Cellular Mechanisms of Sleep Homeostasis : Studies on Brain Energy Metabolism and Aging

Abstract

Sleep is governed by a homeostatic process in which the duration and quality of previous wake regulate the subsequent sleep. Active wakefulness is characterized with high frequency cortical oscillations and depends on stimulating influence of the arousal systems, such as the cholinergic basal forebrain (BF), while cessation of the activity in the arousal systems is required for slow wave sleep (SWS) to occur. The site-specific accumulation of adenosine (a by-product of ATP breakdown) in the BF during prolonged waking /sleep deprivation (SD) is known to induce sleep, thus coupling energy demand to sleep promotion. The adenosine release in the BF is accompanied with increases in extracellular lactate and nitric oxide (NO) levels. This thesis was aimed at further understanding the cellular processes by which the BF is involved in sleep-wake regulation and how these processes are affected by aging. The BF function was studied simultaneously at three levels of organization: 1) locally at a cellular level by measuring energy metabolites 2) globally at a cortical level (the out-put area of the BF) by measuring EEG oscillations and 3) at a behavioral level by studying changes in vigilance states.

Study I showed that wake-promoting BF activation, particularly with glutamate receptor agonist N-methyl-D-aspatate (NMDA), increased extracellular adenosine and lactate levels and led to a homeostatic increase in the subsequent sleep. Blocking NMDA activation during SD reduced the high frequency (HF) EEG theta (7-9 Hz) power and attenuated the subsequent sleep. In aging, activation of the BF during SD or experimentally with NMDA (studies III, IV), did not induce lactate or adenosine release and the increases in the HF EEG theta power during SD and SWS during the subsequent sleep were attenuated as compared to the young. These findings implicate that increased or continuous BF activity is important for active wake maintenance during SD as well as for the generation of homeostatic sleep pressure, and that in aging these mechanisms are impaired.

Study II found that induction of the inducible NO synthase (iNOS) during SD is accompanied with activation of the AMP-activated protein kinase (AMPK) in the BF. Because decreased cellular energy charge is the most common cause for AMPK activation, this finding implicates that the BF is selectively sensitive to the metabolic demands of SD as increases were not found in the cortex. In aging (study III), iNOS expression and extracellular levels of NO and adenosine were not significantly increased during SD in the BF. Furthermore, infusion of NO donor into the BF did not lead to sleep promotion as it did in the young. These findings indicated that the NO (and adenosine) mediated sleep induction is impaired in aging and that it could at least partly be due to the reduced sensitivity of the BF to sleep-inducing factors. Taken together, these findings show that reduced sleep promotion by the BF contributes to the attenuated homeostatic sleep response in aging.

Unen homeostaattinen säätely tarkoittaa sitä että valveen pituus ja laatu vaikuttavat unen määrään ja syvyyteen, ja että pitkittynyttä valvetta seuraa aina palautumisuni, joka on normaalia unta syvempi ja pidempi. Väitöskirjassa tutkittiin unen homeostaattisen säätelyn solutason mekanismeja ja niiden muuttumista ikääntyessä. Erityisesti tutkittiin miten solujen energia-aineenvaihdunta etuaivojen pohjaosan alueella (engl. basal forebrain, BF) vaikuttaa unen ja valveen säätelyyn.

BF alueen toimintaa tutkittiin: 1) paikallisesti mittaamalla energia-aineenvaihduntatuotteita BF alueelta, 2) aivokuoren toiminnan tasolla rekisteröimällä aivosähkökäyrää ja 3) käyttäytymisen tasolla mittaamalla valveen ja unen määrää ja laatua. Ennalta tiedettiin, että adenosiinin, laktaatin ja typpioksidin (NO) solunulkoiset pitoisuudet lisääntyvät BF alueella pitkittyneen valveen aikana ja että adenosiini ja NO ovat unta aiheuttavia homeostaattisia tekijöitä. Laktaattipitoisuuden kasvu taas liittyy hermosolujen lisääntyneeseen toimintaan ja siitä johtuvaan kasvaneeseen energiantarpeeseen

Ensimmäisessä osatyössä havaittiin että adenosiinin ja laktaatin pitoisuudet kasvoivat nuorilla ainoastaan sellaisen valveen aikana, jossa myös nopeataajuinen aivosähkökäyrässä nähtävä theta-aktiivisuus kasvoi. Tällaista aktiivista valvetta seurasi aina palautumisuni. Kun BF alueen hermosolujen aktiivisuutta vähennettiin kokeellisesti, valveen theta-aktiivisuus väheni ja palautumisunta oli vähemmän. Pääteltiin, että pitkittyneen valveen aikana BF alueen aktiivisuutta tarvitaan erityisesti aktiivisen valveen ylläpidossa ja että samanaikaisesti tämä aktiivisuus lisää homeostaattista unipainetta.

Toisessa osatyössä havaittiin että, pitkittynyt valve aktivoi BF alueella AMP-sta aktivoituvan proteiinikinaasin: AMPK:n. Aktivaatiota ei havaittu lainkaan aivokuorella. Koska yleisin syy AMPK:n aktivoitumiselle on solujen energiavaje, pääteltiin, että BF on herkempi pitkittyneen valveen aiheuttamalle energiankulutukselle kuin aivokuori.

Osatöissä kolme ja neljä havaittiin, että ikääntyminen vähensi sekä solunulkoisten metaboliittien (adenosiini, laktaatti, NO) kertymistä BF alueelle että nopeataajuisten theta-aaltojen esiintymistä pitkittyneen valveen aikana. Palautumisuni oli ikääntyneillä vähentynyt. Päinvastoin kuin nuorilla, BF alueelle kokeellisesti lisätty NO ei lisännyt unta eikä BF alueen kokeellinen hermosoluaktivaatio lisännyt solunulkoista laktaattipitoisuutta, eikä kasvattanut theta-aktivaatiota tai aiheuttanut palautumisunta. Pääteltiin, että ikääntyessä BF alueen kyky ylläpitää aktiivista valvetta on heikentynyt. Tästä seuraa, että unta aiheuttavia tekijöitä kertyy valveen aikana vähemmän kuin nuorilla mikä voi osittain selittää miksi vanhuksilla on vähemmän palautumisunta. Myös BF alueen vähentynyt herkkyys unitekijöille voi selittää miksi unen homeostaattinen säätely heikentyy ikääntyneillä.