Abstract Sleep is a critical process that is well-conserved across mammalian species, and perhaps most animals, yet its functions and underlying mechanisms remain poorly understood. Identification of genes and pathways that can influence sleep may shed new light on these functions. Genomic screens enable the detection of previously unsuspected molecular processes that influence sleep. In this study, we report results from a large-scale phenotyping study of sleep-wake parameters for a population of single-gene knockout mice. Sleep-wake parameters were measured using a high throughput, non-invasive piezoelectric system called PiezoSleep. Knockout mice generated on a C57BL6/N (B6N) background were monitored for sleep and wake parameters for five days. By analyzing data from over 6000 mice representing 343 single gene knockout lines, we identified 122 genes influencing traits like sleep duration and bout length that have not been previously implicated in sleep, including those that affect sleep only during a specific circadian phase. PiezoSleep also allows assessment of breath rates during sleep and this was integrated as a supplemental tool in identifying aberrant physiology in these knockout lines. Sex differences were evident in both normal and altered sleep behavior. Through a combination of genetic and phenotypic associations, and known QTLs for sleep, we propose a set of candidate genes playing specific roles in sleep. The high “hit rate” demonstrates that many genes can alter normal sleep behaviors through a variety of mechanisms. Further investigation of these genes may provide insight into the pathways regulating sleep, functional aspects of sleep, or indirect potentially pathological processes that alter normal sleep.

Abstract In the U.S., opioid prescription for treatment of pain nearly quadrupled from 1999 to 2014, leading to an epidemic in addiction and overdose deaths. The most common cause of opioid overdose and death is opioid-induced respiratory depression (OIRD), a life-threatening depression in respiratory rate thought to be caused by stimulation of opioid receptors in the inspiratory-generating regions of the brain. Studies in mice have revealed that variation in opiate lethality is associated with strain differences, suggesting that sensitivity to OIRD is genetically determined. We first tested the hypothesis that genetic variation in inbred strains of mice influences the innate variability in opioid-induced responses in respiratory depression, recovery time and survival time. Using the founders of the advanced, high-diversity mouse populations, the Collaborative Cross (CC) and Diversity Outbred (DO), we found substantial sex and genetic effects on respiratory sensitivity and opiate lethality. To define genetic modifiers of OIRD, we then used the high precision DO population treated with morphine to map and identify quantitative trait loci (QTL) for respiratory depression, recovery time and survival time. Trait mapping and integrative functional genomic analysis in GeneWeaver has allowed us to implicate Galnt11 , an N-acetylgalactosaminyltransferase, as a candidate gene that regulates OIRD.

Abstract The neuronal ceroid lipofuscinoses (NCLs) are a group of recessively inherited neurodegenerative diseases characterized by lysosomal storage of fluorescent materials. CLN3 disease, or juvenile Batten disease, is the most common NCL that is caused by mutations in the Ceroid Lipofuscinosis, Neuronal 3 ( CLN3 ) gene. Sleep disturbances are among the most common symptoms associated with CLN3 disease, yet this is understudied and has not been delineated in an animal model of the disease. The current study utilized a non-invasive, automated piezoelectric motion sensing system (PiezoSleep) to classify sleep and wakefulness in a Cln3 ϕ..ex 1–6 /ϕ..ex 1–6 ( Cln3 KO) mouse model and age- and sex-matched wild-type (WT) controls. The sleep-wake classification by PiezoSleep was found to be about 90% accurate when validated against simultaneous gold standard polysomnographic recordings including electroencephalography (EEG) and electromyography (EMG) in a small cohort of WT and Cln3 KO mice. Our large cohort PiezoSleep study reveals sleep abnormalities during the light period (LP) in male Cln3 KO mice compared to WT male, and more subtle differences in Cln3 KO female mice throughout the dark period (DP) compared to WT female, recapitulating sleep abnormalities seen in CLN3 disease patients. Our characterization of sleep in a mouse model of CLN3 disease contributes to a better understanding of the sleep disturbances commonly reported for CLN3 disease and other NCLs, which will facilitate the development of new disease treatment and management strategies.

To describe the process whereby the screening of racing Thoroughbreds with accelerometer-based inertial measurement unit (IMU) sensors followed by clinical evaluation and advanced imaging identified potentially catastrophic musculoskeletal injuries in 3 horses.

