נוהל הקלטת פוליגרפים למדידת שינה בעכברים

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

התקדמות טכנית לעתים קרובות זירזה קפיצות מדרגה בהבנה של תהליכים הנוירו-ביולוגיים. לדוגמא, גילויו של הנס ברגר בשינה 1929 כי פוטנציאל חשמלי נרשם מהקרקפת האדם לקח את הצורה של גלי סינוסי, התדירות שהייתה קשור ישירות לרמה של ערנות של הנושא, הוביל להתקדמות מהירה בהבנה של שינה ו רגולציה, היא חיות ובני אדם כאחד. ¹ עד היום electroencephlogram (EEG), בשיתוף עם electromyogram (EMG), כלומר., פעילות חשמלית המיוצרת על ידי שרירי שלד, מייצגת את הנתונים "עמוד השדרה" של כמעט כל ניסויים קליניים ו הערכה שמבקשת לתאם התנהגות ופיזיולוגיה עם הפעילות של תאי עצב בקליפת המוח במתנהגים בעלי חיים, כולל בני אדם. ברוב מעבדות מחקר בסיסית שנת הקלטות EEG אלה מבוצעות באמצעות מערכת מבוססת כבל (איור 1) שבו רכש דאתא הוא נתון לא מחובר לניתוח דפוס וקשת [למשל., החלת פורייה מהיר להפוך אלגוריתם (FFT)] כדי לקבוע את מצב הערנות של הנושא מוקלט. ^{2, 3} שינה מורכבת מהתנועה המהירה את העין (REM) ו שינה עמוקה (NREM). שנת REM מאופיינת במתח נמוך מהיר EEG, תנועות עיניים אקראיות, וחוסר טונוס שרירים, מצב שבו השרירים משותקים ביעילות. שנת REM ידועה גם בשינה פרדוכסלית, כי הפעילות המוחית דומה לזו של ערות, ואילו הגוף הוא מנותק במידה רבה מהמוח ונראה בשינה עמוקה. לעומת זאת, הנוירונים מוטוריים הם מגורה במהלך שנת NREM אבל אין תנועות עיניים. שנת NREM אדם ניתן לחלק ל 4 שלבים, לפי שלב 4 נקרא שינה עמוקה או שינה איטי-גל ומזוהה על ידי גלים גדולים, איטיים מוח עם פעילות דלתא בין 0.5-4 הרץ בEEG. מצד השני, יחידת משנה בין השלבים של שנת NREM בבעלי חיים קטנים יותר, כמו חולדותND עכברים, לא הוקמו, בעיקר משום שאין להם תקופות ארוכות של שינה מאוחדות כפי שניתן לראות בבני אדם.

במהלך השנים, ועל בסיס פרשנות EEG, מספר דגמים של רגולציה שינה ו, שני circuit- ומבוסס הלחות, הוצעו. העצבי והבסיס סלולארי של הצורך בשינה, או לחלופין, "כונן שינה," נשאר לא פתורים, אבל כבר נתפסים כלחץ homeostatic שבונה בתקופת ההתעוררות ומתפזר על ידי שינה. תאוריה אחת היא שגורמי somnogenic אנדוגני לצבור במהלך ערות ושההצטברות ההדרגתית שלהם היא את הבסיס של לחץ homeostatic שינה. בעוד ההשערה הרשמית הראשונה ששינה הוא מוסדרת על ידי גורמי הלחות זוכה לעבודתו של רוזנבאום פורסמה בשינה 1892 ^4, זה היה ^{5 Ishimori, 6} ו ^-7 Pieron שבאופן עצמאי, ולפני למעלה מ -100 שנים, הוכיח את קיומו של כימיקלים קידום שינה. שני החוקרים הציעו, ואכן הוכיחו, כי חומרי hypnogenic או 'hypnotoxins' נכחו בנוזל מוח השדרה (CSF) של כלבים-נשלל שינה. ⁸ במאת השנים האחרונות כמה חומרי hypnogenic משוערים נוספים המעורבים בתהליך homeostatic השינה זוהו (לסקירה, ראה נ"צ. 9), כולל פרוסטגלנדין (PG) D _2, ¹⁰ ציטוקינים, ¹¹ אדנוזין, אננדמיד ^{12, 13} ופפטיד urotensin השני. ¹⁴

