analyzing the effect of reserpine on the sleep behavior of drosophila melanogaster using scamp2020 data package in matlab

Advancing Sleep Disorder Treatments: A &lt;em&gt;Drosophila&lt;/em&gt;-Based Screening Approach

Sleep, one of the essential behaviors necessary for human survival, is characterized by two main states: rapid eye movement (REM) sleep and non-rapid eye movement (NREM) sleep1. NREM sleep comprises three stages: N1 (the transition between wakefulness and sleep), N2 (light sleep), and N3 (deep sleep, slow wave sleep), representing the progression from wakefulness to deep sleep1. Sleep plays a crucial role in both physical and mental health2. However, aging reduces total sleep duration, sleep efficiency, slow-wave sleep percentage, and REM sleep percentage in adults3. Older individuals tend to spend more time in light sleep compared to slow-wave sleep, making them more sensitive to nocturnal awakenings. As the number of awakenings increases, average sleep time decreases, resulting in a fragmented sleep pattern in the elderly, which may be associated with excessive excitation of Hcrt neurons in mice4. Additionally, age-related declines in circadian mechanisms contribute to an earlier shift in sleep duration5,6. In combination with physical illness, psychological stress, environmental factors, and medication use, these factors make older adults more susceptible to sleep disorders, such as insomnia, REM sleep behavior disorder, narcolepsy, periodic leg movements, restless legs syndrome, and sleep-disordered breathing7,8.
Epidemiological studies have shown that sleep disorders are closely linked to chronic diseases in the elderly9, including depression10, cardiovascular disease11, and dementia12. Addressing sleep disorders plays a crucial role in improving and treating chronic diseases and enhancing the quality of life for older adults. Currently, patients primarily rely on drugs such as benzodiazepines, non-benzodiazepines, and melatonin receptor agonists to enhance sleep quality13. However, benzodiazepines can lead to downregulation of receptors and dependence after long-term use, causing severe withdrawal symptoms upon discontinuation14,15. Non-benzodiazepine drugs also carry risks, including dementia16, fractures17, and cancer18. The commonly used melatonin receptor agonist, ramelteon, reduces sleep latency but does not increase sleep duration and has hepatic function-related concerns due to extensive first-pass elimination19. Agomelatine, a melatonin receptor agonist and serotonin receptor antagonist, improves depression-related insomnia but also poses a risk of liver damage20. Consequently, there is an urgent need for safer drugs to treat or alleviate sleep disorders. However, current drug screening strategies, based on molecular and cellular experiments combined with automated systems and computer analysis, are expensive and time-consuming21. Structure-based drug design strategies, relying on receptor structure and properties, require a clear understanding of receptor three-dimensional structure and lack predictive capabilities for drug effects22.
In 2000, based on the sleep criteria proposed by Campbell and Tobler in 198423, researchers established simple animal models to study sleep24, including Drosophila melanogaster, which exhibited sleep-like states25,26. Despite anatomical differences between Drosophila and humans, many neurochemical components and signaling pathways regulating sleep in Drosophila are conserved in mammalian sleep, facilitating the study of human neurological diseases27,28. Drosophila is also extensively used in circadian rhythm studies, despite differences in core oscillators between flies and mammals29,30,31. Therefore, Drosophila serves as a valuable model organism for studying sleep behavior and conducting sleep-related drug screening.
This study proposes a cost-effective and simple phenotype-based approach for screening small-molecule drugs to treat sleep disorders using aged flies. Sleep regulation in Drosophila is highly conserved25, and the decline in sleep observed with age may be reversible through drug administration. Thus, this sleep phenotype-based screening method can intuitively reflect drug efficacy. We feed the flies with a mixture of the drug under investigation and food, monitor and record sleep behavior using the Drosophila Activity Monitor (DAM)32, and analyze the acquired data using the open-source SCAMP2020 data package in MATLAB (Figure1). Statistical analysis is performed using statistics and graphing software (see Table of Materials). As an example, we demonstrate the effectiveness of this protocol by presenting experimental data on Reserpine, a small-molecule inhibitor of the vesicular monoamine transporter reported to increase sleep33. This protocol provides a valuable approach to identify drugs for treating age-related sleep problems.