Background: Assessment of sleep/wake by electroencephalography (EEG) and electromyography (EMG) is invasive, resource intensive, and not amenable to rapid screening at scale for drug discovery. In the preclinical development of therapeutics for narcolepsy, efficacy tests are hindered by the lack of a non-EEG/EMG based translational test of symptom severity. The current methods study offers proof-of-principle that PiezoSleep (noninvasive, unsupervised piezoelectric monitoring of gross body movement, together with respiration patterns during behavioral quiescence), can be used to determine sleep/wake as applicable to the development of wake-promoting therapeutics. First, the translational wake-maintenance score (the ratio of time during the first half of the dark period spent in long wake bouts to short sleep bouts) was introduced as a means by which to rank narcoleptic and wild type mice by sleepiness severity. The wake-maintenance score was used in the PiezoSleep narcolepsy screen to identify the most highly symptomatic mice for resource-intensive EEG/EMG studies for further analysis of specific arousal states. Second, PiezoSleep was demonstrated for use in high-throughput screening of wake-promoting compounds using modafinil in narcoleptic and wild type mice. Results: The PiezoSleep narcolepsy screen revealed a 15-fold difference in wake-maintenance scores between wild type mice and the most severely affected narcoleptic mice. Follow-up EEG/EMG study indicated 82% of the narcoleptic mice with the lowest wake-maintenance scores met or exceeded the cataplexy-occurrence threshold (≥ 3 bouts) for inclusion in therapeutic efficacy studies. In the PiezoSleep dose-response study, the ED50 for wake-promotion by modafinil was approximately 50 mg/kg in both genotypes. Using unsupervised piezoelectric monitoring, the efficacy of wake-promoting compounds can be determined in a 5-arm study with 60 mice in less than one week--a fraction of the time compared to EEG/EMG studies. Conclusions: PiezoSleep offers rapid, scalable assessment of sleep/wake for high-throughput screening in drug discovery.

The objective was to determine the effects of sleep or lying deprivation on the behavior of dairy cows. Data were collected from 8 multi- and 4 primiparous cows (DIM = 199 ± 44 (mean ± SD); days pregnant = 77 ± 30). Using a crossover design, each cow experienced: 1) sleep deprivation implemented by noise or physical contact when their posture suggested sleep, and 2) lying deprivation imposed by a grid placed on the pen floor. One day before treatment (baseline), and treatment day (treatment) were followed by a 12-d washout period. Study days were organized from 2100 to 2059. During habituation (d -3 and -2 before treatment), baseline (d -1), and trt (d 0), housing was individual boxstalls (mattress with no bedding). After treatment, cows returned to sand-bedded freestalls for a 7-d recovery period (d 1 to 7) where data on lying behaviors were collected. Daily lying time, number lying bouts, bout duration, and number of steps were recorded by dataloggers attached to the hind leg of cows throughout the study period. Data were analyzed using a mixed model in SAS including fixed effects of treatment (sleep deprivation vs. sleep and lying deprivation), day, and their interaction with significant main effects separated using a PDIFF statement (P ≤ 0.05). Interactions between treatment and day were detected for daily lying time and the number of bouts. Lying time was lower for both treatments during the treatment period compared to baseline. Lying time increased during the recovery period for both lying and sleep deprived cows. However, it took 4 d for the lying deprived cows to fully recover their lying time after treatment, whereas it took the sleep deprived cows 2 d for their lying time to return to baseline levels. Results suggest that both sleep and lying deprivation can have impact cow behavior. Management factors that limit freestall access likely reduce lying time and sleep, causing negative welfare implications for dairy cows.

The role of the microbiome in health and disease involves complex networks of host genetics, genomics, microbes and environment. Identifying the mechanisms of these interactions has remained challenging. Systems genetics in the laboratory mouse enables data-driven discovery of network components and mechanisms of host-microbial interactions underlying multiple disease phenotypes. To examine the interplay among the whole host genome, transcriptome and microbiome, we mapped quantitative trait loci and correlated the abundance of cecal mRNA, luminal microflora, physiology and behavior in incipient strains of the highly diverse Collaborative Cross mouse population. The relationships that are extracted can be tested experimentally to ascribe causality among host and microbe in behavior and physiology, providing insight into disease. Application of this strategy in the Collaborative Cross population revealed experimentally validated mechanisms of microbial involvement in models of autism, inflammatory bowel disease and sleep disorder.