עבודה ניסויית על ידי ^{15 אקונומו, 16,} Moruzzi וMagoun ^17, ואחרים בממצאים בתחילת המאה ו -20 אמצע ^ה מיוצרים בהשראת תאוריות המבוסס על מעגל של שינה לערויות ו, במידה מסוימת, בצל תיאורית הלחות ששררה אז ב לִישׁוֹן. עד כה, כמה "מודלים מעגל" הוצעו, כל הודיעו על ידי נתונים של משתנה איכות וכמות (לסקירה, ראו נ"צ. 18). מודל אחד, למשל, מציע ששינה איטי גל נוצרה באמצעות עיכוב בתיווך אדנוזין של שחרור אצטילכולין מתאי עצב במוח הקדמי כולינרגית הבסיסי, בעיקר באזור consisiting של הגרעין של האיבר האופקי של הלהקה האלכסונית של ברוקה וinominata substantia. ¹⁹ נוסף מודל הפופולרי של רגולציה שינה / בעקבות מתאר מנגנון מתג כפכף על בסיס אינטראקציות הדדיות בין הנוירונים מעכבים וישכנע שינה באזור הקדם-האופטי התיכון ventrolateral ונוירונים וישכנע בעקבות בגזע המוח וההיפותלמוס. ^{18, 20, 21} יתר על כן, למיתוג ובמתוך שנת REM, אינטראקציה הדדית מעכבת דומה הוצעה לאזורים בגזע המוח, שהוא אפור הגחון periaqueductal, tegmentum פונטיני רוחב, וגרעין sublaterodorsal. ²² ביחד, מודלים אלה הוכיחו יקרים היוריסטיקה ומסגרות פרשניות חשובות העניקו ללימודים בחקר שינה; עם זאת, אתםהבנה מלאה יותר של t מנגנונים המולקולריים ומעגלים המסדירים את מחזור השינה ותדרוש ידע של מרכיביו מלאים יותר. המערכת להקלטת פוליגרפים המפורטות להלן צריכה לסייע במטרה זו.

Protocol

הצהרת אתיקה: נהלים כרוכים בנושאים בעלי חיים אושרו על ידי ועדת הניסוי בבעלי חיים המוסדיים באוניברסיטת צוקובה.

