم وبالتالي فحص الآثار غير المحددة للتحفيز على علم وظائف الأعضاء والسلوك. يمكن أيضا استخدام SNAP للحد من النوم وتقييم عتبات الإثارة. وSNAP هو تقنية قوية اضطراب النوم التي يمكن استخدامها لفهم أفضل وظيفة النوم.
Introduction
النوم هو شبه عالمي في الحيوانات، ومع ذلك وظيفتها لا تزال غير واضحة. التوازن النومي، الزيادة التعويضية في النوم بعد الحرمان من النوم، هو خاصية مميزة للنوم، التي تم استخدامها لتوصيف حالات النوم في عدد منالحيوانات 1،2،3،4،5.
النوم في ذبابة لديه العديد من أوجه التشابه مع النوم البشري، بما في ذلك استجابة قوية homeostatic لفقدان النوم4،5. وقد استخدمت العديد من الدراسات للنوم في ذبابة الحرمان من النوم على حد سواء لاستنتاج وظيفة النوم من خلال دراسة العواقب السلبية التي تتراكم من الاستيقاظ الموسعة، وفهم تنظيم النوم من خلال تحديد الآليات العصبية البيولوجية التي تتحكم في تنظيم الهوستاتيكي للنوم. وهكذا تبين الذباب المحروم من النوم لإظهار العاهات في التعلم والذاكرة6، 7،8،9،10،11،12، اللدونة الهيكلية13،14،15، الاهتمام البصري16، الشفاء من إصابة الخلايا العصبية17،18، التزاوج والسلوكيات العدوانية19، 20, انتشار الخلايا21, والاستجابات للإجهاد التأكسدي22,23 على سبيل المثال لا الحصر. وعلاوة على ذلك، أسفرت التحقيقات في آليات البيولوجيا العصبية السيطرة على النوم انتعاش رؤى حرجة في الآلات العصبية التي تشكل homeostat النوم8،9،23،24،25،26،27،28،29 . وأخيرا، بالإضافة إلى الكشف عن رؤى أساسية في وظيفة النوم في الحيوانات السليمة، وقد أبلغت دراسات الحرمان من النوم أيضا رؤى في وظيفة النوم في الدول المريضة30،31.
في حين أن الحرمان من النوم هو بلا شك أداة قوية ، مع أي تجربة الحرمان من النوم ، من المهم التمييز بين الأنماط الظاهرية التي تنتج عن الاستيقاظ الممتد ، من تلك الناجمة عن التحفيز المستخدم للحفاظ على الحيوان مستيقظا. الحرمان من النوم عن طريق الحرمان من اليد أو التعامل اللطيف ، ويعتبر عموما وضع معيار للحرمان من النوم التخريبية الحد الأدنى. هنا نصف بروتوكولا ل الذباب المحروم من النوم باستخدام جهاز إبطال النوم (SNAP). وSNAP هو الجهاز الذي يسلم التحفيز الميكانيكية للذباب كل 10s، والحفاظ على الذباب مستيقظا عن طريق تحفيز geotaxis السلبية (الشكل 1). وSNAP يحرم بكفاءة الذباب من >98٪ من النوم ليلا، حتى في الذباب مع ارتفاع محرك النوم8،32. وقد تم معايرة SNAP على الذباب الحساس الانفجار، والتحريض من الذباب في SNAP لا يضر الذباب. الحرمان من النوم مع SNAP يحفز انتعاش مماثلة لتلك التي تم الحصول عليها عن طريق الحرمان من اليد7. وبالتالي فإن SNAP هو طريقة قوية للنوم يحرم الذباب أثناء التحكم في آثار التحفيز المثير.
Protocol
Representative Results
Discussion
النوم في Drosophila يتميز بشكل مستقل في عام 2000 ، من قبل مجموعتين4،5. في هذه الدراسات الرائدة، حرم الذباب من النوم عن طريق التعامل اللطيف (أي الحرمان من اليد) وأظهر أنه يظهر استجابة قوية للحرمان من النوم بين عشية وضحاها. الأهم من ذلك ، مع أي تجربة الحرمان من الن?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد القومية للصحة منح 5R01NS051305-14 و 5R01NS076980-08 إلى PJS.
