Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Langzeitregistrierung der circadianen Rhythmen des Schlaf-Wach-Zyklus, der Körperkerntemperatur und der Aktivität bei Ratten, Spitzhörnchen (Tupaia belangeri) und Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus)

Plaßmann, Kerstin

Sleep is a dynamic and complex process. It is characterized by the occurrence of NREM (non rapid eye movement) and REM (rapid eye movement) phases that alternate in ultradian rhythms. This rhythm is however vulnerable to disturbances caused by various internal and external factors. Sleep disturbances belong to the most commonly reported health problems and also typically occur in a variety of mental and neurological disorders, such as depression, anxiety disorders or dementia. Research of the causes, mechanisms and treatment options of sleep disorders requires adequate animal models. The rat represents a commonly used animal model in sleep research. As nocturnal animals, they show a sleep-wake-cycle that differs significantly from that of humans. In contrast, the activity and sleep rhythms of tree shrews and marmosets are comparable to that of humans. The aim of this study was to establish two new systems for long-term recordings of sleep-wake rhythms, as well as the closely related circadian variations in body temperature and motor activity in rats, tree shrews and common marmosets. Therefore the NeuroLogger®, a system for acquisition of electroencephalogram (EEG), electromyogram (EMG) and activity (Accelerometer) developed for mice, was combined with telemetric methods for acquisition of core body temperature and activity (Remo 200; TA-F20 from Data Science International). This enabled the acquisition of data from freely moving and socially active animals. Modifications of the NeuroLogger® system performed in this study allowed the use of this system in all animal models examined, even in group-housed rats. NeuroLogger® was also stable in tree shrews and marmosets in pair-housed conditions. Parallel recordings of EEG, EMG and accelerometer impulses enabled the separation of sleep phases to wake, NREM and REM. Telemetric systems employed here (Remo 200; TA-F20) were designed for long term recordings of body temperature. The Remo 200 transmitter used with rats and tree shrews enabled parallel recordings from multiple animals in social context. Recordings of activity patterns were possible to perform only with accelerometer integrated in the NeuroLogger® system and not with the telemetric systems. Hence, a mixture of head movements and locomotor activity of animals was obtained as a final result. Consolidation of sleep patterns was observed in group-housed animals, as compared to single housed animals. This points to improved environmental conditions in group housed animals. In conclusion, the use of the NeuroLogger® system in combination with telemetric methods is suitable for long term recordings of circadian rhythms of sleep-wake cycles, as well as body temperature and (with some limitations) activity of rats, tree shrews and marmosets.

Schlaf ist ein dynamischer und komplex regulierter Prozess, der durch das Auftreten von NREM- (Non Rapid Eye Movement) und REM-Phasen (Rapid Eye Movement) gekennzeichnet ist, die in ultradianen Zyklen alternieren. Dieser Rhythmus ist jedoch anfällig für Störungen, die auf innere und äußere Faktoren zurückzuführen sind. Schlafstörungen zählen zu den am häufigsten berichteten Gesundheitsstörungen und treten auch typischerweise bei einer Vielzahl von psychischen und neurologischen Erkrankungen, wie zum Beispiel bei Depressionen, Angsterkrankungen oder Demenz auf. Die Erforschung der Ursachen und Mechanismen sowie von Behandlungsmöglichkeiten von Schlafstörungen erfordert adäquate Tiermodelle. Ein häufig verwendetes Tiermodell stellen Ratten dar, die als nachtaktive Tiere einen Schlaf-Wach-Rhythmus aufweisen, der sich deutlich von dem des Menschen unterscheidet. Demgegenüber weisen sowohl Spitzhörnchen als auch Weißbüschelaffen einen ähnlichen Aktivitäts- und Schlafrhythmus wie der Mensch auf. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, zwei neue Systeme zur Langzeitregistrierung des Schlaf-Wach-Rhythmus, sowie den damit eng verknüpften circadianen Verläufen von Körperkerntemperatur und lokomotorischer Aktivität bei Ratten, Spitzhörnchen und Weißbüschelaffen zu etablieren. Dazu wurde der NeuroLogger®, ein für Mäuse entwickeltes Datenlogger-System zur Registrierung von Elektroenzephalogramm (EEG), Elektromyogramm (EMG) und Aktivität (Accelerometer), in Kombination mit telemetrischen Methoden der Temperatur- und Aktivitätsregistrierung (Remo 200; TA-F20 von Data Science International) eingesetzt. Hiermit sollte eine Registrierung von frei beweglichen, im Sozialverband lebenden Tieren ermöglicht werden. Es konnte gezeigt werden dass der NeuroLogger® nach Anpassung des Kopfaufbaus bei allen Tierarten eingesetzt werden kann und auch die Registrierung von in Gruppen gehaltenen Ratten möglich ist. Bei Spitzhörnchen und Weißbüschelaffen ist der Kopfaufbau während der Paarhaltung stabil. Die parallele Registrierung von EEG, EMG und Accelerometer-Impulsen ermöglicht die Zuordnung von Wach-, NREM- und REM-Phasen. Die eingesetzten telemetrischen Systeme waren zur Langzeitregistrierung der Körperkerntemperatur geeignet. Der bei Ratten und Weißbüschelaffen eingesetzte Remo 200 Transmitter ermöglichte die zeitgleiche Registrierung von mehreren Tieren im Sozialverband. Die Registrierung der Aktivität konnte nur mit dem am NeuroLogger® enthaltenen Accelerometer erfolgreich durchgeführt werden, nicht jedoch mit den telemetrischen Systemen. Dabei kam es allerdings zu einer Mischregistrierung von der lokomotorischen Aktivität und von Bewegungen des Kopfes. Durch die Gruppenhaltung der Ratten war eine Konsolidierung der Schlafstruktur im Vergleich zur Einzelhaltung zu beobachten. Dies lässt auf eine Erhöhung des Wohlbefindens schließen. Die Verwendung des NeuroLoggers® in Kombination mit telemetrischen Methoden ist somit ein geeignetes Verfahren zur Langzeitregistrierung der circadianen Rhythmen des Schlaf-Wach-Zyklus, der Körperkerntemperatur sowie, mit Einschränkungen, der Aktivität von Ratten, Spitzhörnchen und Weißbüschelaffen.

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Plaßmann, Kerstin: Langzeitregistrierung der circadianen Rhythmen des Schlaf-Wach-Zyklus, der Körperkerntemperatur und der Aktivität bei Ratten, Spitzhörnchen (Tupaia belangeri) und Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus). Hannover 2010. Tierärztliche Hochschule.

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