Τοπικός ύπνος σε ξύπνιους αρουραίους (Local sleep in awake rats) Βιοτεχνολογία Ρεμούνδου Βασιλική, Α.Μ. 4919 2011-2012

Μιλώντας για «τοπικό ύπνο», αναφερόμαστε στην κατάσταση του εγκεφαλικού φλοιού κατά την οποία μεμονωμένες ομάδες νευρώνων απενεργοποιούνται (κατάσταση off). Γνωρίζουμε ότι η απενεργοποίηση των νευρώνων είναι ένα φαινόμενο που παρατηρείται κατά τη διάρκεια του βαθέως ύπνου και αφορά στο σύνολο των νευρώνων του εγκεφαλικού φλοιού.

Στη συνέχεια εξετάζεται η απενεργοποίηση των νευρώνων τόσο σε τοπικό όσο και σε συνολικό επίπεδο σε κατάσταση αγρυπνίας και ύπνου.

Εισαγωγικά Ο εγκεφαλικός φλοιός παράγει ηλεκτρικά δυναμικά που μπορούν να μεταδοθούν από το δέρμα του κρανίου. Η καταγραφή των ηλεκτροεγκεφαλικών δυναμικών από ηλεκτρόδια σε διάφορες θέσεις του κρανίου σε σχέση με το χρόνο αποτελεί το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG).

Εισαγωγικά Hλεκτροεγκεφαλικές «καμπύλες» εύρος(amplitude, a) συχνότητα(frequency, f) Χαρακτηριστικές περιοχές συχνότητας ή ρυθμοί: ρυθμός δ, ρυθμός θ, ρυθμός α, ρυθμός β

Για να διερευνήσουμε τη δραστηριότητα των νευρώνων σε μια ομάδα από ενήλικα ποντίκια (n=11) εμφυτεύσαμε συστοιχίες μικροκαλωδίων βολφραμίου 16 καναλιών (2x8) , μονωμένων με πολυϊμίδιο, σε βαθιές στοιβάδες του πρόσθιου κινητικού φλοιού τους (μετωπιαίος λοβός).

Πήραμε 2 είδη καταγραφών της εγκεφαλικής δραστηριότητας: LFP (local field potential) Multi-unit activity

Καταγραφή LFP LFP: Local Field Potential Λήψη σήματος από ένα ηλεκτρόδιο Σήμα μικρής συχνότητας (0.1-100 Hz), από ακτίνα ~50-350 μm από την άκρη του ηλεκτροδίου Η μικρή αντίσταση και η θέση του ηλεκτροδίου επιτρέπει σε πολλούς νευρώνες να συνεισφέρουν στο σήμα με τη δραστηριότητα τους.

Raster Plots of MUA Οι παραστάσεις raster plots παρουσιάζουν την χρονική ακολουθία των δυναμικών ενεργείας Για την καταγραφή MUA (multi unit activity)→ 6 υποθετικοί νευρώνες. Στο raster plot κάθε οριζόντια γραμμή αντιστοιχεί σε έναν νευρώνα και κάθε κάθετη γραμμή σε ένα δυναμικό ενεργείας. Από την παράσταση αυτή μπορούμε να διακρίνουμε εύκολα τις περιόδους ενεργοποίησης (on) και απενεργοποίησης (off) των νευρώνων.

Κατάσταση εγρήγορσης Μάτια ανοιχτά, κίνηση και αντίδραση σε ερεθίσματα Καταγραφή LFP: κύματα μικρού a και υψηλής f → κυρίως α- κύματα (8-13 Hz),β- κύματα (14-30Hz), αλλά και θ-κύματα (4-7Hz) Καταγραφή MUA: ακανόνιστη

Κατάσταση ύπνου Τα μάτια κλείνουν, η δράση σταματά και δεν υπάρχει ανταπόκριση σε ερεθίσματα NREM ύπνος ~80% του συνολικού ύπνου: χαρακτηρίζεται από περιόδους on και off. Περίοδοι on: οι νευρώνες λειτουργούν όπως στην κατάσταση αγρυπνίας Περίοδοι off: οι νευρώνες σταματούν να πυροδοτούνται όλοι ταυτόχρονα

Κατάσταση ύπνου Καταγραφή LFP: κύματα μεγάλου a και μικρής f → θ- κύματα (4-7 Hz) και δ- κύματα (0.5-3 Hz) Καταγραφή MUA: περίοδοι on και off

Θέματα που εξετάστηκαν: Με ποιο τρόπο εξελίσσεται η απενεργοποίηση των νευρώνων κατά τη διάρκεια στέρησης ύπνου και πως κατά την επακόλουθη φάση αποκατάστασης του ύπνου? Αν οι περίοδοι off κατά τη στέρηση ύπνου μπορούν να εμφανιστούν ταυτόχρονα σε απομακρυσμένες περιοχές του φλοιού? Αν οι περίοδοι off μπορούν να είναι τοπικές και κατά τη διάρκεια του ύπνου? Αν ο τοπικός ύπνος, παρόλο που δεν έχει κάποια φανερή εκδήλωση, επιδρά με κάποιο τρόπο στην επίδοση?

Περίοδος στέρησης ύπνου Για να μελετηθεί η δραστηριότητα των νευρώνων κατά τη στέρηση ύπνου παρατάθηκε η περίοδος εγρήγορσης των αρουραίων για 4 ώρες.

