Clinical Significance

Sleep Staging

Het nederige begin in de slaapgeneeskunde begon met louter observatie en beschrijving van verschillende gebeurtenissen die zich tijdens slaap en waken voordeden. Maar pas met de ontwikkeling van de elektrofysiologie en de uitvinding van de elektro-encefalografie (EEG) door Hans Berger in het begin van de 20e eeuw, begonnen we de complexiteit van de hersenmechanismen die de slaap- en waaktoestand karakteriseren beter te begrijpen. De slaap doorloopt gestructureerde en georganiseerde cycli door verschillende stadia.

De eerste nachtelijke slaapopnamen werden uitgevoerd door Loomes en zijn collega’s, toen zij voor de uitdagende taak stonden om typische slaappatronen bij normale mensen te beschrijven. Verschillende groepen improviseerden hiermee en zo ontstond het begin van het slaapstadium. Het was echter pas 17 jaar later dat Aserinsky de rapid eye movement (REM) slaap herkende. Dit leidde tot de geboorte van moderne methoden van slaapstadiëring.

In 1968 stelde een comité van deskundigen onder voorzitterschap van Rechtschaffen en Kales de regels vast voor de scoring van slaap bij normale menselijke volwassenen. Uit deze codering werden 5 slaapstadia geïdentificeerd: 1 REM-stadium en 4 NREM-slaapstadia. Elk stadium bestaat uit een aantal fysiologische variabelen, die de neiging hebben samen op te treden. Vervolgens werd in 2004 in opdracht van de American Academy of Sleep Medicine (AASM) een herziening van de regels voor het scoren van slaap uitgevoerd, met inbegrip van regels voor het scoren van opwinding, ademhalingsgebeurtenissen, slaapgerelateerde bewegingsstoornissen en hartgebeurtenissen. De grootte en de verdeling van de standaard slaapparameters weerspiegelen de macrostructuur van de slaap.

Macrostructuur van de slaap

Op basis van de slaapmacrostructuur kan de slaap in 2 hoofdfasen worden ingedeeld: de niet-snelle oogbewegingsslaap (NREM) en de snelle oogbewegingsslaap (REM). Typisch, als men gaat slapen, maakt het snelle EEG-patroon met lage voltage van waakzaamheid geleidelijk plaats voor tragere frequenties, als NREM-slaap gaat van stadium N1 (afname van alpha) naar stadium N2 (spindles, K-complexen) naar stadium N3 (toenemende amplitude en regelmatigheid van delta-ritme). Stadium N3 wordt aangeduid als slow-wave slaap (SWS). SWS wordt onderbroken door perioden van snelle oogbewegingen (REM, d.w.z. actieve of paradoxale slaap). Polysomnografie (PSG) is een multiparametrisch onderzoek dat traditioneel wordt gebruikt om de architectuur van de slaap te beoordelen.

De slaap doorloopt meerdere discrete cycli van NREM- en REM-slaap gedurende een gegeven nacht. Bij normale volwassenen duurt elke cyclus ongeveer 90 tot 120 minuten en er zijn ongeveer 4-5 van dergelijke cycli die zich voordoen tijdens een normale nachtrust van 8 uur. Het percentage NREM-slaap is maximaal in het eerste deel van de nacht, terwijl de REM-slaap overheerst in de tweede helft.

Stadiumwake (W) wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van een overheersend beta-ritme over de voorste afleidingen, en er is een posterieure progressie naar een posterieur dominant alfa-ritme over de occipitale gebieden. Deze anteroposterieure progressie wordt het best waargenomen met gesloten ogen en wordt afgezwakt bij het openen van de ogen. Knipperen met de ogen wordt vaak waargenomen in dit stadium, als geconjugeerde oogbewegingen van 0,5 tot 2 Hz. Tijdens de overgang naar slaperigheid verschijnen als eerste langzame zijwaartse oogbewegingen, gewoonlijk minder dan 0,5 Hz, en is het alfaritme prominenter aanwezig, met af en toe een betaritme.

