Uyku Nullifiye Aparatı: Drosophila'dan Yoksun Uykunun Son Derece Verimli Bir Yöntemi
Summary
Uyku yoksunluğu, uyku fonksiyonunu ve düzenlemesini araştırmak için güçlü bir araçtır. Uyku Nullifiye Aparatı’nı kullanarak Drosophila’yı uykudan yoksun bırakmak ve yoksunluğun neden olduğu ribaund uykusunun kapsamını belirlemek için bir protokol açıklıyoruz.
Abstract
Uyku homeostazisi, uyku kaybının ardından gözlenen uykudaki artış, hayvanlar alemi boyunca uykuyu tanımlamak için kullanılan belirleyici kriterlerden biridir. Sonuç olarak, uyku yoksunluğu ve uyku kısıtlaması, uyku işlevi hakkında fikir vermek için yaygın olarak kullanılan güçlü araçlardır. Bununla birlikte, uyku yoksunluğu deneyleri, yoksunluk uyaranının fizyoloji ve davranışta gözlenen değişikliklerin nedeni olabileceği için doğası gereği sorunludur. Buna göre, başarılı uyku yoksunluğu teknikleri hayvanları uyanık tutmalı ve ideal olarak, çok sayıda istenmeyen sonuç doğurmadan sağlam bir uyku ribaundu ile sonuçlanmalıdır. Burada, Drosophila melanogasteriçin bir uyku yoksunluğu tekniğini tarif ediyoruz. Uyku Nullifiye Aparatı (SNAP), negatif jeotaksisi teşvik etmek için her 10’da bir uyaran uygular. Uyaran öngörülebilir olsa da, SNAP, yüksek uyku sürücüsüne sahip sineklerde bile gece uykusunun% 95′> etkili bir şekilde önler. Daha da önemlisi, sonraki homeostatik yanıt, el yoksunluğu kullanılarak elde edilene çok benzer. Uyaranların zamanlaması ve aralığı, uyku kaybını en aza indirmek ve böylece uyaranın fizyoloji ve davranış üzerindeki spesifik olmayan etkilerini incelemek için değiştirilebilir. SNAP, uyku kısıtlaması ve uyarılma eşiklerini değerlendirmek için de kullanılabilir. SNAP, uyku işlevini daha iyi anlamak için kullanılabilecek güçlü bir uyku bozulması tekniğidir.
Introduction
Uyku hayvanlarda evrensele yakındır, ancak işlevi belirsizliğini korumaktadır. Uyku homeostazisi, uyku yoksunluğundan sonra uykudaki telafi edici artış, bir dizi hayvanda uyku durumlarını karakterize etmek için kullanılan uykunun belirleyici bir özelliğidir1, 2,3,4,5.
Sinekte uyku, uyku kaybına sağlam bir homeostatik yanıt da dahil olmak üzere insan uykusu ile birçok benzerliğe sahiptir4,5. Sinekte çok sayıda uyku çalışması, hem uzun uyanmadan tahakkuk eden olumsuz sonuçları inceleyerek uyku fonksiyonunu çıkarmak hem de uykunun homeostatik düzenlemesini kontrol eden nörobiyolojik mekanizmaları belirleyerek uyku düzenlemesini anlamak için uyku yoksunluğunu kullanmıştır. Böylece uykusuz sineklerin öğrenme ve hafızada bozukluklar gösterdiği gösterilmiştir6,7,8,9,10,11,12, yapısal plastisite13,14,15, görsel dikkat16, nöronal yaralanmadan iyileşme17,18, çiftleşme ve agresif davranışlar19, 20, hücre çoğalması21ve oksidatif strese yanıtlar22,23 birkaç isim. Ayrıca, rebound uykuyu kontrol eden nörobiyolojik mekanizmalar üzerine yapılan araştırmalar, uyku homeostat 8 , 9 , 23 , 24,25,26,27,28,29’ı oluşturan nöronal makineler hakkında kritik içgörüler sağladı. . Son olarak, sağlıklı hayvanlarda uyku işlevine dair temel içgörüleri ortaya çıkarmanın yanı sıra, uyku yoksunluğu çalışmaları da hastalıklı durumlarda uyku fonksiyonu hakkında içgörüleri bilgilendirmiş30,31.
Uyku yoksunluğu inkar edilemez derecede güçlü bir araç olsa da, herhangi bir uyku yoksunluğu deneyi ile, genişletilmiş uyanmadan kaynaklanan fenotipleri, hayvanı uyanık tutmak için kullanılan uyaranın neden olduğulardan ayırt etmek önemlidir. El yoksunluğu veya nazik kullanım ile uyku yoksunluğu, genellikle minimal bozucu uyku yoksunluğu için standardı belirlemek olarak kabul edilir. Burada, Uyku Nulllaştırma Aparatı’nı (SNAP) kullanarak sinekleri uykudan yoksun bırakmak için bir protokol açıklıyoruz. SNAP, her 10’larda bir sineklere mekanik bir uyaran sağlayan, negatif jeotaksiyi indükle ederek sinekleri uyanık tutan bir cihazdır (Şekil 1). SNAP, yüksek uyku sürücüsüne sahip sineklerde bile gece uykusunun% >98’inden verimli bir şekilde mahrum eder8,32. SNAP patlamaya duyarlı sineklerde kalibre edilmiştir, SNAP’teki sineklerin ajitasyonu sineklere zarar vermez; SNAP ile uyku yoksunluğu, el yoksunluğu ile elde edilenle karşılaştırılabilir bir ribaund sağlar7. Snap böylece uyandırıcı uyaranın etkilerini kontrol ederken sinekleri mahrum bırakmak için sağlam bir yöntemdir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Drosophila’da uyku bağımsız olarak 2000 yılında, iki grup tarafından karakterize edildi4,5. Bu öncü çalışmalarda sinekler nazik bir şekilde ele alarak uykudan mahrum bırakıldı (yani el yoksunluğu) ve gece uykusuzluğuna karşı sağlam bir homeostatik tepki sergiledikleri gösterilmiştir. Daha da önemlisi, herhangi bir uyku yoksunluğu deneyi ile, hayvanı uyanık tutmak için kullanılan yöntemin potansiyel şaşırtıcı etkilerini k…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma NIH tarafından PJS’ye 5R01NS051305-14 ve 5R01NS076980-08 hibeleri ile desteklendi.
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).
