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Resumo

A privação do sono é uma ferramenta poderosa para investigar a função e a regulação do sono. Descrevemos um protocolo para dormir privar Drosophila usando o Aparelho de Anulação do Sono, e determinar a extensão do sono de recuperação induzido pela privação.

Resumo

A homeostase do sono, o aumento do sono observado após a perda do sono, é um dos critérios definidores utilizados para identificar o sono em todo o reino animal. Como consequência, a privação do sono e a restrição do sono são ferramentas poderosas que são comumente usadas para fornecer insights sobre a função do sono. No entanto, os experimentos de privação do sono são inerentemente problemáticos, na prática, o estímulo à privação em si pode ser a causa das mudanças observadas na fisiologia e no comportamento. Assim, técnicas bem sucedidas de privação do sono devem manter os animais acordados e, idealmente, resultar em uma recuperação robusta do sono sem também induzir um grande número de consequências não intencionais. Aqui, descrevemos uma técnica de privação do sono para Drosophila melanogaster. O Aparelho de Anulação do Sono (SNAP) administra um estímulo a cada 10 anos para induzir geotaxis negativos. Embora o estímulo seja previsível, o SNAP efetivamente evita >95% do sono noturno mesmo em moscas com alta movimentação de sono. É importante ressaltar que a resposta homeostática subsequente é muito semelhante à alcançada usando privação manual. O tempo e o espaçamento dos estímulos podem ser modificados para minimizar a perda de sono e, assim, examinar efeitos não específicos do estímulo sobre fisiologia e comportamento. O SNAP também pode ser usado para restrição de sono e para avaliar limiares de excitação. O SNAP é uma poderosa técnica de interrupção do sono que pode ser usada para entender melhor a função do sono.

Introdução

O sono é quase universal em animais, mas sua função permanece incerta. A homeostase do sono, o aumento compensatório do sono após a privação do sono, é uma propriedade definidora do sono, que tem sido usada para caracterizar estados de sono em um número de animais1,2,3,4,5.

O sono na mosca tem muitas semelhanças com o sono humano, incluindo uma resposta homeostática robusta à perda de sono4,5. Inúmeros estudos de sono na mosca têm usado a privação do sono tanto para inferir a função do sono, examinando as consequências adversas que se acumulam a partir da vigília prolongada, quanto para entender a regulação do sono, determinando os mecanismos neurobiológicos que controlam a regulação homeostática do sono. Assim, as moscas privadas de sono apresentaram prejuízos no aprendizado e na memória6,7,8,9,10,11,12, plasticidade estrutural13,14,15, atenção visual16, recuperação da lesão neuronal17,18, acasalamento e comportamentos agressivos19, 20, proliferação celular21, e respostas ao estresse oxidativo22,23 para citar alguns. Além disso, as investigações sobre os mecanismos neurobiológicos que controlam o sono de recuperação produziram insights críticos sobre a maquinaria neuronal que constitui o homeostat do sono8,9,23,24,25,26,27,28,29 . Finalmente, além de revelar insights fundamentais sobre a função do sono em animais saudáveis, estudos de privação do sono também informaram insights sobre a função do sono em estados doentes30,31.

Embora a privação do sono seja inegavelmente uma ferramenta poderosa, com qualquer experimento de privação do sono, é importante distinguir fenótipos que resultam de um aumento prolongado, daqueles induzidos pelo estímulo usado para manter o animal acordado. A privação do sono por privação manual ou manuseio suave, é geralmente considerada como estabelecendo o padrão para privação de sono minimamente disruptiva. Aqui descrevemos um protocolo para o sono privando moscas usando o Aparelho de Anulação do Sono (SNAP). O SNAP é um dispositivo que fornece um estímulo mecânico para moscas a cada 10 anos, mantendo as moscas acordadas induzindo geotaxis negativos(Figura 1). O SNAP priva eficientemente moscas de >98% do sono noturno, mesmo em moscas com alta movimentação de sono8,32. O SNAP foi calibrado em moscas sensíveis ao estrondo, a agitação das moscas no SNAP não prejudica as moscas; a privação do sono com o SNAP induz um rebote comparável ao obtido por privação manual7. O SNAP é, portanto, um método robusto para dormir privar moscas enquanto controla os efeitos do estímulo estimulante.

