Sleep deprivation: Effect on sleep stages and EEG power density in manPrivation de sommeil: effets sur les stades de sommeil et la densité de puissance électroencéphalographique chez l'Homme

https://doi.org/10.1016/0013-4694(81)90225-XGet rights and content

Abstract

Sleep was analysed in 8 young adult subjects during two baseline nights and two recovery nights following 40.5 h sleep deprivation. Sleep stages were scored from the polygraph records according to conventional criteria. In addition, the EEG records of the entire nights were subjected to spectral analysis to compute the frequency distribution of the power density in the 0.25–25 Hz range for 0.5 Hz or 1.0 Hz bins. In the first recovery night, the power density in the delta band was significantly higher than baseline for total sleep time as well as for sleep stages 2, 3 and 4, 4 and REM. These changes were not restricted to the delta band, but extended to higher frequency bands. Minor, but significant, effects of sleep deprivation were seen in the power density distribution of the second recovery night. In the baseline nights, a progressive reduction of power density in the delta/theta range was present for successive non-REM-REM sleep cycles for total sleep time and stages 2, 3 and 4, and 4. The results show that effects of sleep deprivation as well as trends within the sleep periods are readily apparent from spectral analysis, but are inadequately reflected by conventional sleep scoring. When the power density values were integrated over the entire frequency range (0.75–25 Hz) for each non-REM-REM sleep cycle, an exponential decline from cycle 1 to cycle 3 was suggested. The present findings support the hypothesis that the EEG power density in the low frequency range is an indicator of a progressively declining process during sleep whose initial value is determined by the duration of prior waking.

Résumé

Le sommeil de 8 jeunes adultes a été enregistré pendant 2 nuits de base et 2 nuits de b récupération après une privation de sommeil de 40,5 h. Les stades de sommeil furent identifiés selon des critères conventionnels sur la base d'enregistrements polygraphiques. En plus, l'EEG fut soumis à l'analyse spectrale pour obtenir la distribution de fréquence (0.25–25 Hz en bins de 0.5 Hz ou 1.0 Hz) de la densité de puissance. Pendant la première nuit de récuperation la densité de puissance de la bande delta était significativement supérieure à celle des nuits de base pour le temps de sommeil total ainsi que pour les stades 2, 3 et 4, 4 et REM. Ces effets ne s'obervaient pas seulement pour la bande delta, mais étaient également présents dans des bandes de fréquences plus élevées. La distribution de la densité de puissance montrait des changements mineurs, mais significatifs, dans la deuxième nuit de récupération. Pendant les nuits de base, une réduction progressive de la densité de puissance dans la bande delta/thêta s'observait pour les cycles non-REM-REM successifs pour le temps de sommeil total ainsi que pour les stades 2, 3 et 4, et 4. Ces résultats montrent que les effets de la privation de sommeil ainsi que des tendances dans les périodes de sommeil sont mis en évidences par l'analyse spectrale, mais ne sont apparents qu'en partie dans la distribution des stades de sommeil. Après l'intégration des valeurs de densité de puissance sur la gamme de fréquence entière (0.75–25.0 Hz) pour chaque cycle non-REM-REM une décroissance exponentielle s'observait entre cycle 1 et cycle 3. Les résultats sont compatibles avec l'hypothèse que la densité de puissance de l'EEG dans les bandes de fréquences basses est un indicateur d'un processus de sommeil qui décroit progressivement et dont la valeur initiale est déterminée par la durée de l'éveil précédent.

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    Supported by the Swiss National Science Foundation, Grants No. 3.254-0.77, 3.561-0.79 and 3.522-0.79 and Stiftung für wissenschaftliche Forschung an der Universität Zürich.

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    The help of the following persons is gratefully acknowledged: Ms M. Leopfe (data analysis and supervision of experiments), Ms M. Eglin and Mr. A. Wöhrle (supervision of experiments), Dr. I. Tobler (comments on the manuscript), Ms K. Schwarz (illustrations) and Ms R. Steiger (typing).

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