1. הכנת אלקטרודות וכבלים לEEG / EMG הקלטות

1. הכן האלקטרודה הקלטת EEG / EMG בהתאם לנוהל הבא.
   הערה: אלקטרודה היא חד פעמית וניתן להשתמש בו רק לבעלי חי 1. לתכנן בקפידה את תצורת החיווט לכל החברים. הנח סימנים על המחברים לכיוון הנכון.
   1. הלחמה כל סיכה של כותרת 4 פינים לחוט נירוסטה 2 סנטימטר. בקיצור, מחזיק קצה אחד של החוט לסיכה, למקם מלחם חם על חוט משותף פינים, ולהמס כמה הלחמה כדי להבטיח שרק מספיק הלחמה פועלת בצורה חלקה לתוך המפרק. היזהר שלא להחיל חום רב מדי לפין; אחרת, הפלסטיק סביב הסיכות יתמוססו.
   2. הלחמה הקצה החופשי של כל אחד מחוטים 2 מצורפים לכותרת הסיכה לראששל בורג נירוסטה 1.0 מ"מ קוטר. בקיצור, מחזיק את הקצה החופשי של החוט לחוט מתחת לראש הבורג, למקם מלחם חם על חוט המשותף-בורג, ולהמס כמה הלחמה כדי להבטיח שרק מספיק הלחמה פועלת בצורה חלקה לתוך המפרק. 2 חוטים עם ברגים לשמש אלקטרודות הקלטת EEG, ואילו 2 החוטים ללא ברגים לשמש אלקטרודות הקלטת EMG.
   3. השתמש במספריים כדי להסיר את 1 מ"מ של הבידוד בסוף אלקטרודות EMG להגדיל את האיכות של אות EMG.
   4. לגמרי לכסות את כל סיכות המולחמות עם דבק אפוקסי באמצעות בחירת מקל או שן עץ דק כדי להפחית את הרעש החשמלי במהלך הקלטות EEG / EMG.
2. הכן כבל לחיבור האלקטרודה עם הטבעת להחליק כמתואר להלן. ניתן לעשות שימוש חוזר בכבלים זה.
   1. הלחמה כל פינים של מחבר FFC / FPC 4 פינים עם חוט של כבל שטוח 30 סנטימטר. בקיצור, להחזיק הסוף הפשיט של החוט לסיכה, למקם מלחם חםעל חוט משותף פינים, ולהמס כמה הלחמה כדי להבטיח שרק מספיק הלחמה פועלת בצורה חלקה לתוך המפרק.
      הערה: בחר את אורכו של הכבל השטוח שמתאים לגובה של כלוב בעלי החיים המשמש לניסויי הקלטות EEG / EMG.
   2. הלחמה crimp שקעים לקצה החוטים בקצה השני של הכבל השטוח. בקיצור, להחזיק שקע להפריע למנוחה לקצה החופשי הופשט מהתיל, למקם מלחם חם על חוט המשותף-שקע, ולהמס כמה הלחמה כדי להבטיח שרק מספיק הלחמה פועלת בצורה חלקה לתוך המפרק.
   3. הכנס כל crimp שקע לעמדה 4-crimp דיור.
   4. לגמרי לכסות את crimp שקעים עם דבק אפוקסי באמצעות בחירת מקל או שן עץ דקה.

2. השרשה של אלקטרודות בראש העכבר (משך הפעילות:. כ 20 דקות)

1. לעקר את כל הכלים כירורגיים במעקר חרוז חם לפני הניתוח. הרדימי עכבר זכר (10 - 20 שבועות, 20 - 30 ז)עם זריקת intraperitoneal של pentobarbital (50 מ"ג / קילוגרם). לאחר בדיקת שהעכבר בהרדמה עמוקה על ידי צביטת הבוהן, לגלח את השיער על הראש והצוואר עם קוצץ.
2. הזז את העכבר למסגרת stereotaxic, ולתקן את הראש בין סורגי אוזן 2. החל וזלין על העיניים כדי למנוע יובש. לנקות את העור-המגולח עם אלכוהול ולחתוך אותו לאורך קו האמצע עם אזמל כדי לחשוף את הגולגולת. קליפ העור כדי לשמור על אזור הניתוח פתוח.
3. באמצעות חותך קרביד (גודל תרגיל: 0.8 מ"מ קוטר), תרגיל 2 חורים לתוך הגולגולת, אחד מעל האזור בקליפת המוח הקדמי (מ"מ קדמי 1 לגבחת, 1.5 מ"מ לרוחב קו האמצע) והשני על האזור הקודקודית ( קדמי 1 מ"מ למבדה, 1.5 מ"מ לרוחב קו האמצע) של האונה הימנית, לפי קואורדינטות stereotaxic של פקסינוס ופרנקלין. ²³
4. באמצעות מברג של צורף, נירוסטה מקום ברגי הקלטת EEG בחורים ולעשות 2 - 2.5 סיבובים לכל screw למיצוב אפידורל על הקליפה.
   הערה: אל תכניסו ברגים עמוקים מדי כדי למנוע נזק לרקמת המוח. בדוק שהברגים קבועים בחוזקה על הגולגולת. זה חשוב שיהיה לי אותות EEG יציבים בתקופה של הקלטות מרובות (בדרך כלל, בחודש יותר מ 1) ארוכה. ברגי Wiggly לייצר חפצי EEG ועשויים לרדת לפני סוף לוח הזמנים הניסיוניים.
5. תקן את ההרכבה אלקטרודה (סעיף השווה 1.1, סיכות פנו כלפי מעלה) עם דבק מיידי לגולגולת ולכסות עם מלט שיניים. לעשות חורים בילטרלי קטנים עם מלקחיים בטרפז השרירים (צוואר) והכנס את חוטי נירוסטה המשמשים כאלקטרודות EMG לתוך החורים. לתפור את העור עם חוט משי (0.1 מ"מ קוטר), כדי למנוע חשיפה של השריר.
6. הסר את העכבר מהמסגרת stereotaxic. לנהל אמפיצילין (100 מ"ג / קילוגרם) וmeloxicam (1 מ"ג / קילוגרם) intraperitoneally לעכבר כדי למנוע זיהום חיידקים וכדי להפחית את הכאב לאחר ניתוח, בהתאמה. KeEP העכבר על משטח חום ולנטר אותו עד שהוא חזר להכרה מספיק כדי לשמור על כיבה sternal. בית העכבר בנפרד במהלך התאוששות, כדי למנוע ההסרה של אלקטרודות על ידי בעלי חיים אחרים, ולנהל meloxicam (1 מ"ג / קילוגרם) intraperitoneally ביום הראשון לאחר הניתוח.