Fase 1 (N1) wordt gekenmerkt door het verdwijnen van het alfaritme en het verschijnen van zwervende oogbewegingen, die langzame, geconjugeerde, heen en weer gerichte bewegingen zijn, die gewoonlijk ongeveer 500 milliseconden duren. Het EEG vertoont een gemiddelde amplitude, gemengde frequentie, overwegend van 4 tot 7 Hz activiteit en onregelmatig verdeelde uitbarstingen van trage golven. Er is een verschijning van vertex sharp transients (VST) die worden gedefinieerd als scherp omlijnde, bilaterale synchrone golven met maximale amplitude in de over de centrale afleidingen hoewel kinderen pariëtale dominantie kunnen vertonen. De amplitude kan aan beide zijden variëren en zij duren gewoonlijk minder dan 0,5 seconde. Ze zijn gewoonlijk geïsoleerd en verschijnen met onregelmatige tussenpozen, zowel spontaan als bij het toedienen van alarmerende stimuli. Ook zien we positieve occipitale scherpe transiënten van slaap (POSTS) verschijnen, die ofwel mono ofwel bifasisch zijn, positieve, driehoekige golven die het meest prominent zijn in de occipitale hoofdgebieden. Alertheid tijdens N1 kan leiden tot een kortstondige terugkeer van het alfaritme. EMG toont verminderde spieractiviteit.

Stadium 2 (N2) wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van bilateraal synchrone theta-activiteit vergezeld van slaapspoeltjes of K-complexen of beide. K-complexen worden gedefinieerd door het optreden van een complex patroon van negatieve scherpe golf onmiddellijk gevolgd door een positieve golf (V-vormig) die zich onderscheidt van het achtergrond-EEG, duurt =0,5 seconden, en is het meest prominent in de fronto-centrale afleidingen. Om met het K-complex geassocieerd te zijn, mag de opwinding niet meer dan 1 seconde na het einde van het K-complex beginnen. Slaapspoeltjes worden gedefinieerd als afzonderlijke golven van 12 tot 14 Hz met frequenties van 11 tot 16 Hz (meestal 12 tot 14 Hz) met een duur van meer dan gelijk aan 0,5 seconden, gewoonlijk maximaal in amplitude in de centrale afleidingen.

Stadium 3 (N3) wordt gekenmerkt door deltavertragingen met een hoge amplitude in het bereik van 0,5 tot 2 Hz met amplitudes gelijk aan 75 microV, gemeten over de fronto-centrale afleidingen. K-complexen en slaapspoeltjes kunnen aanwezig zijn, maar POST’s zijn zeldzaam. Gewoonlijk wordt de N3-slaap gescoord als in 20% van de epoch vertragingen worden waargenomen. De N3-slaap komt het vaakst voor tijdens het eerste derde deel van de nacht, en klinisch kan dit belangrijk zijn omdat NREM-parasomnieën zoals slaapwandelen en nachtmerries meestal tijdens deze periode worden waargenomen. Stadium REM (R) wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van snelle oogbewegingen (REM), die geconjugeerde, onregelmatige en scherp omlijnde oogbewegingen zijn met een initiële faseafbuiging die gewoonlijk minder dan 500 ms duurt. We zien ook een verminderde EMG-toon en die is meestal het laagst van de hele opname. Er worden zaagtandgolven gezien die worden beschreven als afvloeiingen van scherp omlijnde of driehoekige, vaak gekartelde golven van 2 tot 6 Hz met maximale amplitude over de centrale afleidingen en vaak, maar niet altijd, voorafgegaan door een uitbarsting van snelle oogbewegingen. De drempel voor opwinding door auditieve stimuli is meestal het hoogst tijdens de REM. Het REM-slaapstadium is overwegend aanwezig in het laatste derde deel van de nacht en is de periode waarin de REM-parasomnieën zoals nachtmerries typisch worden waargenomen. Het R-stadium kan verder worden onderverdeeld in een fasisch REM- en een tonisch REM-stadium. Het fasische REM-stadium is een door sympathie aangedreven slaaptoestand die wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van snelle oogbewegingen, intermitterende spiertrekkingen en variaties in het ademhalingspatroon. Het tonische REM stadium daarentegen is een parasympatisch gedreven slaaptoestand en wordt gekenmerkt door de afwezigheid van snelle oogbewegingen.