Materials
| Locomotor activity tubes | |||
| Fisher Tissue Prep Wax | Thermo Fisher | 13404-122 | Wax used for sealing tubes |
| Glass tubes | Wale Apparatus | 244050 | We cut 5mm diameter Pyrex glass tubes into 65mm long tubes to record sleep. Pre-cut tubes can also be purchased. |
| Nutri Fly Bloomington Formulation fly food | Genesee Scientific | 66-113 | Labs might use their own fly food recipe. It is important that sleep be recorded on the same food that flies were reared in. |
| Rotary glass cutting tool | Dremel Multi Pro | 395 | Used to cut 65mm long glass tubes |
| Monitoring Sleep | |||
| DAM System and DAMFileScan software | Trikinetics | Software used to acquire data from DAM monitors and save the acquired data in an appropriate format | |
| Data acquisition computer | Lenovo | Idea Centre AIO3 | A equivalent computer from any manufacturer can substitute |
| Drosophila Activity Monitors | Trikinetics | DAM2 | These monitors are used to record flies' locomotor activity |
| Environment Monitor | Trikinetics | DEnM | Not essential, but an easy way to monitor environmental conditions in the chamber where sleep is recorded |
| Light Controller | Trikinetics | LC4 | A convenient way to control the timing of when the SNAP is turned on and off |
| Power Supply Interface Unit for DAM | Trikinetics | PSIU-9 | Required for data acquisition computers to record Trikinetics locomotor acitvity data |
| RJ11 connector | 7001-64PC | Multicomp | DAM monitors accept RJ11 jacks |
| Splitters | Trikinetics | SPLT5 | Used to connect upto 5 DAM monitors |
| Telephone cable wire | Radioshack | 278-367 | Phone cables to acquire data from DAM monitors |
| Sleep Deprivation | |||
| Power supply | Gw INSTEK | GPS-30300 | Power supply for the SNAP |
| Sleep Nullifying Apparatus | Washington University School of Medicine machine shop |
References
- Nath, R. D., et al. The Jellyfish Cassiopea Exhibits a Sleep-like State. Current Biology. 27 (19), 2984-2990 (2017).
- Vorster, A. P., Krishnan, H. C., Cirelli, C., Lyons, L. C. Characterization of sleep in Aplysia californica. Sleep. 37 (9), 1453-1463 (2014).
- Zhdanova, I. V., Wang, S. Y., Leclair, O. U., Danilova, N. P. Melatonin promotes sleep-like state in zebrafish. Brain Research. 903 (1-2), 263-268 (2001).
- Shaw, P. J., Cirelli, C., Greenspan, R. J., Tononi, G. Correlates of sleep and waking in Drosophila melanogaster. Science. 287 (5459), 1834-1837 (2000).
- Hendricks, J. C., et al. Rest in Drosophila is a sleep-like state. Neuron. 25 (1), 129-138 (2000).
- Ganguly-Fitzgerald, I., Donlea, J., Shaw, P. J. Waking experience affects sleep need in Drosophila. Science. 313 (5794), 1775-1781 (2006).
- Seugnet, L., Suzuki, Y., Vine, L., Gottschalk, L., Shaw, P. J. D1 receptor activation in the mushroom bodies rescues sleep-loss-induced learning impairments in Drosophila. Current Biology. 18 (15), 1110-1117 (2008).
- Donlea, J. M., Thimgan, M. S., Suzuki, Y., Gottschalk, L., Shaw, P. J. Inducing sleep by remote control facilitates memory consolidation in Drosophila. Science. 332 (6037), 1571-1576 (2011).
- Seidner, G., et al. Identification of Neurons with a Privileged Role in Sleep Homeostasis in Drosophila melanogaster. Current Biology. 25 (22), 2928-2938 (2015).
- Li, X., Yu, F., Guo, A. Sleep deprivation specifically impairs short-term olfactory memory in Drosophila. Sleep. 32 (11), 1417-1424 (2009).
- Melnattur, K., et al. A conserved role for sleep in supporting Spatial Learning in Drosophila. Sleep. , 197 (2020).
- Seugnet, L., Suzuki, Y., Donlea, J. M., Gottschalk, L., Shaw, P. J. Sleep deprivation during early-adult development results in long-lasting learning deficits in adult Drosophila. Sleep. 34 (2), 137-146 (2011).
- Donlea, J. M., Ramanan, N., Shaw, P. J. Use-dependent plasticity in clock neurons regulates sleep need in Drosophila. Science. 324 (5923), 105-108 (2009).
- Bushey, D., Tononi, G., Cirelli, C. Sleep and synaptic homeostasis: structural evidence in Drosophila. Science. 332 (6037), 1576-1581 (2011).
- Huang, S., Piao, C., Beuschel, C. B., Götz, T., Sigrist, S. J. Presynaptic Active Zone Plasticity Encodes Sleep Need in Drosophila. Current Biology. 30 (6), 1077-1091 (2020).
- Kirszenblat, L., et al. Sleep regulates visual selective attention in Drosophila. Journal of Experimental Biology. 221, (2018).
- Singh, P., Donlea, J. M. Bidirectional Regulation of Sleep and Synapse Pruning after Neural Injury. Current Biology. 30 (6), 1063-1076 (2020).
- Stanhope, B. A., Jaggard, J. B., Gratton, M., Brown, E. B., Keene, A. C. Sleep Regulates Glial Plasticity and Expression of the Engulfment Receptor Draper Following Neural Injury. Current Biology. 30 (6), 1092-1101 (2020).