Protocolo

1. Preparação experimental

  1. Recolher moscas enquanto se fecham em frascos, separando moscas machos e fêmeas.
    NOTA: Experimentos de sono são comumente realizados com moscas fêmeas. É importante coletar fêmeas virgens. Fêmeas acasaladas colocarão ovos que eclodem em larvas complicando a análise dos dados.
  2. House voa de um único sexo em grupos de <20.
    NOTA: A habitação voa em um ambiente socialmente enriquecido (grupos de >50) modula a unidade de sono6,13 medidas potencialmente confusas do sono rebote. Além disso, após o enriquecimento social, o sono diminuirá ao longo de alguns dias6. Assim, o sono de linha de base não é uma análise estável complicando o sono de recuperação. Manter moscas em grupos de <20 evita essa confusão potencial.
  3. Mantenha moscas em frascos por 3-5 dias em um ambiente controlado por luz e umidade.
    NOTA: A idade e a maturidade das moscas influenciam fortemente o sono. O sono é alto em moscas de um dia de idade e estabiliza em 3-5 dias de idade4. As moscas são normalmente mantidas em uma luz de 12 h: horário escuro de 12h a 50% de umidade.

2. Preparação de tubos para gravação de sono

NOTA: O sono é monitorado usando monitores de atividade locomotor. Um monitor pode conter 32 moscas alojadas individualmente em tubos de 5 mm de diâmetro. Normalmente, genótipos são analisados em grupos de 16 ou 32 moscas.

  1. Prepare um número apropriado de tubos com comida de mosca em uma extremidade.
    NOTA: A dieta e o metabolismo são conhecidos por influenciar o sono33,34, por isso é particularmente importante colocar moscas no mesmo alimento em que foram criadas.
  2. Sele a extremidade dos tubos com cera.
    NOTA: A privação e a recuperação do sono são um experimento de cinco dias, e a comida pode secar se não estiver devidamente selada. Em tubos devidamente selados, os alimentos podem ser mantidos por 10 dias ou mais. Assim, é fundamental garantir que as extremidades dos tubos estejam bem seladas. As moscas também podem ficar presas à comida molhada, no entanto. Assim, ajuda a fazer tubos 1-2 dias antes do início do experimento.
  3. Coloque individualmente o despertar, comportando-se voa em tubos de vidro de 65 mm de comprimento para gravação de sono usando um aspirador e tampe a extremidade dos tubos com uma rolha de espuma.
    NOTA: As moscas nunca são reassentadas à anestesia de CO2 ao colocar moscas em tubos para gravação de sono. O aspirador é feito de tubo de borracha com uma extremidade coberta com pano de queijo e inserida em uma ponta de pipeta de 1 mL.

