Μελέτη εγκεφαλογραφικών ρυθμών ως συμβολή στη φυσιολογία του ύπνου και την παθοφυσιολογία επιληπτικών συνδρόμων

Abstract

The study of sleep EEG rhythms can provide information on the underlying neurophysiological mechanisms that control and organize normal sleep. The thalamocortical circuit and the reticular activating system are two neural circuits with central role in this function. These systems are involved in the pathophysiology of epilepsy, for example in the genesis of spike-wave complexes from the mechanisms producing sleep spindles, as well as the temporal relationship between epileptic phenomena and periods of arousal fluctuations.In the first part of the thesis a tool for the clustering of similar EEG periods based on the spectral contents as provided by time-frequency analysis was developed. This tool facilitates the analysis of sleep architecture. As an application example, hypnograms of 10 normal sleep recordings based on standard scoring and based on scoring derived from matching sleep stages with groups identified by the clustering algorithm were compared. The algorithm is able to identify the different sleep stage and the two methods are in very good agreement based on kappa coefficient (0,61).In the second part of the thesis a methodology of analysis of interactions between EEG elements is presented. This is based on time-frequency analysis and allows the estimation of statistical significance of the changes of brain rhythms that emerge around an EEG element. This method was used on the analysis of long-term interaction between K complexes and sleep spindles, which was based on older observations on studies of micro-fluctuations on the level of arousal following evoked K complexes. Analysis on 2401 EEG elements was performed, where a short-term reduction of sleep spindle activity was shown, 2 – 3 s following K complexes, which was attributed on sleep spindle periodicity. No statistically significant long term reduction on the period 10 – 15 s following spontaneous K complexes was found. Based on these results, it seems that single spontaneous K complexes that do not lead to microarousals do not have long-term effects on the level of arousal.Finally, the variability of fast sleep spindle topography was examined, using amplitude analysis of the first, middle and last peak. In 722 sleep spindles from 6 subjects, groups of spindles with significant difference from the mean topography were found. Differences between peaks show movements that, although usually following a parietal to centrofrontal direction, include groups of spindles with movements in both left – right axis and frontal to posterior directions. This variability may be related to the concept of local spindles that are reported on intracranial and MEG recordings, as well as the attributes of “core” and “matrix” thalamocortical circuits.The three analysis techniques which were developed can be used for the study of sleep rhythms fluctuations both on a macro- and a micro- architectural level, providing insights on the function of arousal systems. The identification of topographical patterns can be used to study synchronization and function of underlying neural circuits, like the thalamocortical system during the creation spindles during sleep and spike-wave discharges during absence epilepsy.

