Klinische Bedeutung

Sleep Staging

Die bescheidenen Anfänge der Schlafmedizin begannen mit der bloßen Beobachtung und Beschreibung verschiedener Ereignisse, die während des Schlafs und des Wachens stattfanden. Doch erst mit der Entwicklung der Elektrophysiologie und der Erfindung der Elektroenzephalographie (EEG) durch Hans Berger zu Beginn des 20. Jahrhunderts begannen wir, die Komplexität der Gehirnmechanismen, die Schlaf- und Wachzustände charakterisieren, besser zu verstehen. Der Schlaf durchläuft strukturierte und organisierte Zyklen in verschiedenen Stadien.

Die ersten Nachtschlafaufzeichnungen wurden von Loomes und seinen Kollegen durchgeführt, als sie vor der schwierigen Aufgabe standen, typische Schlafmuster bei normalen Personen zu beschreiben. Mehrere Gruppen improvisierten dies, was wiederum zu den Anfängen der Schlafphaseneinteilung führte. Doch erst 17 Jahre später erkannte Aserinsky den REM-Schlaf (Rapid Eye Movement). Dies war die Geburtsstunde der modernen Methoden der Schlafstadieneinteilung.

Im Jahr 1968 legte ein Expertenkomitee unter dem Vorsitz von Rechtschaffen und Kales die Regeln für die Einstufung des Schlafs bei normalen menschlichen Erwachsenen fest. Anhand dieser Kodierung wurden 5 Schlafstadien identifiziert: 1 REM-Stadium und 4 NREM-Schlafstadien. Jedes Stadium besteht aus einer Reihe von physiologischen Variablen, die in der Regel gemeinsam auftreten. Im Jahr 2004 wurde von der American Academy of Sleep Medicine (AASM) eine Überarbeitung der Regeln für die Bewertung des Schlafs in Auftrag gegeben, die Regeln für die Bewertung von Arousals, respiratorischen Ereignissen, schlafbezogenen Bewegungsstörungen und kardialen Ereignissen umfasste. Das Ausmaß und die Verteilung der Standard-Schlafparameter spiegeln die Makrostruktur des Schlafes wider.

Makrostruktur des Schlafes

Basierend auf der Makrostruktur des Schlafes kann der Schlaf in zwei Hauptstadien eingeteilt werden: nicht-schnelle Augenbewegungen (NREM) und schnelle Augenbewegungen (REM). Typischerweise weicht beim Einschlafen das schnelle EEG-Muster mit niedriger Spannung des Wachzustands allmählich langsameren Frequenzen, da der NREM-Schlaf von Stadium N1 (Abnahme von Alpha) über Stadium N2 (Spindeln, K-Komplexe) zu Stadium N3 (zunehmende Amplitude und Regelmäßigkeit des Delta-Rhythmus) übergeht. Das Stadium N3 wird als Slow-Wave-Schlaf (SWS) bezeichnet. Der SWS wird durch Phasen mit schnellen Augenbewegungen (REM, d. h. aktiver oder paradoxer Schlaf) unterbrochen. Die Polysomnographie (PSG) ist eine multiparametrische Untersuchung, die traditionell zur Beurteilung der Schlafarchitektur eingesetzt wird.

Der Schlaf durchläuft in jeder Nacht mehrere diskrete Zyklen von NREM- und REM-Schlaf. Bei normalen Erwachsenen dauert jeder Zyklus etwa 90 bis 120 Minuten, und es gibt etwa 4-5 solcher Zyklen, die während einer normalen 8-stündigen Nachtruhe auftreten. Der prozentuale Anteil des NREM-Schlafs ist in der ersten Hälfte der Nacht am höchsten, während der REM-Schlaf in der zweiten Hälfte überwiegt.

Das Wachstadium (W) ist gekennzeichnet durch einen vorherrschenden Beta-Rhythmus in den anterioren Ableitungen und eine posteriore Progression zu einem posterior dominanten Alpha-Rhythmus in den okzipitalen Regionen. Diese anteroposteriore Progression lässt sich am besten bei geschlossenen Augen beobachten und wird durch Öffnen der Augen abgeschwächt. In dieser Phase werden häufig Lidschläge beobachtet, die als konjugierte Augenbewegungen mit 0,5 bis 2 Hz auftreten. Während des Übergangs zur Schläfrigkeit treten als erstes langsame seitliche Augenbewegungen auf, die typischerweise weniger als 0,5 Hz betragen, und der Alpha-Rhythmus ist stärker ausgeprägt, mit intermittierendem Beta-Rhythmus.