Περίοδος στέρησης ύπνου Καταγραφή LFP και MUA (SD1 και SD4) στο μετωπιαίο λοβό (SD1: 1η ώρα στέρησης ύπνου, SD4: 4η ώρα στέρησης ύπνου)

Περίοδος στέρησης ύπνου Για να διαπιστωθεί αν οι περίοδοι off μπορούν να εμφανιστούν ταυτόχρονα σε απομακρυσμένες περιοχές του φλοιού εμφυτεύτηκε μία επιπλέον συστοιχία μικροκαλωδίων σε βαθιά στοιβάδα του βρεγματικού λοβού 9 αρουραίων. (Οι περίοδοι off συμβαίνουν και στο βρεγματικό λοβό και η συχνότητα τους αυξάνεται από την SD1 προς την SD4 όπως ακριβώς και στον μετωπιαίο λοβό)

Περίοδος στέρησης ύπνου Καταγραφές LFP και MUA Global: αφορά όλους τους νευρώνες που καταγράφονται στον μετωπιαίο (F) και βρεγματικό (P) λοβό Local: αφορά νευρώνες σε μία μικρότερη περιοχή του φλοιού στον μετωπιαίο( F) και βρεγματικό λοβό

Περίοδος στέρησης ύπνου Εξέλιξη περιόδων off και βραδέων κυμάτων (2-6 Hz: σημάδι πίεσης για ύπνο) που καταγράφηκαν στο LFP.

Περίοδος στέρησης ύπνου Έτσι κατοχυρώθηκε ότι απομακρυσμένες περιοχές του εγκεφάλου μπορούν να εισέλθουν ανεξάρτητα σε περιόδους off σε ζώα που είναι σε εγρήγορση και στερούνται τον ύπνο. Το ίδιο μπορεί να συμβεί και σε «γειτονικούς» νευρώνες (που βρίσκονται σε απόσταση ~2mm).

Περίοδος αποκατάστασης ύπνου Καταγραφή LFP και MUA (S1 και S6) στο μετωπιαίο λοβό (Η περίοδος αποκατάστασης είχε διάρκεια 6 ωρών. / S1: 1η ώρα ύπνου, S6: 6η ώρα ύπνου)

Περίοδος αποκατάστασης ύπνου Καταγραφές LFP και MUA Global: αφορά όλους τους νευρώνες που καταγράφονται στον μετωπιαίο (F) και βρεγματικό (P) λοβό Local: αφορά νευρώνες σε μία μικρότερη περιοχή του φλοιού στον μετωπιαίο( F) και βρεγματικό λοβό

Περίοδος αποκατάστασης ύπνου Εξέλιξη περιόδων off και βραδέων κυμάτων (0.5-4 Hz, σημάδι πίεσης για ύπνο ) που καταγράφηκαν στο LFP.

Επιδράσεις στην επίδοση Σε καταστάσεις στέρησης ύπνου ένα άτομο μπορεί να βιώσει «μικρούς ύπνους»(3-15 sec). Ωστόσο τα ποντίκια που εξετάστηκαν και στερήθηκαν ύπνο δεν παρουσίασαν καμία ένδειξη ύπνου: τα μάτια τους ήταν ανοιχτά, ανταποκρίνονταν σε ερεθίσματα και το EEG τους ήταν αναμφίβολα EEG αντίστοιχο αγρυπνίας.

Επιδράσεις στην επίδοση Για να διαπιστωθεί αν οι περίοδοι off είχαν κάποια επίδραση στην επίδοση, οι αρουραίοι εκπαιδεύτηκαν για 2 ώρες (κατά τη διάρκεια της περιόδου στέρησης ύπνου) σε μία δοκιμασία κατά την οποία έπρεπε να αρπάξουν μία ταμπλέτα ζάχαρης. Κατά τη διάρκεια της μάθησης ενεργοποιείται μια συγκεκριμένη περιοχή του κινητικού φλοιού του εγκέφαλου τους. Στη συνέχεια, από τη διαδικασία των δοκιμών που πραγματοποίησαν 8 ζώα συγκρίθηκαν βίντεο και καταγραφές LFP που αντιστοιχούσαν στην ίδια χρονική στιγμή.

Επιδράσεις στην επίδοση Ποσοστό των νευρώνων που πυροδοτούνται 200ms πρίν και μετά από την περίοδο off Καταγραφές LFP, MUA και στιγμιαία δυναμικά ενεργείας όλων των νευρώνων πριν από επιτυχημένη και αποτυχημένη προσπάθεια

Επιδράσεις στην επίδοση Περίοδοι off πριν από τις επιτυχημένες και τις αποτυχημένες προσπάθειες στον μετωπιαίο (frontal) και στον βρεγματικό (parietal) λοβό

Συμπεράσματα 1) Σε ζώα στα οποία παρατάθηκε η περίοδος αγρυπνίας περά από το φυσιολογικό τους, πληθυσμοί νευρώνων σε διαφορετικές περιοχές του φλοιού μπορούν ξαφνικά να «απενεργοποιηθούν», με τρόπο ο οποίος παραπέμπει στις περιόδους off κατά τον ύπνο NREM.

Συμπεράσματα 2) Ομάδες νευρώνων μπορούν να έρθουν σε κατάσταση off σε μία μόνο περιοχή του φλοιού ενώ σε άλλη όχι. Ακόμη και στην ίδια περιοχή του φλοιού κάποιοι νευρώνες μπορεί να είναι ενεργοποιημένοι, ενώ άλλοι απενεργοποιημένοι.

Συμπεράσματα 3) Η αυξημένη συχνότητα τοπικών περιόδων off κατά τη διάρκεια παρατεταμένης περιόδου αγρυπνίας σχετίζεται με την μείωση της επίδοσης σε μια δοκιμασία.

References Vladyslav V. Vyazovskiy, Umberto Olcese, Erin C. Hanlon, Yuval Nir, Chiara Cirelli & Giulio Tononi “Local sleep in awake rats” Nature (28 April 2011); 472, 443–447