Assoziation zwischen Pupillen-Unruhe-Index (PUI) und Korrelaten des zentralnervösen Aktivierungsniveaus im Wach-EEG

Abstract

Hintergrund: Die Aufzeichnung und Analyse des spontanen Pupillenverhaltens im Dunkeln (Langzeitpupillographie) im Rahmen des pupillographischen Schläfrigkeitstests (PST) hat sich im Verlauf der letzten Jahre als eine vielversprechende, zeitlich und personell ökonomische Methode zur Bestimmung des zentralnervösen Aktivierungsniveaus herausgestellt. Ziel der vorliegenden Studie war eine weitergehende Prüfung der Validität der Langzeitpupillographie zur Erfassung des zentralnervösen Aktivierungsniveaus anhand der Untersuchung der Assoziation zwischen pupillographischen Parametern, subjektiven Schläfrigkeitsmaßen und spezifischen Korrelaten des zentralnervösen Aktivierungsniveaus im Wach-EEG. Methode: Bei 24 jungen gesunden Probanden erfolgte in einem von 21:00-23:00 Uhr des nachfolgenden Tages andauernden Experiment im Verlauf einer insgesamt 40-stündigen Schlafdeprivation zeitgleich zu einer kontinuierlichen Aufzeichnung des Wach-EEG zu definierten Messzeitpunkten eine Erhebung des subjektiven Schläfrigkeitsgrades mittels der Stanford Sleepiness Scale (SSS) und der Visuellen Analogskala zu Wachheit und Leistungsfähigkeit (VAS) sowie des zentralnervösen Aktivierungsniveaus mittels Langzeitpupillographie. Als pupillographisches Maß des zentralnervösen Aktivierungsniveaus wurde der Pupillen-Unruhe-Index (PUI, mm/min) gewählt. 5-s -EEG-Epochen, die simultan zur Langzeitpupillographie abgeleitet worden waren, wurden einer Spektralanalyse unterzogen; für die statistische Datenanalyse wurden Amplitudenspektralwerte als artefaktfrei gewerteter 5-s-EEG-Epochen der Ableitung C4-(A1+A2)/2 ausgewählt. Die Ergebnisse von 6 Probanden wurden aufgrund einer zu hohen Anzahl fehlender Werte von einer weiteren Analyse ausgeschlossen. Ergebnisse: Die nichtparametrische Varianzanalyse mit Messwiederholung ergab signifikante Änderungen des PUI, des subjektiven Schläfrigkeitsgrades anhand der SSS und VAS sowie der Aktivität im Delta- (1,5-5,5 Hz), Theta- (5,5-8,5 Hz), Alpha1- (8,5-10 Hz), Beta1- (12-18 Hz) sowie Beta3- (21-30 Hz) Frequenzbereich im Zeitverlauf. Für den PUI ließ sich aufgrund des im Vergleich zu vorangegangenen Studien längeren Beobachtungszeitraums neben einem deutlichen Anstieg mit zunehmender Dauer der Wachzeit erstmals eine trotz ausgeprägten homöostatischen Schlafdrucks vorliegende circadiane Modulation mit lokalem Minimum in den Abendstunden aufzeigen. Zu Zeitpunkten des niedrigsten im Vergleich zu Zeitpunkten des höchsten zentralnervösen Aktivierungsniveaus definiert anhand des PUI fanden sich signifikant höhere subjektive Schläfrigkeitswerte anhand der SSS und VAS sowie signifikante Zunahmen der Aktivität im Delta-, Theta-, Alpha1- sowie Beta1-Frequenzbereich. Die Berechnung intraindividueller Korrelationen nach Spearman ergab eine mit einem mittleren Korrelationskoeffizienten von ρ=0,523±0,280 bzw. ρ=0,502±0,318 signifikant positive Assoziation zwischen PUI und SSS- bzw. VAS-Werten sowie eine signifikant positive Assoziation zwischen PUI und der Aktivität im Delta- (ρ=0,589±0,227), Theta- (ρ=0,616±0,198) sowie Alpha1- (ρ=0,527±0,304) Frequenzbereich. Schlussfolgerungen: Die in der vorliegenden Studie erstmals für gesunde Probanden nachgewiesene enge Assoziation pupillographischer Parameter des zentralnervösen Aktivierungsniveaus mit spezifischen Korrelaten des zentralnervösen Aktivierungsniveaus im Wach-EEG erweitert die bisher vorliegenden Untersuchungen testtheoretischer Gütekriterien des PST und untermauert die Validität der Langzeitpupillographie als objektives Verfahren zur Erfassung des zentralnervösen Aktivierungsniveaus.

Introduction: In recent years there has been growing interest in the use of pupillography as an objective and time-saving method to measure daytime sleepiness. The aim of the present study was to further elucidate the validity of pupillography as a measure of sleepiness by investigating the association of pupillometric variables with subjective sleepiness and waking EEG activity. Methods: 24 young healthy adults participated in the study. In an experiment lasting from 9 p.m. to 11 p.m. the following day a test battery including the assessment of subjective sleepiness and pupillography was performed at regular time intervals during 40 h of sustained wakefulness. Subjective sleepiness was assessed using the Stanford Sleepiness Scale (SSS) and a Visual Analogue Scale (VAS). Spontaneous pupillary oscillations were recorded by means of infrared video pupillography and Pupillary Unrest Index (PUI; mm/min) was calculated. Waking EEG activity was recorded continuously at different electrode positions using a Vitaport system. 5-s epochs recorded during pupillography were visually inspected for artifacts and subjected to spectral analysis; the results presented refer to epochs selected from the C4-(A1+A2)/2 derivation. The recordings of 6 subjects had to be excluded from further analysis due to missing data. Results: Nonparametric analysis of variance for repeated measurements revealed significant variations over time in PUI, SSS, VAS, and power in the delta (1.5-5.5 Hz), theta (5.5-8.5 Hz), alpha1 (8.5-10 Hz), beta1 (12-18 Hz), and beta3 (21-30 Hz) frequency range. Due to the longer period of sleep deprivation as compared to previous studies for the first time a prominent circadian modulation of PUI under high homeostatic sleep pressure was shown. At time points of maximum PUI indicating a high level of sleepiness significant increases were found in subjective sleepiness as well as in delta, theta, alpha1, and beta1 power. Relating in individual subjects changes in PUI to changes in subjective sleepiness and waking EEG activity revealed a significant positive intra-individual correlation between PUI and subjective sleepiness (SSS: ρ=0.523±0.280; VAS: ρ=0.502±0.318) as well as between PUI and power in the delta (ρ=0.589±0.227), theta (ρ=0.616±0.198) and alpha1 (ρ=0.527±0.304) frequency band. Conclusions: The novel finding of a close association between pupillometric variables and distinct changes in waking EEG activity further supports the validity of pupillography as an objective method to assess the level of sleepiness.