3. Gravar o sono

  1. Carregue moscas em tubos em monitores de atividade para monitorar o sono.
    NOTA: As rochas SNAP monitoram para frente e para trás de -60° a +60° a cada ~10 s. Os monitores são mantidos em -60° para ~5.9s ; é preciso ~2,9 s para que a bandeja que segura os monitores se mova de -60° para +60° e ~1 s para voltar de +60° para -60°. O comprimento do ciclo pode ser alterado conforme necessário, ajustando a tensão fornecida ao motor.
    1. Tome cuidado para garantir que os tubos sejam colocados em monitores de atividade na orientação correta. Na orientação correta, a extremidade do tubo com alimentos está no topo do SNAP para garantir que as moscas não são empurradas para dentro da comida. Além disso, o fim com a comida fica na lateral do monitor com o jack de gravação de sono. Isso permite que os monitores de atividade sejam orientados corretamente no SNAP para uma privação eficiente do sono, monitorando simultaneamente a atividade.
  2. Coloque monitores de atividade na câmara de gravação para monitorar o sono.
  3. Monitore o sono por pelo menos dois dias completos para estimar o sono da linha de base.
    NOTA: O dia em que as moscas são carregadas em monitores de atividade é tipicamente excluída como um dia de adaptação para permitir que as moscas se adaptem a serem alojadas em tubos. O sono da linha de base é registrado por pelo menos dois dias completos (48hrs) começando com a manhã seguinte ao dia em que as moscas são carregadas.
  4. Salve a carga de atividade locomotor de moscas em caixas de 1 min desde o momento das luzes em um determinado dia até as luzes no dia anterior usando o software de gravação de atividades (por exemplo, das 8:00 às 8:00).
  5. Estimar o sono dos dados de atividade locomotor com macros personalizadas usando 5 min de inatividade como limiar para um ataque de sono35.
    NOTA: Uma série de métricas de sono são calculadas a partir da contagem de atividades locomotor. Estes incluem sono em min/h acima de 24 h, tempo total de sono em 24h, média e máximo de sono diurno e noturnocomprimentos 36.

4. Privação e recuperação do sono

  1. Como as moscas podem ser privadas de sono por períodos variáveis de tempo (por exemplo, 12h, 24 h e 36 h) e o sono de recuperação também pode ser avaliado em vários intervalos (por exemplo, 6h, 12h, 24 h e 48 h), determinar a duração da recuperação por necessidade experimental. A recuperação do sono pode ser visualizada usando um gráfico de ganho/perda de sono ou examinando por cento de sono recuperado em um intervalo predeterminado (por exemplo, 6 h).
  2. Se o sono estiver estável ao longo dos dois dias de linha de base, no terceiro dia, coloque monitores de atividade no SNAP para privação de sono durante a noite.
    NOTA: As moscas exibirão um forte rebote de sono sobre uma faixa de vezes de sono8,32,37,38, mas o sono tem que ser estável para avaliar de forma confiável o sono rebote. O sono é estável quando a diferença de sono entre os dias de base é de ± 100 min.
  3. Certifique-se de que os monitores de atividade estejam protegidos no lugar com pinos do suporte do monitor, cabos de monitor conectados e monitores orientados corretamente com a extremidade com alimentos na parte de trás e barreiras plásticas na frente(Figura 1).
    NOTA: O SNAP é projetado para que a câmera gire uma vez a cada 10 s(Figura 1). A inserção plástica reinicia os tubos empurrando os tubos para trás quando o aparelho está na posição "para cima". A redefinição dos tubos é importante para garantir que todos os tubos tenham toda a amplitude de movimento no início de cada ciclo.
  4. Desconecte os monitores de atividade e tire os monitores do SNAP imediatamente após as luzes acesas após a privação de sono durante a noite.
    NOTA: É fundamental que a privação do sono seja encerrada, e as moscas são colocadas em recuperação imediatamente após as luzes acesas após 12h de privação do sono durante a noite. Mesmo um atraso de 20-30 minutos na colocação de moscas na recuperação pode interferir na extensão do sono de recuperação.
  5. O local voa em uma câmara de gravação onde eles ficarão imperturbáveis por dois dias (48 h) para monitorar o sono de recuperação.
    NOTA: Se a câmara de gravação estiver sendo usada para outros experimentos, deve-se tomar cuidado extra para evitar estimular a recuperação de moscas.
  6. Calcule a quantidade de sono perdida. Para cada mosca individual, calcule a diferença horária entre o sono obtido durante a privação do sono e a hora correspondente durante a linha de base; somam as diferenças horárias para calcular o sono total perdido.
  7. Calcule a quantidade de sono recuperada. Para cada mosca individual, calcule a diferença horária entre o sono obtido durante a recuperação e a hora correspondente durante a linha de base; somam as diferenças horárias para calcular o sono total ganho.
    NOTA: Se uma mosca é realmente privada de sono é empírica. Assim, o experimentador deve examinar por cento de sono perdido. Se a mosca não perdeu uma quantidade suficiente de sono, pode ser excluída da análise. Embora isso possa ser necessário para outras abordagens de privação do sono, raramente é necessário para o SNAP. Mais comumente, o sono pode não ser estável em uma determinada mosca antes do início da privação do sono. Se o sono não estiver estável, a homeostase não pode ser calculada. Aceitamos uma diferença máxima de ± 100 minutos de sono calculados antes do início da privação do sono como candidatos à inclusão. Na ocasião, o sono de uma mosca individual é distribuído de forma desigual ao longo do dia de 24h (por exemplo, alguns indivíduos podem obter 60-70% de sua cota de sono durante o dia e, portanto, só perdem uma pequena proporção de sua cota de sono de 24 horas quando privados por 12 h à noite). Estas moscas podem ser avaliadas separadamente.
  8. Calcule a porcentagem média de sono recuperado (em relação à linha de base) acima de 12 h, 24 h e 48h do período de recuperação para cada genótipo.
  9. A partir dos dados de sono, calcule o comprimento médio e máximo do período de luta do sono diurno na linha de base e os dias de recuperação para cada genótipo.
    NOTA: O sono de recuperação em moscas é caracterizado pelo aumento da quantidade de sono e aumento da profundidade do sono nos dias de recuperação. A consolidação do sono é usada como medida de profundidade do sono. Limiares de excitação também podem ser usados como medida de profundidade do sono.

