Power spectral analysis of EEG characteristics during sleep in epileptics.

Summary: Power spectral analysis of spontaneous EEG activity recorded during non-rapid eye movement (REM) sleep was employed in an effort to identify characteristic EEG substrate abnormalities in epileptics. All-night polygraphic recordings were obtained from 10 poorly controlled subjects with mixed and generalized seizures. Similar data were obtained from 10 matched nonepileptic subjects. Continuous 10 min samples of non-REM sleep were identified at the beginning and end of these all-night recordings. EEG activity recorded during these periods from left sensorimotor and parieto-occipital bipolar leads was digitized, subjected to the fast Fourier transform, and then sorted into successive 4 Hz frequency bands between 0 and 23 Hz. Mean spectral density was determined for each frequency band from both samples in both groups. Comparison of these values disclosed both similarities and differences between the two groups. All subjects showed a significant “time-of-night effect,” with power at 0–3, 4–7, and 8–11 Hz greater at the beginning of the night. This finding was related to a similar observation in developing infants and attributed to a circadian influence on neuronal generators. In group comparisons, epileptics showed selective differences in common when compared with nonepileptics. These differences were reduced when data from a small group of unmedicated epileptic subjects were partialled out. Medicated epileptics showed differences restricted to the early morning non-REM sleep sample, which included significantly greater power at 4–7 Hz and significantly lower power at 12–15 Hz. Unmedicated subjects showed these differences in both samples and also showed significantly greater power in the 0–3 Hz band. It was suggested that anticonvulsant medications may exert a general normalizing influence on EEG characteristics during sleep, particularly at the beginning of the night in proximity to their administration. The documentation of significant EEG deviations restricted to two basic rhythmic patterns during sleep suggests a disturbance of underlying thalamocortical mechanisms. RESUME L'analyse du spectre de puissance de l'activite EEG spontanee enregistree au cours du sommeil, en dehors des phases REM, a ete utilisee pour tenter d'identifier chez des epileptiques l'existence d'anomalies EEG sous-jacentes caracteristiques. Des en-registrements polygraphiques du sommeil de nuit ont ete effectues chez 10 sujets souffrant de crises gen-eralisees et mixtes mal controlees ainsi que chez 10 sujets controle non epileptiques. Des fragments d'enregistrement de sommeil non-REM d'une duree de 10 minutes ont ete choisis au debut et a la fin de ces enregistrements d'une nuit entiere. L'activite EEG enregistree durant ces periodes, a partir de derivations bipolaires au niveau des regions sensori-motrices et parieto-occipitale gauches, a ete mise en binaire, soumise au FFT et classee ensuite en bandes de frquences successives de 4 c/sec chacune entre 0 et 23 c/sec. La densite spectrale moyenne a ete determinee pour chaque bande de frequence a partir de deux echantillons d'enregistrement dans chacun des groupes de sujets. La comparaison de ces valeurs revele l'existence aussi bien de ressemblances que de differences entre les deux groupes. Tous les sujets ont un important “effet de temps de nuit”, avec une puissance a 0–3, 4–7 et 8–11 c/sec plus grande en debut de nuit. Cette constatation est a rapprocher d'observations similaires faites chez les enfants en cours de croissance et attribuee a une influence circadienne sur les generateurs neuronaux. En com-parant les deux groupes, il apparait que les epileptiques ont en commun des differences selectives par rapport aux non-epileptiques. Ces differences sont reduites lorsqu'on ecarte les resultats provenant d'un petit sous-groupe d'epileptiques non traites. Les epileptiques traites presentent des differences limitees au sommeil non-REM de fin de nuit, lequel comporte une puissance significativement plus grande a 4–7 c/sec et significativement moindre a.12–15 c/sec. Les sujets non traites ont ces memes differences dans les echantillons de traces de debut et de fin de nuit et ont de plus une puissance significativement plus grande dans la bande 0–3 c/sec. Les auteurs suggerent done que les medications anti-convulsivantes sont susceptibles d'exercer une influence generale de normalisation sur l'EEG de sommeil, particulierement en debut de nuit, e'est-a-dire a proximite du moment de leur administration. La mise en evidence de modifications EEG significatives limitees a deux modelles rythmiques de base au cours du sommeil permet de suggerer l'existence d'un trouble des mecanimes thalamocorticaux sous-jacents. RESUMEN El analisis espectral de la actividad electroencefalo-grafica espontanea registrada durante