- Kayser, M. S., Yue, Z., Sehgal, A. A critical period of sleep for development of courtship circuitry and behavior in Drosophila. Science. 344 (6181), 269-274 (2014).
- Kayser, M. S., Mainwaring, B., Yue, Z., Sehgal, A. Sleep deprivation suppresses aggression in Drosophila. Elife. 4, 07643 (2015).
- Szuperak, M., et al. A sleep state in Drosophila larvae required for neural stem cell proliferation. Elife. 7, (2018).
- Vaccaro, A., et al. Sleep Loss Can Cause Death through Accumulation of Reactive Oxygen Species in the Gut. Cell. 181 (6), 1307-1328 (2020).
- Kempf, A., Song, S. M., Talbot, C. B., Miesenböck, G. A potassium channel β-subunit couples mitochondrial electron transport to sleep. Nature. 568 (7751), 230-234 (2019).
- Donlea, J. M., Pimentel, D., Miesenböck, G. Neuronal machinery of sleep homeostasis in Drosophila. Neuron. 81 (4), 860-872 (2014).
- Liu, S., Liu, Q., Tabuchi, M., Wu, M. N. Sleep Drive Is Encoded by Neural Plastic Changes in a Dedicated Circuit. Cell. 165 (6), 1347-1360 (2016).
- Pimentel, D., et al. Operation of a homeostatic sleep switch. Nature. 536 (7616), 333-337 (2016).
- Sitaraman, D., et al. Propagation of Homeostatic Sleep Signals by Segregated Synaptic Microcircuits of the Drosophila Mushroom Body. Current Biology. 25 (22), 2915-2927 (2015).
- Foltenyi, K., Greenspan, R. J., Newport, J. W. Activation of EGFR and ERK by rhomboid signaling regulates the consolidation and maintenance of sleep in Drosophila. Nature Neuroscience. 10 (9), 1160-1167 (2007).
- Seugnet, L., et al. Notch signaling modulates sleep homeostasis and learning after sleep deprivation in Drosophila. Current Biology. 21 (10), 835-840 (2011).
- Seugnet, L., Galvin, J. E., Suzuki, Y., Gottschalk, L., Shaw, P. J. Persistent short-term memory defects following sleep deprivation in a Drosophila model of Parkinson disease. Sleep. 32 (8), 984-992 (2009).
- Tabuchi, M., et al. Sleep interacts with aβ to modulate intrinsic neuronal excitability. Current Biology. 25 (6), 702-712 (2015).
- Melnattur, K., Zhang, B., Shaw, P. J. Disrupting flight increases sleep and identifies a novel sleep-promoting pathway in Drosophila. Science Advances. 6 (19), 2166 (2020).
- Thimgan, M. S., Suzuki, Y., Seugnet, L., Gottschalk, L., Shaw, P. J. The perilipin homologue, lipid storage droplet 2, regulates sleep homeostasis and prevents learning impairments following sleep loss. PLOS Biology. 8 (8), (2010).
- Keene, A. C., et al. Clock and cycle limit starvation-induced sleep loss in Drosophila. Current Biology. 20 (13), 1209-1215 (2010).
- Shaw, P. J., Tononi, G., Greenspan, R. J., Robinson, D. F. Stress response genes protect against lethal effects of sleep deprivation in Drosophila. Nature. 417 (6886), 287-291 (2002).
- Andretic, R., Shaw, P. J. Essentials of sleep recordings in Drosophila: moving beyond sleep time. Methods Enzymol. 393, 759-772 (2005).
- Seugnet, L., et al. Identifying sleep regulatory genes using a Drosophila model of insomnia. Journal of Neuroscience. 29 (22), 7148-7157 (2009).
- Bushey, D., Huber, R., Tononi, G., Cirelli, C. Drosophila Hyperkinetic mutants have reduced sleep and impaired memory. Journal of Neuroscience. 27 (20), 5384-5393 (2007).
- Geissmann, Q., et al. Ethoscopes: An open platform for high-throughput ethomics. PLOS Biology. 15 (10), 2003026 (2017).
- Faville, R., Kottler, B., Goodhill, G. J., Shaw, P. J., van Swinderen, B. How deeply does your mutant sleep? Probing arousal to better understand sleep defects in Drosophila. Scientific Reports. 5, 8454 (2015).
- Huber, R., et al. Sleep homeostasis in Drosophila melanogaster. Sleep. 27 (4), 628-639 (2004).
- Klose, M., Shaw, P. Sleep-drive reprograms clock neuronal identity through CREB-binding protein induced PDFR expression. bioRxiv. , (2019).
- Dissel, S., et al. Sleep restores behavioral plasticity to Drosophila mutants. Current Biology. 25 (10), 1270-1281 (2015).
- Gerstner, J. R., Vanderheyden, W. M., Shaw, P. J., Landry, C. F., Yin, J. C. Fatty-acid binding proteins modulate sleep and enhance long-term memory consolidation in Drosophila. PLoS One. 6 (1), 15890 (2011).
