Bei der zusammenfassenden Betrachtung aller oben beschriebenen und diskutierten Ergebnisse ergeben sich folgende Schlussfolgerungen:
Der NeuroLogger® stellt ein geeignetes System zur Langzeitregistrierung des Schlaf-Wach-Rhythmus bei Ratten, Spitzhörnchen und Weißbüschelaffen dar. Durch die parallele Registrierung von EEG, EMG sowie Accelerometer-Impulsen ist die Zuordnung von Wach-, NREM- und REM-Phasen möglich. Optimiert werden muss jedoch die Länge des Aufnahmeintervalls, da durch das tägliche Austauschen der NeuroLogger® in der Aktivitätsphase der Tiere keine detaillierte Auswertung dieses Zeitraums durchgeführt werden konnte.
Der Vergleich der einzelnen Aufnahmezeiträume ergab keine deutlichen Hinweise auf eine Beeinträchtigung der Tiere und ihrer physiologischen Parameter durch die notwendige Manipulation zum Austausch der NeuroLogger®. Bei den Weißbüschelaffen gibt es jedoch Hinweise darauf, dass bei ihnen eine längere Adaptationsphase notwendig ist.
Nach einer Anpassung des Kopfaufbaus war auch eine Registrierung von Ratten in Gruppenhaltung möglich. Durch die veränderten Haltungsbedingungen kam es zu einer Konsolidierung der Schlafstruktur, die auf eine Erhöhung des Wohlbefindens der Tiere
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schließen lässt. Auch bei Spitzhörnchen und Weißbüschelaffen konnte gezeigt werden, dass der Kopfaufbau während der Paarhaltung stabil ist.
Das Remo 200 System ermöglicht die telemetrische Langzeitregistrierung der Körperkerntemperatur bei Ratten und Weißbüschelaffen. Es konnte gezeigt werden, dass das System durch die Möglichkeit, die Signale von verschiedenen Transmittern zu unterscheiden und zeitgleich zu empfangen, sich für die Registrierung von mehreren, im Sozialverband lebenden Tieren eignet. Auch mit dem für die Spitzhörnchen eingesetzten PhysioTel TA-F20-Transmitter konnte die Langzeitregistrierung der Körperkerntemperatur erfolgreich durchgeführt werden. Aufgrund der geringeren Größe und eines geringeren Gewichtes ist der Einsatz dieser Transmitter für die Spitzhörnchen zu empfehlen.
Mit dem am NeuroLogger® angebrachten Accelerometer konnte für alle Tierarten eine Langzeitregistrierung der Aktivität durchgeführt werden. Dabei werden neben der lokomotorischen Aktivität der Tiere allerdings auch die Bewegungen des Kopfes mit registriert. Zu welchen Anteilen die beiden Bewegungsformen in die Registrierung einfließen, kann an dieser Stelle nicht beantwortet werden. Die Aktivitätsregistrierung mit telemetrischen Methoden (Remo 200) lieferten keine zufriedenstellenden Resultate.
Dementsprechend stellt die Verwendung des NeuroLoggers® in Kombination mit telemetrischen Verfahren ein Verfahren zur Langzeitregistrierung der circadianen Rhythmen des Schlaf-Wach-Zyklus, der Körperkerntemperatur sowie, mit Einschränkungen, der Aktivität von Ratten, Spitzhörnchen und Weißbüschelaffen dar.
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6 Zusammenfassung
Kerstin Plaßmann (2010)
Langzeitregistrierung der circadianen Rhythmen des Schlaf-Wach-Zyklus, der Körperkerntemperatur und der Aktivität bei Ratten, Spitzhörnchen (Tupaia belangeri) und Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus)
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung und Validierung einer Methode zur Langzeitregistrierung des Schlaf-Wach-Rhythmus sowie des circadianen Verlaufs von Körperkerntemperatur und lokomotorischer Aktivität bei Ratten, Spitzhörnchen und Weißbüschelaffen. Dazu wurde ein für Mäuse neu entwickeltes Datenlogger-System zur Registrierung von EEG, EMG und Aktivität, genannt NeuroLogger®, in Kombination mit neueren telemetrischen Methoden der Temperatur- und Aktivitätsregistrierung (Remo 200) eingesetzt. Hiermit sollte eine Registrierung von frei beweglichen, im Sozialverband lebenden Tieren ermöglicht werden. Untersucht wurden insgesamt 12 männliche Sprague Dawley Ratten, 3 männliche Spitzhörnchen sowie ein weiblicher und ein männlicher Weißbüschelaffe.
Zunächst war eine Anpassung des NeuroLogger®-Systems an die Erfordernisse der hier untersuchten Tierarten notwendig. Dazu erfolgte eine Modifikation und schrittweise Optimierung der am Kopf der Tiere angebrachten Steckverbindung, damit der NeuroLogger®
sicher fixiert werden konnte, sowie die Entwicklung von tierartspezifischen Schutzhüllen.
Anschließend erfolgte die Fixierung und Implantation der Komponenten (Remo 200; TA-F20 von Data Science International) und die Langzeitregistrierung, während derer die Tiere zunächst einzeln gehalten wurden. Die Datenerfassung mit dem NeuroLogger® wurde in 4 siebentägigen Zeiträumen durchgeführt, in denen ein täglicher Austausch der NeuroLogger®
erfolgte (2, 3, 6 und 9 Wochen nach der Fixierung), die telemetrischen Signale wurden kontinuierlich über mindestens 9 Wochen erfasst. Danach wurden die Tiere in Gruppen zusammengesetzt und die telemetrische Registrierung für 2 bis 3 Wochen fortgeführt. Bei
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einer Teilgruppe von 3 Ratten wurden in der 16. Woche der Gruppenhaltung weitere Aufzeichnungen mit dem NeuroLogger® durchgeführt.
