Αλληλεπίδραση ηλεκτρικών ρυθμών και κυμάτων του εγκεφάλου κατά το δεύτερο στάδιο του φυσιολογικού άνευ ταχέων οφθαλμικών κινήσεων ύπνου στον άνθρωπο

Abstract

The K-complex and the sleep spindle are the most distinctive electroencephalographic features of the the second stage of NREM human sleep. This study was performed in order to investigate the potential relations between these phenomena that make their appearance in the second stage of NREM sleep, at the same time aiming in answering questions regarding their physiological role. Ten healthy individuals participated in this study, during which the whole-night sleep electroencephalogram was derived. The features of interest were identified, selected and marked in order to undergo event-related analysis, empowered by time-frequency analysis and 2-dimentional topography in electrode space. This study led to the following conclusions regarding the main electroencephalographic features of the second stage of NREM human sleep. Fast sleep spindles, during the course of which a K-complex happens to appear, interrupt their oscillation. The spindles that appear with high probability after the K-complex have higher frequency of oscillation from both the interrupted ones as well as form the sporadic, non-cprrelated to the K-complex, spindles. This increment in frequency tends towards a maximum oscillation frequency and is not dependent in any of the electroencephalographically recorded features of the K-complex. Respectively, the interruption of the oscillation of the pre-K-complex spindles cannot be credited to the K-complex with certainty. During the course of the K-complex a rhythmic activity of the upper theta band appears with high probability. This activity is independent from the K-complex as, in majority, it exhibits a antero-posterior profile of displacement when the slow wave of the K-complex has a frontal localization. This high-theta rhythm, the more oscillation peaks it achieves during the K-complex, the more it tends to enter the alpha band, from which, in majority, it returns to the initial frequency levels during the last oscillation; a spectral breaking profile that, in the absence of other visually evaluated elements, we credit to the late action of the K-complex. This study showed that: a) the K-complex and the sleep spindle are sleep-promoting elements of the cortex and the thalamus, respectively, that represent independent but cooperative processes that aim in preserving the continuity of sleep, and b) that the interactions of the K-complex with the rhythms around it reveal the existence of an even briefer dynamic process of the micro-architecture of sleep. At the same time, this study led to the development of a novel tool for concurrent visualization of the macro-architecture and the micro-architecture of sleep: the hypnospectrogram, the time-frequency plot of the whole-night sleep electroencephalogram.

Το σύμπλεγμα-Κ και η άτρακτος είναι από τα χαρακτηριστικότερα ηλεκτροεγκεφαλογραφικά στοιχεία του δευτέρου άνευ ταχέων οφθαλμικών κινήσεων (NREM) σταδίου του ύπνου στον άνθρωπο. Η παρούσα μελέτη διεξήχθη με σκοπό να διερευνήσει πιθανές σχέσεις μεταξύ των φαινομένων αυτών που εμφανίζονται κατά το δεύτερο στάδιο του NREM ύπνου, με ταυτόχρονη φιλοδοξία να απαντήσει σε ερωτήματα σχετικά με τον λειτουργικό ρόλο αυτών. Δέκα υγιή υποκείμενα έλαβαν μέρος στην μελέτη, κατά την οποία ελήφθη το ολονύχτιο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα του ύπνου τους. Τα φαινόμενα ενδιαφέροντος αναγνωρίστηκαν, επιλέχθησαν και σημειώθηκαν προκειμένου να υποβληθούν σε συμβαντο-σχετιζόμενη ανάλυση, η οποία ενισχύθηκε από την εφαρμογή ανάλυσης χρόνου-συχνοτήτων καθώς και διδιάστατης τοπογραφικής απεικόνισης στον χώρο των ηλεκτροδίων. Η παρούσα μελέτη οδήγησε στα παρακάτω ευρήματα σχετικά με τα κύρια ηλεκτροεγκεφαλογραφικά στοιχεία του δευτέρου NREM σταδίου του ανθρώπινου ύπνου. Ταχείες άτρακτοι στην πορεία των οποίων τυγχάνει να εμφανιστεί σύμπλεγμα-Κ διακόπτουν την ταλάντωσή τους. Άτρακτοι οι οποίες με μεγάλη πιθανότητα εμφανίζονται μετά την πάροδο του συμπλέγματος-Κ έχουν υψηλότερη συχνότητα ταλάντωσης τόσο από εκείνες που διεκόπησαν όσο και από τις σποραδικές, μη-συσχετισμένες με σύμπλεγμα-Κ, ατράκτους. Η εν λόγω αύξηση στην συχνότητα τείνει προς μια μέγιστη συχνότητα ταλάντωσης και δεν εξαρτάται από κάποιο από τα ηλεκτροεγκεφαλογραφικά καταγραφόμενα χαρακτηριστικά του συμπλέγματος-Κ. Αντίστοιχα, και η διακοπή της ταλάντωσης των ατράκτων προ του συμπλέγματος-Κ δεν μπορεί με βεβαιότητα να αποδωθεί στο σύμπλεγμα-Κ. Εντός του συμπλέγματος-Κ εμφανίζεται με μεγάλη πιθανότητα ρυθμική δραστηριότητα στο άνω όριο της θήτα ζώνης συχνοτήτων. Η δραστηριότητα αυτή είναι ανεξάρτητη του συμπλέγματος-Κ, καθώς εμφανίζει κατά πλειονότητα πρόσθιο-οπίσθιο προφίλ διάδοσης όταν το αργό κύμα του συμπλέγματος-Κ έχει μετωπιαία εντόπιση. Ο υψηλός θήτα ρυθμός αυτός, όσο περισσότερες ταλαντώσεις επιτυγχάνει εντός του συμπλέγματος-Κ τόσο περισσότερο τείνει να εισέλθει συχνοτικά στην άλφα ζώνη συχνοτήτων, από την οποία κατά πλειονότητα επανέρχεται στα αρχικά συχνοτικά επίπεδα κατά την τελευταία ταλάντωση· μια φασματική επαναφορά προτύπου πέδησης, την οποία ελλείψει άλλων οπτικά αξιολογήσιμων στοιχείων αποδίδουμε στην ύστερη δράση του συμπλέγματος-Κ. Η μελέτη αυτή έδειξε: α) ότι το σύμπλεγμα-Κ και οι άτρακτοι αποτελούν υπναγωγικά στοιχεία του φλοιού και του θαλάμου αντίστοιχα, τα οποία αντικατοπτρίζουν ανεξάρτητες αλλά συνεργές διαδικασίες που σκοπό έχουν να διατηρήσουν την συνέχεια του ύπνου, και β) ότι οι αλληλεπιδράσεις του συμπλέγματος-Κ με τους περί αυτό ρυθμούς υποδεικνύουν την ύπαρξη μιας ακόμη πιο βραχύχρονης δυναμικής διεργασίας στην μικρο-αρχιτεκτονική του ύπνου. Παράλληλα η μελέτη οδήγησε στην ανάπτυξη ενός νέου εργαλείου ταυτόχρονης απεικόνισης της μακρο-αρχιτεκτονικής και της μικρο-αρχιτεκτονικής του ύπνου: του υπνοφασματογράμματος, του διαγράμματος χρόνου-συχνοτήτων του ολονύχτιου ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος ύπνου.