3. הקלטה ורכישת EEG / EMG נתונים

1. לאחר תקופה 1-שבוע התאוששות, בית כל עכבר בנפרד בכלוב ניסיוני ממוקם בתא הקלטה לרעש. לשמור על טמפרטורת סביבה של 23 ± 1 ° C ובאופן אוטומטי לשלוט מחזורים של חושך אור / 12 שעות 12 שעות (אורות בשעה 08:00, עוצמת הארה ~ 100 לוקס).
2. חבר את ההרכבה אלקטרודה EEG / EMG על ראש העכבר לכבל הקלטה. ודא שכבל ההקלטה מחובר לטבעת להחליק (אשר נועדה כדי שתנועות של העכבר אינן מוגבלות על ידי פיתול של הכבל) ומגבר אות EEG / EMG. EEG מסנן / אותות EMG (EEG, .5-64 הרץ; EMG, 16-64 הרץ), עבר דיגיטציה בקצב דגימה של 128 הרץ על ידי ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (A / D) ולבסוף להקליט במחשב פועל תוכנת הקלטת EEG / EMG (כניסה 4 ^ה 'חומרי' השולחן, מלמטה).
3. להרגיל את העכבר עבור 2 - 3 ימים בתא ההקלטה. אם הקלטת EEG / EMG כוללת ממשלי סמים intraperitoneal, בעדינות להתמודד עם העכבר בכל יום הרגלה בזמן מתן התרופה.
4. בהמשך לכך, להתחיל תוכנת EEG / EMG הקלטה ("חומרים" הטבלה, 4 כניסת ^ה מלמטה).
   1. בחר בכרטיסייה 'נתוני קובץ מידע' ולחץ על התיבה שליד שם הקובץ. הזן את שם קובץ ולחץ על 'שמור'.
   2. בחר בכרטיסייה "מצב הקלטה 'ובחר את כל ערוצי ה- EEG / EMG שיירשמו.
   3. בחר את תדר הדגימה (128 הרץ) בכרטיסייה 'מצב הקלטה ".
   4. בדקו אם הערוצים שנבחרו מוצגים כראוי בהכרטיסיית הדואר 'ערוץ מידע ".
   5. בחר בכרטיסייה 'הגדרת טיימר' ולחץ על 'צג' להצגת EEG וEMG.
   6. בדוק אם אותות EEG / EMG מוצגים כראוי.
   7. בחר בכרטיסייה 'הגדרת טיימר "ולהגדיר את זמן שעון לתחילת וסיום של ההקלטה באזור' טיימר ראשי '.
   8. לחץ על 'צג' בכרטיסיית 'הגדרת טיימר' כדי להתחיל את ההקלטה.
5. שיא אותות EEG / EMG תחת בסיס (כלומר., שינה / בעקבות התנהגות של עכבר מתנהג בחופשיות) ותנאי טיפול שונים (לדוגמא., ממשל קפאין או טיפול דמה) במשך כמה ימים. להרדים את העכבר עם זריקת intraperitoneal של pentobarbital (200 מ"ג / קילוגרם) לאחר היום הניסיוני האחרון.