Resultados

Canton S (Cs) foi usado como uma cepa tipo selvagem. As moscas foram mantidas em uma luz de 12 h: horário escuro de 12h e privação de sono por 12 horas durante a noite. A inspeção dos perfis de sono das moscas de Cs no dia da linha de base (bs), dia de privação do sono (sd) e dois dias de recuperação (rec1 e rec2)(Figura 2A) sugere que as moscas foram efetivamente privadas de sono no SNAP, e recuperaram o sono durante o dia consistente com os relatos...

Discussão

O sono em Drosophila foi caracterizado independentemente em 2000, por dois grupos4,5. Nestes estudos pioneiros, as moscas foram privadas do sono por manuseio suave (ou seja, privação de mão) e mostraram uma resposta homeostática robusta à privação do sono durante a noite. É importante ressaltar que, com qualquer experimento de privação do sono, é crucial controlar os potenciais efeitos de confusão do método usado para manter o animal acordad...

Divulgações

Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pelas bolsas NIH 5R01NS051305-14 e 5R01NS076980-08 para PJS.

Materiais

NameCompanyCatalog NumberComments
Locomotor activity tubes
Fisher Tissue Prep WaxThermo Fisher13404-122Wax used for sealing tubes
Glass tubesWale Apparatus244050We 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 foodGenesee Scientific66-113Labs 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 toolDremel Multi Pro395Used to cut 65mm long glass tubes 
Monitoring Sleep
DAM System and DAMFileScan softwareTrikineticsSoftware used to acquire data from DAM monitors and save the acquired data in an appropriate format
Data acquisition computerLenovoIdea Centre AIO3A equivalent computer from any manufacturer can substitute
Drosophila Activity MonitorsTrikineticsDAM2These monitors are used to record flies' locomotor activity
Environment MonitorTrikineticsDEnMNot essential, but an easy way to monitor environmental conditions in the chamber where sleep is recorded
Light ControllerTrikineticsLC4A convenient way to control the timing of when the SNAP is turned on and off
Power Supply Interface Unit for DAMTrikineticsPSIU-9Required for data acquisition computers to record Trikinetics locomotor acitvity data
RJ11 connector7001-64PCMulticompDAM monitors accept RJ11 jacks
SplittersTrikineticsSPLT5Used to connect upto 5 DAM monitors
Telephone cable wireRadioshack278-367Phone cables to acquire data from DAM monitors
Sleep Deprivation
Power supplyGw INSTEKGPS-30300Power supply for the SNAP
Sleep Nullifying ApparatusWashington University School of Medicine machine shop

Referências

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