Sleep-wake dynamics and EEG in a rat model of Prolonged Photoperiod

Abstract

Light exerts a strong influence on our physiology and behavior. It has been suggested that blue-enriched light promotes alertness in both humans and rodents through signaling via intrinsic photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs). The aims of this study were 1) to validate a semi-automatic sleep scoring algorithm in rats, and 2) to use the algorithm to characterize the long-term effects of prolonged photoperiod on sleep-wake dynamics, sleep consolidation, electrophysiological changes, and homeostatic sleep regulation in rats. Rats (n=6/group) were housed in 12:12 LD cycle for baseline, 7 days of exposure to prolonged photoperiod 20:4 LD in either white or blue-enriched light, followed by 7 days recovery in 12:12 LD. Sleep (electroencephalography and electromyography) was recorded continuously by means of telemetry. Results from the validation of a semi-automatic sleep scoring algorithm showed that the algorithm performed with a substantial agreement compared to a gold standard manually scored. Rats exposed to seven days of prolonged photoperiod in white light spent more time asleep (total sleep, and slow-wave sleep (SWS)), showed stronger sleep consolidation (more SWS and REM sleep bouts), and spent less time awake. In contrast, prolonged blue-enriched light exposure did not exert any changes in sleep-wake dynamics. However, a suppressing effect on beta activity in quiet wakefulness was evident during blue-enriched light exposure, an effect that lasted throughout the entire recovery period. Exposure to prolonged photoperiod exerted minor effects on the homeostatic regulation of sleep. Overall, exposure to prolonged photoperiod induced changes in sleep and wakefulness and results point towards an alerting effect of blue-enriched light that persisted for at least one week in normal light conditions.

Lys har en sterk innflytelse på vår fysiologi og atferd. Det har blitt foreslått at blå-beriket lys fremmer årvåkenhet, både hos mennesker og hos rotter via signaloverføring fra fotosensitive ganglionceller i retina («ipRGCs»). Hensiktene med denne studien var 1) å validere en semi-automatisk søvnskåringsalgoritme hos rotter, og 2) å bruke algoritmen til å karakterisere de langvarige effektene av forlenget fotoperiode på søvn-våkenhetsdynamikker, søvnkonsolidering, elektrofysiologiske endringer og homeostatisk søvnregulering hos rotter. Rottene (n=6/gruppe) ble oppstallet i en 12:12 lys-mørke (LD) syklus i baseline, etterfulgt av syv dager med eksponering for forlenget fotoperiode 20:4 LD i enten hvitt eller blå-beriket lys, etterfulgt av syv dager i gjenhenting i 12:12 LD. Søvn (elektroencefalografi og elektromyografi) ble målt kontinuerlig med telemetri. Resultater fra valideringen av den semi-automatiske søvnskåringsalgoritmen viste at algoritmen utviste betydelig grad av overensstemmelse med gull-standarden manuell skåring. Rotter som ble eksponert for syv dager forlenget fotoperiode i hvitt lys tilbragte mer tid i søvn (mer total søvn og ‘slow-wave’-søvn (SWS)), viste sterkere søvnkonsolidering (flere SWS- og ‘rapid eye movement’(REM)-søvnepisoder) og tilbragte mindre tid i våkenhet. Blå-beriket lyseksponering induserte ingen endringer i søvn-våkenhetsdynamikker. Dog ble det observert en undertrykkelse av beta-aktivitet under avslappet våkenhet etter blå-beriket lys, og effekten vedvarte ut gjenhentingsperioden. Eksponering til forlenget fotoperiode hadde svært få effekter på den homeostatiske reguleringen av søvn. Oppsummert induserte forlenget fotoperiode endringer i søvn og våkenhet og resultatene peker mot en aktiverende effekt av blå-beriket lys som vedvarte i minst én uke under normale lysbetingelser.