Das Stadium 1 (N1) ist typischerweise durch das Verschwinden des Alpha-Rhythmus und das Auftreten wandernder Augenbewegungen gekennzeichnet, bei denen es sich um langsame, konjugierte Hin- und Herbewegungen handelt, die normalerweise etwa 500 Millisekunden dauern. Das EEG zeigt mittlere Amplituden, gemischte Frequenzen mit einer Aktivität von überwiegend 4 bis 7 Hz und unregelmäßig verteilte Ausbrüche langsamer Wellen. Es treten scharfe Scheiteltransienten (VST) auf, die als scharf konturierte, bilaterale synchrone Wellen mit maximaler Amplitude in den zentralen Ableitungen definiert sind, obwohl Kinder eine parietale Dominanz aufweisen können. Die Amplitude kann auf beiden Seiten variieren, und sie dauern gewöhnlich weniger als 0,5 Sekunden. Sie sind in der Regel isoliert und treten in unregelmäßigen Abständen auf, sowohl spontan als auch bei der Anwendung von Alarmreizen. Wir sehen auch das Auftreten positiver okzipitaler scharfer Schlaftransienten (POSTS), bei denen es sich um ein- oder zweiphasige, positive, dreieckige Wellen handelt, die vor allem in der okzipitalen Kopfregion auftreten. Das Aufwachen während N1 kann zu einem kurzen Wiederauftreten des Alpha-Rhythmus führen. Das EMG zeigt eine reduzierte Muskelaktivität.

Stadium 2 (N2) ist durch das Vorhandensein bilateral synchroner Theta-Aktivität gekennzeichnet, die von Schlafspindeln oder K-Komplexen oder beidem begleitet wird. K-Komplexe sind definiert durch das Auftreten eines komplexen Musters negativer scharfer Wellen, unmittelbar gefolgt von einer positiven Welle (V-förmig), die sich vom Hintergrund-EEG abhebt, =0,5 Sekunden dauert und in den fronto-zentralen Ableitungen am stärksten ausgeprägt ist. Damit die Erregung mit dem K-Komplex in Verbindung gebracht werden kann, sollte sie nicht mehr als 1 Sekunde nach dem Ende des K-Komplexes beginnen. Schlafspindeln sind definiert als ausgeprägte 12- bis 14-Hz-Wellen mit Frequenzen von 11 bis 16 Hz (am häufigsten 12 bis 14 Hz) und einer Dauer von mehr als 0,5 Sekunden, deren Amplitude in der Regel in den zentralen Ableitungen am größten ist.

Stadium 3 (N3) ist gekennzeichnet durch eine Delta-Verlangsamung mit hoher Amplitude im Bereich von 0,5 bis 2 Hz und Amplituden von bis zu 75 microV, gemessen in den fronto-zentralen Ableitungen. K-Komplexe und Schlafspindeln können vorhanden sein, POSTs sind jedoch selten. Typischerweise wird der N3-Schlaf bewertet, wenn in 20 % der Epoche eine Verlangsamung auftritt. Der N3-Schlaf tritt am häufigsten im ersten Drittel der Nacht auf, was klinisch von Bedeutung sein kann, da NREM-Parasomnien wie Schlafwandeln und Nachtangst typischerweise in diesem Zeitraum auftreten. Die REM-Phase (R) ist durch das Vorhandensein von schnellen Augenbewegungen (REM) gekennzeichnet, bei denen es sich um konjugierte, unregelmäßige und scharf konturierte Augenbewegungen mit einer anfänglichen Phasenverschiebung handelt, die normalerweise weniger als 500 ms dauert. Wir sehen auch einen verminderten EMG-Ton, der in der Regel der niedrigste in der gesamten Aufzeichnung ist. Es werden Sägezahnwellen beobachtet, die als Abflüsse von scharf konturierten oder dreieckigen, oft gezackten Wellen von 2 bis 6 Hz mit maximaler Amplitude über den zentralen Ableitungen beschrieben werden und denen häufig, aber nicht immer, ein Ausbruch schneller Augenbewegungen vorausgeht. Die Schwelle für die Erregung durch auditive Reize ist in der Regel während der REM-Phase am höchsten. Typischerweise tritt das R-Stadium des Schlafs vor allem im letzten Drittel der Nacht auf und ist der Zeitraum, in dem REM-Parasomnien wie Albträume typischerweise auftreten. Das R-Stadium kann weiter in ein phasisches REM- und ein tonisches REM-Stadium unterteilt werden. Die phasische REM-Phase ist ein sympathisch gesteuerter Schlafzustand, der durch schnelle Augenbewegungen, intermittierende Muskelzuckungen und Schwankungen im Atemmuster gekennzeichnet ist. Die tonische REM-Phase hingegen ist ein parasympathisch gesteuerter Schlafzustand, der durch das Fehlen schneller Augenbewegungen gekennzeichnet ist.

