Avian sleep homeostasis [Elektronische Ressource] : electrophysiological, molecular and evolutionary approaches / John A. Lesku

John Lesku

Sujets

• Biologie

Informations

• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 36
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

 
 
 
 
 
 
 
Avian Sleep Homeostasis: 
Electrophysiological, Molecular and Evolutionary Approaches 
 
John A. Lesku 
 
 
 
 
 
Dissertation 
an der Fakultät für Biologie 
der Ludwig‐Maximilians‐Universität München 
angefertigt am 
Max‐Planck‐Institut für Ornithologie in Seewiesen 
 
 
 
 
 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Erstgutachter: Prof. Dr. Manfred Gahr 
Zweitgutachter: Prof. Dr. Christian Leibold 
Mündlichen Prüfung am 27 April 2011 3 
 
TTaabbllee  ooff  CCoonntteennttss 
Summary ......................................................................................................................................... 5 
General Introduction ...................................................................................................................... 6 
 
Chapter 1 – Sleep and Sleep States: Evolution and Ontogeny ..................................................... 24 
Chapter 2 – Ostriches Sleep Like Platypuses ................................................................................ 53 
Chapter 3 – Increased EEG Spectral Power Density during Sleep Following                              
Short‐term Sleep Deprivation in Pigeons (Columba livia):                                  
Evidence for Avian Sleep Homeostasis ..................................................................... 78 
Chapter 4 – Local Sleep Homeostasis in the Avian Brain:                                                  
Convergence of Sleep Function in Mammals and Birds? ........................................ 111 
Chapter 5 – Molecular Correlates of Local Sleep in the Pigeon (Columba livia) ........................ 144 
 
General Discussion ...................................................................................................................... 159 
General Acknowledgements ....................................................................................................... 177 
Addresses of Co‐authors ............................................................................................................. 178 
Author Contributions .................................................................................................................. 179 
Curriculum Vitae ......................................................................................................................... 181 
   4 
 
    5 
 
SSuummmmaarryy  
The function of slow wave sleep (SWS) and rapid eye movement (REM) sleep in mammals is an 
unanswered question in neuroscience.  Aside from mammals, only birds engage in these states.  
Because birds independently evolved SWS and REM sleep, the study of sleeping birds may help 
identify shared traits related to the function of these states.  Throughout this dissertation, we 
apply such a bird’s perspective to the sleeping brain.  We begin with a review on knowledge 
gained through the study of sleep in animals (Chapter 1).  Next, we present results from the 
first electrophysiological study of sleep in the most basal group of living birds by studying 
ostriches (Chapter 2).  Although ostriches engage in unequivocal SWS, their REM sleep 
electrophysiology is unique and resembles features of REM sleep present only in basal 
mammals.  Thus, the evolution REM sleep may have followed a recurring sequence of steps in 
mammals and birds.  The remaining chapters deal with the regulation of sleep (or sleep 
homeostasis).  Sleep homeostasis refers to an increase in the intensity of sleep (typically 
quantified as slow wave activity, SWA) following an extended period of wakefulness.  Although 
such a response has long been known to occur in mammals, it has been unclear whether birds 
are capable of similar changes in SWA following sleep loss.  We provide the first experimental 
evidence for a mammalian‐like increase in SWA following enforced wakefulness in birds 
(Chapter 3).  In mammals, SWA increases locally in brain regions used more during prior 
wakefulness.  To see if SWS is regulated locally in birds, we stimulated one part of the pigeon 
brain during enforced wakefulness and observed a local increase in SWA during subsequent 
sleep (Chapter 4).  Brain regions not stimulated asymmetrically during wakefulness showed a 
symmetric increase in SWA.  These patterns of a/symmetry may reflect changes in the strength 
of synapses, as they do in mammals, because they are mirrored by changes in the slope of slow 
waves during SWS – a purported marker of synaptic strength.  Lastly, we investigate whether 
local increases in SWA in birds are mediated by similar molecular mechanisms to those of 
mammals (Chapter 5).  Surprisingly, mRNA levels of such proteins did not respond to unilateral 
visual stimulation during enforced wakefulness in the manner predicted based on work derived 
from mammals, but further study is needed to resolve the meaning of this difference.  Overall, 
this dissertation presents several novel findings on the evolution and regulation of avian sleep. 6 
 
GGeenneerraall  IInnttrroodduuccttiioonn  
The function of sleep is unknown, but not for lack of study (Stickgold 2005, Tononi and Cirelli 
2006, Krueger et al. 2008, Rector et al. 2009, Diekelmann and Born 2010).  Most research aimed 
at answering this question focuses on mammals, and has yielded a wealth of information on 
changes in brain act