Η μελέτη των εγκεφαλογραφικών ρυθμών του ύπνου μπορεί να δώσει πληροφορίες για τους υποκείμενους νευροφυσιολογικούς μηχανισμούς που ελέγχουν και οργανώνουν τον φυσιολογικό ύπνο. Το θαλαμοφλοιικό κύκλωμα και τα συστήματα εγρήγορσης του δικτυωτού σχηματισμού είναι δυο νευρικά κυκλώματα με κεντρικό ρόλο σε αυτή τη λειτουργία. Τα συστήματα αυτά εμπλέκονται στην παθοφυσιολογία της επιληψίας, με χαρακτηριστικό παράδειγμα τη γένεση των συμπλεγμάτων αιχμής-κύματος από τους μηχανισμούς παραγωγής των ατράκτων του ύπνου, καθώς και τη χρονική σχέση των επιληπτικών φαινομένων με περιόδους μεταβολών της εγρήγορσης.Στο πρώτο τμήμα της διατριβής αναπτύχθηκε ένα εργαλείο για την ομαδοποίηση παρόμοιων περιόδων του εγκεφαλογραφήματος με βάση το φασματικό περιεχόμενο όπως προκύπτει από την ανάλυση χρόνου-συχνοτήτων. Με το εργαλείο αυτό γίνεται ευκολότερη η ανάλυση της αρχιτεκτονικής του ύπνου. Ως παράδειγμα εφαρμογής, έγινε σύγκριση των υπνογραμμάτων από 10 φυσιολογικούς ύπνους με βάση την κλασσική σταδιοποίηση και με βάση τη σταδιοποίηση που προκύπτει από την αντιστοίχιση των σταδίων με τις ομάδες που αναγνωρίζει ο αλγόριθμος συσταδοποίησης. Ο αλγόριθμος είναι σε θέση να αναγνωρίσει τα διαφορετικά στάδια του ύπνου και οι δυο μέθοδοι παρουσιάζουν πολύ καλή συμφωνία μεταξύ τους με βάση τον συντελεστή κάππα (0,61).Στο δεύτερο τμήμα της διατριβής παρουσιάζεται μια μεθοδολογία ανάλυσης της αλληλεπίδρασης στοιχείων του εγκεφαλογραφήματος με βάση την μελέτη χρόνου-συχνοτήτων που επιτρέπει την εκτίμηση της στατιστικής σημαντικότητας των μεταβολών των ρυθμών που προκύπτουν γύρω από ένα εγκεφαλογραφικό συμβάν. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση της μακροπρόθεσμης αλληλεπίδρασης συμπλεγμάτων Κ και ατράκτων του ύπνου, που στηρίχθηκε πάνω σε παλαιότερες παρατηρήσεις από μελέτες μικρο-μεταβολών του επιπέδου εγρήγορσης μετά από προκλητά συμπλέγματα Κ. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση σε 2401 εγκεφαλογραφικά συμβάντα, όπου αναδείχθηκε μια βραχυπρόθεσμη μείωση της δραστηριότητας των ατράκτων 2 – 3 s μετά από συμπλέγματα Κ η οποία αποδόθηκε στην περιοδικότητα των ατράκτων, ενώ δεν αναδείχθηκε στατιστικά σημαντική μακροπρόθεσμη μεταβολή στο διάστημα 10 – 15 s μετά τα αυθόρμητα συμπλέγματα Κ. Με βάση αυτά τα αποτελέσματα φαίνεται ότι τα μονήρη αυθόρμητα συμπλέγματα Κ που δεν οδηγούν σε μικροαφύπνιση δεν έχουν μακροπρόθεσμη επίδραση στο επίπεδο εγρήγορσης.Τέλος, μελετήθηκε η ποικιλομορφία της τοπογραφίας των γρήγορων ατράκτων με ανάλυση του δυναμικού της πρώτης, της μεσαίας και της τελευταίας κορυφής. Σε 722 ατράκτους από 6 υποκείμενα διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν ομάδες ατράκτων που διαφέρουν σημαντικά από το μέσο όρο. Οι διαφορές μεταξύ των τριών κορυφών αναδεικνύουν μετακινήσεις που αν και συνήθως ακολουθούν μια κατεύθυνση από βρεγματικά προς κεντρικά-μετωπιαία, περιλαμβάνουν ομάδες ατράκτων με μετακινήσεις τόσο στον άξονα αριστερά – δεξιά, όσο και από μπροστά προς τα πίσω. Η ποικιλομορφία αυτή μπορεί να σχετίζεται με την έννοια των τοπικών ατράκτων που έχουν αναφερθεί σε ενδοκράνιες καταγραφές και μαγνητοεγκεφαλογραφήματα, καθώς και με τις ιδιότητες των “core” και “matrix” θαλαμοφλοιικών κυκλωμάτων.Οι τρεις τεχνικές ανάλυσης που αναπτύχθηκαν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη των μεταβολών στους ρυθμούς του ύπνου τόσο σε επίπεδο μάκρο- όσο και μίκρο-αρχιτεκτονικής, παρέχοντας πληροφορίες για τη λειτουργία των συστημάτων εγρήγορσης. Με την αναγνώριση τοπογραφικών προτύπων μπορεί να μελετηθεί ο συγχρονισμός και η λειτουργία των υποκείμενων νευρικών κυκλωμάτων, όπως το θαλαμοφλοιικό σύστημα κατά την δημιουργία ατράκτων στον ύπνο και συμπλεγμάτων αιχμής-κύματος στην αφαιρετική επιληψία.