Die Bestimmung der Schlafphasen (Wach, NREM und REM) erfolgte anhand der EEG und EMG-Registrierungen. Aus den gemessenen Daten wurden die Gesamtdauer der Phasen in Stundenintervallen sowie der prozentuale Anteil, die Episodenanzahl und die mittlere Episodenlänge von Wach-, NREM- und REM-Zustand in der Lichtphase (Ratten) bzw. der Dunkelphase (Spitzhörnchen und Weißbüschelaffen) bestimmt. Für die Temperatur- und Aktivitätsregistrierungen wurden circadianen Verlaufskurven erstellt. Die gemessenen Parameter wurden auf Unterschiede zwischen den Zeiträumen untersucht und mit Literaturwerten verglichen. Für die Ratten erfolgte auch ein Vergleich der Haltungsformen (Einzel- und Gruppenhaltung).
Die Ergebnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
1. Nach Modifikationen des Kopfausbaus konnte der NeuroLogger® bei allen Tierarten eingesetzt werden, auch die Registrierung von in Gruppen gehaltenen Ratten ist möglich. Bei Spitzhörnchen und Weißbüschelaffen ist der Kopfaufbau während der Paarhaltung stabil.
2. Die parallele Registrierung von EEG, EMG und Accelerometer-Impulsen ermöglicht die Zuordnung von Wach-, NREM- und REM-Phasen.
3. Die eingesetzten telemetrischen Systeme (Remo 200; TA-F20) waren zur Langzeitregistrierung der Körperkerntemperatur geeignet. Der bei Ratten und Weißbüschelaffen eingesetzte Remo 200 Transmitter ermöglichte die zeitgleiche Registrierung von mehreren Tieren im Sozialverband.
4. Die Registrierung der Aktivität konnte nur mit dem am NeuroLogger® enthaltenen Accelerometer erfolgreich durchgeführt werden, nicht jedoch mit den telemetrischen Systemen. Bei der Registrierung der Aktivität mit dem im NeuroLogger® integrierten Accelerometer kommt es allerdings zu einer Mischregistrierung von der lokomotorischen Aktivität und von Bewegungen des Kopfes.
5. Ein Vergleich der Aufnahmezeiträume ergab keine deutlichen Hinweise auf eine Beeinträchtigung der Tiere und ihre physiologischen Parameter durch die experimentelle Manipulation zum Austausch der NeuroLogger®. Bei
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Weißbüschelaffen gibt es jedoch Hinweise, dass eine längere Adaptationsphase erforderlich sein könnte.
6. 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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7 Summary
Kerstin Plaßmann (2010)
Long-term recordings of sleep-wake rhythms, core body temperature and activity in rats, tree shrews (Tupaia belangeri) and common marmosets (Callithrix jacchus)
The aim of this study was to establish and validate a system for long-term recordings of sleep-wake rhythms, as well as the circadian variations in body temperature and motor activity in rats, tree shrews and common marmosets. NeuroLogger® is a system for acquisition of EEG, EMG and activity data originally developed for mice. This system was combined with telemetric methods for acquisition of temperature and activity (Remo 200).
Modifications described here enabled acquisition of data from freely moving and socially active animals. A total of 12 male Sprague-Dawley rats, 3 male tree shrews and 2 common marmosets (1 male and 1 female) were investigated.
Before registrations could start modifications of the original NeuroLogger® were necessary in order to adapt the system to animals investigated in this study. Therefore, a stepwise optimization of NeuroLogger® connection on the animals’ heads was performed, as well as the development of animal-specific protection casing. This was followed by fixation and implantation of the systems (Remo 200; TA-F20 from Data Science International) and the long-term recordings during which the animals were single-housed. Data acquisition with the NeuroLogger® system was performed in 4 one-week intervals during which daily exchange of NeuroLogger® was performed (2, 3, 6 and 9 weeks post-implantation). Telemetric signals were recorded for a minimum of 9 weeks. After that, animals were group-housed and telemetric recordings were continued for another 2-3 weeks. Additional NeuroLogger®
recordings were performed on one group of 3 housed rats after 16 weeks of group-housing conditions.
Evaluation of the sleep phases (wake, non-REM and REM) followed EEG and EMG recordings. Total duration of phases in one-hour intervals, as well as the percentage, the number and the mean duration of the episodes of phases during the light phase (for rats) and
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dark phase (for tree shrews and marmosets) was analyzed. Distribution curves were generated for activity and temperature measurements. Parameters measured were compared between different time periods and with previously published studies. Housing conditions were also incorporated in the analysis for rats.
The results can be summarized as follows:
1. Modifications of the NeuroLogger® systems 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.
2. Parallel recordings of EEG, EMG and accelerometer impulses enabled the separation of sleep phases to wake, non-REM and REM.
3. 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.
4. 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.
5. Comparison of recording periods showed no evidence of an impairment of the animals and their physiological parameters by the experimental manipulation to replace the NeuroLoggers®. In marmosets, there is evidence that a longer adaptation phase could be needed.
6. 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.
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