Author Spotlight: Overcoming Challenges in Drosophila Sleep Measurement Using DAM System 

בדיקת תרופות במולקולות קטנות בתפוקה גבוהה להפרעות שינה הקשורות לגיל באמצעות Drosophila melanogaster

Watch this Scientific Journal Video about Analyzing the Effect of Reserpine on the Sleep Behavior of Drosophila melanogaster Using SCAMP2020 Data Package in MATLAB at JoVE.com

Analyzing the Effect of Reserpine on the Sleep Behavior of Drosophila melanogaster Using SCAMP2020 Data Package in MATLAB  

ניתוח ההשפעה של רסרפין על התנהגות השינה של דרוזופילה מלנוגסטר באמצעות חבילת הנתונים SCAMP2020 ב- MATLAB

כדי להתחיל, נטר את התנהגויות השינה של זבובים באמצעות מכשיר ניטור אינפרא אדום וייבא את הנתונים שנאספו בפורמט TXT לתוכנת סריקת קובץ DAM 107 לסריקה. הגדר את זמן ההתחלה של נתוני הפילוח ל- 0800 או 0801 בבוקר השלישי לאחר הפעלת הצגים לקבלת נתוני אורך פח אחד או 30 דקות, בהתאמה. הגדר את שעת הסיום ל- 8:00 בבוקר ביום השלישי לאחר שעת ההתחלה שנקבעה.התאם את אפשרות אורך הסל לדקה אחת ושנה את סוג קובץ הפלט לקבצי תערוץ. שנה את שם הקובץ וצור את הפלט. כעת הפעל את חבילת התוכנה SCAMP 2020 ב- MATLAB.לחץ לחיצה כפולה על תוכנית MATLAB של Vecsey Sleep וניתוח צירקדי. הוספנו את תיקיית המשנה שכותרתה Vecsey SCAMP Scripts לנתיב. אתר את SCAMP.M קובץ בתיקיה זו והפעל אותו. בחלון המוקפץ הבא בחר ברצף את התיקיה בשם דקה ו -30 דקות. לאחר מכן בחר צג ולחץ על טען חלקות C בודדות לתצוגה מקדימה.בדקו את התמונה שמופיעה ובטלו את הבחירה בערוץ המתאים של זבובים מתים. שנה את שם כל ערוץ בכל צג בהתבסס על התרופה המתאימה לבדיקה. בחר את כל הצגים ולחץ על נתח נתונים שנבחרו לצורך הניתוח.בחר באפשרות ברירת המחדל ולאחר מכן לחץ על נתח עבור תכונת הסל שנבחרה. סמן את התיבה ייצוא נתונים. לחץ על גרף סוגי נתונים של 30 דקות עבור כל הימים עבור קבוצות נבחרות, וייצא את כל הנתונים כדי להפיק את הפלט של התוצאות.בחר את קובץ S30 מקובץ ה- CSV ואתר את הערך הממוצע המתאים ואת נתוני השגיאה הסטנדרטיים עבור כל צג. שמור נתונים אלה ב- Excel כדי לבצע כמה התאמות לפני הצבתם ב- GraphPad Prism כדי לנסח דיאגרמת מצב שינה. לאחר מכן, אתר את הקובץ בשם S-T-D-U-R וחשב את הערכים הממוצעים של שעות היום, הלילה והשינה הכוללת עבור כל טיסה במשך שלושה ימים.הדבק נתונים לתוך GraphPad פריזמה כדי לצייר גרפים. דפוסי השינה של Reserpine ו- Dimethyl Sulfoxide על זבובים נקבות וזכרים במשך שלושה ימים רצופים מוצגים. ניתוח כמותי של התנהגות השינה מראה עלייה משמעותית בזמן השינה אצל נקבות מבוגרות שניזונו מרסרפין.הניסוי על זבובים זכרים מדגים גם מתאם חיובי בין ריכוז Reserpine לבין קידום שינה.

analyzing-effect-reserpine-on-sleep-behavior-drosophila-melanogaster

Research

JoVE Journal

Behavior

Analyzing the Effect of Reserpine on the Sleep Behavior of Drosophila melanogaster Using SCAMP2020 Data Package in MATLAB

257 Views.  Southeast University. To begin, monitor the sleep behaviors of flies using an infrared monitoring device and import the collected data in TXT format into the DAM file scan 107 software for scanning. Set the start time of the segmentation data to either 0800 or 0801 on the third morning after initiating the monitors to obtain one or 30 minute bin length data, respectively. Set the termination time to 8:00 AM on the third day post the set starting time.Adjust the bin length option to one minute and alter the ...