4. ניקוד של התנהגות מדינה בהתבסס על EEG / EMG נתונים

1. הפעל את התוכנה לניתוח EEG / EMG ("חומרים" הטבלה, כניסת 4 ^th מלמטה). פתח את נתוני ה- EEG / EMG גלם (קובץ .kcd) מיוצרים תחת השלב 3. לחץ על הכרטיסייה 'השינה' ובחר זמן אפוק. בחר 10 שניות.
2. לחץ על הלשונית 'השינה' ובחר 'Multi-הקרנה "להבקיע באופן אוטומטי את כל תקופות של 10 שניות לתוך 3 שלבים (כלומר., NREM ושנת REM, ועירנות) על בסיס אמפליטודות של EEG וEMG וניתוח ספקטרלי הכח של EEG. ³
3. לחץ על 'מצב FFT לEEG'.
4. הגדירו את הפרמטרים לניתוח ספקטרלי הכח [256 נקודות נתון (המקביל ל 2 שניות של EEG), חלון פונקצית Hanning, והממוצע של 5 ספקטרום לעידן]. 'אישור' ³ לחץ.
5. לחץ על 'התחל' כדי להתחיל הקרנת ההקרנה האוטומטית. פתח את נתוני הבקיע (קובץ .raf).
6. בדוק את התוצאות של הבדיקות אוטומטיות ובמידת צורך, לתקן אותם באופן ידני על בסיס הקריטריונים סטנדרטיים (ראה נציגי תוצאות, איור 1 וטבלה 1 ). ^{2, 3} בקצרה, לחץ והחזק את מקש עכבר שמאלי על עידן הבקיע בצורה לא נכונה וגרור את הסמן על פני השורה של עידנים הבקיע בצורה לא נכונה. שחרר את לחצן העכבר השמאלי ובחר את מדינת ההתנהגות הנכונה בחלון הקופץ.
   הערה: לפעמים, תקופות במעבר בין שתי מדינות על המשמר קשות להבקיע באופן חד משמעי למדינה אחת. במקרים כאלה, העידן צריך להיות קלע למדינה, לכאורה, ואותם הקריטריונים צריכים להיות מיושמים על תקופות דומות לאורך כל הניסוי כדי להבטיח שחזור נתונים.

תוצאות

איור 1 מדגים דוגמאות של EEG העכבר במדינות ערנות השונות. כפי שניתן לראות בטבלה 1, תקופות מסווגות כשנת NREM אם EEG תערוכות גלים גדולים, איטיים מוח עם קצב דלתא מתחת ל -4 הרץ ויש EMG רק אות חלשה או לא. תקופות מסווגות כשנת REM אם EEG תערוכות גלי מוח במ...

Discussion

פרוטוקול זה מתאר הגדרה להקלטות EEG / EMG המאפשרת ההערכה של שינה לערויות תחת רעש נמוך, תנאים חסכוניים, ותפוקה גבוהה. בשל גודלו הקטן של מכלול ראש האלקטרודה EEG / EMG, מערכת זו יכולה להיות משולבת עם שתלים אחרים לניסויים תוך-מוחי, כוללים optogenetics (השתלה של סיבים אופטיים) או, בשיתוף ע...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
4-pin header	Hirose	A3B-4PA-2DSA(71)
Ampicillin	Meiji Seika
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
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