Traditionele visuele fase scoring van PSG registraties heeft waardevolle beschrijvingen opgeleverd van slaap macro-architectonische afwijkingen bij een verscheidenheid van slaapstoornissen. Zij verschaffen echter geen informatie over de EEG-frequentiekarakteristieken of de ritmiek die ten grondslag liggen aan slaapstoornissen. Verder is de onderliggende veronderstelling bij de algoritmen voor het scoren van fasen dat slaap een discontinu en discreet begrensd proces is, een veronderstelling die niet door recente gegevens wordt ondersteund.

Microstructurele analyse van slaap

Transiënte EEG-verschijnselen die korter duren dan het scoringsepoch (fasische gebeurtenissen) zijn beschreven binnen de slaapopnamen waardoor identificatie mogelijk is van wat bekend staat als de microstructuur van de slaap. De twee meest gebruikte methoden om de microstructuur van de slaap te bestuderen zijn de analyse van cyclische alternerende patronen (CAP) en het arousal-paradigma.

Arousal-analyse

In 1992 heeft de American Sleep Disorders Association (ASDA) een definitie van arousal voorgesteld die onafhankelijk is van de R- en K-standaard. Volgens de ASDA-criteria verschijnen EEG-prikkelingen als plotselinge frequentieverschuivingen naar snellere ritmen (theta, alpha, beta, maar niet sigma) die kortstondig de achtergrond van het slaapstadium vervangen. Bij normale proefpersonen blijft de gemiddelde duur van de arousal onveranderd gedurende het hele leven (gemiddelde lengte van ongeveer 15 seconden gedurende de TST), maar de toename van het aantal arousals met de leeftijd wordt beschouwd als de fysiologische basis van de slaapfragiliteit bij ouderen. In omstandigheden van verstoorde slaap zijn arousals vooral onderzocht bij slaapgerelateerde ademhalingsstoornissen en bij slapeloze patiënten. Er bestaat echter geconsolideerde literatuur volgens welke arousals en andere verwante fenomenen spontane manifestaties zijn van fysiologische slaap.

CAP Analyse

CAP is een EEG fenomeen georganiseerd in sequenties die brede secties innemen binnen de NREM slaap. Tijdens CAP, oscilleren de EEG ritmen van slaap met periodieke excitatoire (fase A) en inhibitoire (fase B) schommelingen. CAP is een belangrijke marker van arousal instabiliteit die gepaard gaat met de slaap-waak overgangsfasen en onderzoekers denken dat het een substraat is voor het ontstaan van verschillende slaap geactiveerde neurologische aandoeningen. Repetitieve clusters van stereotiepe EEG-kenmerken, gescheiden door tijdsequivalente intervallen van achtergrondactiviteit en ten minste 2 opeenvolgende CAP-cycli omvattend, identificeren een CAP-sequentie. De CAP-cyclus bestaat uit een fase A (bestaande uit voorbijgaande EEG-elementen) en een fase B (interval van theta-/delta-activiteit die 2 opeenvolgende A-fasen scheidt, met een interval gelijk aan 1 minuut) (figuur 1). Elke fase van CAP kan 2 tot 60 seconden duren. Alle CAP-sequenties beginnen met fase A en eindigen met fase B. Op basis van de wederkerige verhouding van trage golven met hoge amplitude (EEG-synchronie) en snelle ritmen met lage amplitude (EEG-desynchronie) gedurende de gehele duur van fase A, worden 3 subtypen van A-fasen onderscheiden die overeenkomen met verschillende niveaus van neurofysiologische activering: subtype A1 (overheersing van EEG-synchronie), subtype A2 (evenwichtige mengeling van EEG-synchronie en -desynchronie), en subtype A3 (overheersing van EEG-desynchronie). Wanneer het interval tussen 2 opeenvolgende A-fasen meer dan 60 seconden bedraagt, eindigt de CAP-sequentie en gaat de slaap over in de niet-CAP (NCAP)-modus, die wordt gekenmerkt door stabiele, aanhoudende EEG-ritmen met zeer weinig en willekeurig verdeelde arousal-gerelateerde fasische gebeurtenissen.