la fase no-REM del sueno ha sido utilizado con el fin de identificar el substrato de las anormalidades caracteristicas del EEG en epilepticos. En 10 individuos deficiente-mente controlados, con ataques generalizados y mix-tos, se registraron trazados poligraficos durante toda la noche. Informacion semejante se consiguio en 10 sujetos comparables no epilepticos. Al comienzo y fin de estos trazados nocturnos se identificaron muestras continuas de 10 minutos de duracion de fases del sueno no-REM. La actividad del EEG registrada durante estos periodos en las derivaciones bipolares de las zonas sensorimotoras y parieto-occip-itales izquierdas fue digitalizada, sometida a FFT, y despues agrupada en bandas sucesivas de 4 c/seg de frecuencia, entre 0–23 c/seg. Para cada banda de frecuencia se determino el promedio de la densidad espectral de las dos muestras de ambos grupos. La comparacion de estos valores revelo, a la vez, semejanzas y diferencias entre los dos grupos. Todos los sujetos mostraron un “efecto de la hora nocturna” significativo con una potencia a los 0–3, 4–7 y 8–11 c/seg, que era mayor al comienzo de la noche. Este hallazgo se relaciono a observaciones semejantes realizadas en ninos en desarrollo y que han sido atribuidas a la influencia circadiana sobre los gen-eradores neuronales. Comparando los grupos, los epilepticos mostraron selectivas diferencias en comun cuando se comparaban con los no-epilepticos. Estas diferencias se reducian cuando la informacion de un reducido grupo de sujetos epilepticos no tratados fue separada del resto. Los epilepticos medicados mostraron diferencias restringidas a la muestra no-REM del sueno de las primeras horas de la manana, que incluian una potencia significativamente mas elevada en los 4–7 c/seg y significativamente mas reducida en los 12–15 c/seg. Los individuos no medicados mostraron estas diferencias en ambas muestras y tambien aparacieron potencias significativamente mas elevadas en la banda de 0–3 c/seg. Se ha sugerido que las medicaciones anticonvulsivas pueden ejercer una influencia de normaiizacion general sobre las caracteristicas del EEG durante el sueno y particularmente al comienzo de la noche y en la proximidad de su administracion. La documentacion de las desviaciones significativas del EEG, limitadas a dos patrones ritmicos basicos durante el sueno, sugiere un trastorno de los mecanismos talamo-corticales subyacentes. ZUSAMMENFASSUNG Die Power-Spektralanalyse der spontanen EEG-Aktivitat, abgeleitet wahrend Non-REM-Schlaf wurde zur versuchsweisen Identifizierung moglicher charak-teristischer EEG-Veranderungen bei Epileptikern angewandt. Polygraphische Ableitung wahrend der ganzen Nacht wurden von 10 Patienten mit ungen-ugend kontrollierten Anfallen unterschiedlicher Zuordnung durchgefuhrt. Entsprechende Daten wurden von 10 entsprechenden Probanden ohne Epilepsie gewonnen. Zu Beginn und am Ende dieser Ganznacht-Ableitungen wurden jeweils 10 Minuten-Verlaufe von Non-REM-Schlaf festgelegt. Die EEG-Aktivitat, die wahrend dieser Zeitabschnitte von den linken senso-motorischen und parietal-occipitalen Cortex mit bi-polaren Elektroden abgeleitet worden war, wurde digitalisiert, einer FFT unterzogen und dann in auf-einander folgende Frequenzbander, die je 4 Hertz umfassten zwischen 0 und 23 Hertz aufgegliedert. Die mittlere Spektraldichte wurde bestimmt fur jedes Frequenzband und fur jeweils beide Untersuch-ungsphasen beider Gruppen. Ein Vergleich dieser Werte stellte sowohl Ahnlichkeiten wie Unterschiede zwischen beiden Gruppen heraus. Alle Untersuchten zeigten einen klaren “time-of-night Effekt” mit einer Power die bei 0 bis 3, 4 bis 7 und 8 bis 11 Hertz jeweils zu Beginn der Nacht groser war. Eine ahn-liche Beobachtung konnte bei Kleinkindern gefunden werden und wurde hier einem circadianen Einflus auf die Neuronengeneratoren zugeschrieben. Beim Vergleich der Gruppen zeigten die Anfallspatienten im Vergleich zu den Nicht-Anfallskranken gemein-same selektive Differenzen. Diese Unterschiede redu-zierten sich nach Ausschlus einer kleinen Gruppen von Anfallskranken ohne Medikation. Die Anfalls-kranken mit Medikation zeigten Unterschiede, die begrenzt waren auf die Abschnitte von Non-REM-Schlaf wahrend der friihen Morgenphasen; hierbei waren die Power bei 4 bis 7 Hertz signifikant groser und bei 12 bis 15 Hertz signifikant niedriger. Anfall-skranke ohne Medikation zeigten diese Unterschiede in beiden Abschnitten und zudem eine signifikant grosere Power im 0 bis 3 Hertz Frequenzband. Es wird angenommen, das Antikonvulsiva einen generell normalisierenden Einflus auf EEG-Charakteristika wahrend des Schlafes ausuben, insbesondere zu Beginn der Nacht und kurz nach Applikation. Der Nachweis signifikanter EEG-Veranderungen besch-rankt auf die Muster von 2 Grundrhythmen wahrend des Schlafes last eine Storung thalamocortikaler Mechanismen als ursachlich ansehen.