Die traditionelle visuelle Auswertung von PSG-Aufzeichnungen hat wertvolle Beschreibungen von makro-architektonischen Anomalien im Schlaf bei einer Vielzahl von Schlafstörungen geliefert. Sie liefern jedoch keine Informationen über die EEG-Frequenzmerkmale oder die Rhythmik, die den Schlafstörungen zugrunde liegen. Darüber hinaus liegt den Algorithmen zur Bewertung der Schlafstadien die Annahme zugrunde, dass der Schlaf ein diskontinuierlicher und diskret begrenzter Prozess ist, eine Annahme, die durch neuere Daten nicht gestützt wird.

Mikrostrukturanalyse des Schlafes

Transiente EEG-Phänomene, die kürzer als die Bewertungsepoche andauern (phasische Ereignisse), wurden innerhalb der Schlafaufzeichnungen beschrieben und ermöglichen die Identifizierung der so genannten Mikrostruktur des Schlafes. Zu den beiden am häufigsten verwendeten Methoden zur Untersuchung der Mikrostruktur des Schlafs gehören die Analyse des zyklischen Wechselmusters (CAP) und das Arousal-Paradigma.

Arousal-Analyse

Im Jahr 1992 schlug die American Sleep Disorders Association (ASDA) eine Definition des Arousal vor, die unabhängig von der R- und K-Einteilung ist. Nach den ASDA-Kriterien erscheinen EEG-Arousals als plötzliche Frequenzverschiebungen hin zu schnelleren Rhythmen (Theta, Alpha, Beta, aber nicht Sigma), die kurzzeitig den Hintergrund des Schlafstadiums ersetzen. Bei normalen Personen bleibt die mittlere Dauer der Arousals über die gesamte Lebensspanne unverändert (durchschnittliche Länge von etwa 15 Sekunden während des gesamten TST), aber die mit dem Alter zunehmende Anzahl wird als physiologische Grundlage der Schlaffragilität bei älteren Menschen angesehen. Bei gestörtem Schlaf wurden Arousals insbesondere bei schlafbezogenen Atmungsstörungen und bei Patienten mit Schlaflosigkeit untersucht. Es gibt jedoch eine konsolidierte Literatur, der zufolge Arousals und andere verwandte Phänomene spontane Manifestationen des physiologischen Schlafs darstellen.

CAP-Analyse

CAP ist ein EEG-Phänomen, das in Sequenzen organisiert ist, die weite Bereiche des NREM-Schlafs einnehmen. Während des CAP oszillieren die EEG-Rhythmen des Schlafes mit periodischen erregenden (Phase A) und hemmenden (Phase B) Schwankungen. CAP ist ein wichtiger Marker für die Erregungsinstabilität, die mit den Schlaf-Wach-Übergangsphasen einhergeht, und Forscher gehen davon aus, dass sie ein Substrat für die Entstehung verschiedener schlafaktivierter neurologischer Störungen ist. Wiederholte Cluster stereotyper EEG-Merkmale, die durch zeitlich äquivalente Intervalle der Hintergrundaktivität getrennt sind und mindestens zwei aufeinanderfolgende CAP-Zyklen umfassen, kennzeichnen eine CAP-Sequenz. Der CAP-Zyklus besteht aus einer Phase A (bestehend aus transienten EEG-Elementen) und einer Phase B (Intervall der Theta-/Delta-Aktivität, das zwei aufeinander folgende A-Phasen mit einem Intervall von 1 Minute trennt) (Abbildung 1). Jede Phase der CAP kann 2 bis 60 Sekunden dauern. Alle CAP-Sequenzen beginnen mit Phase A und enden mit Phase B. Auf der Grundlage des reziproken Anteils von langsamen Wellen mit hoher Spannung (EEG-Synchronität) und schnellen Rhythmen mit niedriger Amplitude (EEG-Desynchronität) während der gesamten Dauer der Phase A werden drei Subtypen von A-Phasen unterschieden, die unterschiedlichen Niveaus neurophysiologischer Aktivierung entsprechen: Subtyp A1 (Vorherrschen von EEG-Synchronität), Subtyp A2 (ausgewogene Mischung aus EEG-Synchronität und Desynchronität) und Subtyp A3 (Vorherrschen von EEG-Desynchronität). Wenn das Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden A-Phasen 60 Sekunden überschreitet, endet die CAP-Sequenz und der Schlaf geht in den Non-CAP-Modus (NCAP) über, der durch stabile, kontinuierliche EEG-Rhythmen mit sehr wenigen und zufällig verteilten arousal-bezogenen phasischen Ereignissen gekennzeichnet ist.