Detection of electroencephalographic, electromyographic, and cardiac variations during wake-sleep transition through change point analysis / Detección de variaciones electroencefalográficas, electromiográficas y cardiacas durante la transición vigilia-sueño por medio del análisis de punto de cambio

ABSTRACT

Abstract Introduction: Wake-sleep transition is a continuous, gradual process of change. Most studies evaluating electroencephalogram spectral power during this transition have used variance analysis (ANOVA). However, using this type of analysis does not allow one to detect specific changes in the statistical properties of a time series. Objective: To determine whether change point analysis (CPA) makes it possible to identify and characterize electroencephalographic, electromyographic, and cardiac changes during the wake-sleep transition through a cross-sectional study. Method: The study included 18 healthy volunteers (12 women and six men), from which polysomnography data were obtained during a two-minute transition. Heart rate, respiratory sinus arrhythmia, electroencephalogram spectral power, as well as electromyographic median and mean frequency and electromyographic root mean square were calculated in five-second segments. These segments were analyzed using repeated measures ANOVA, and CPA focused individually and for the group as a whole. Results: Repeated measures ANOVA and CPA by group found decreased levels of alpha and beta power and beta/delta index during wakefulness, and increased theta and delta power levels during sleep. CPA by individual found that only alpha power changed in all participants and failed to identify a specific moment when all the variables studied changed simultaneously. Discussion and conclusion: We consider that CPA provides additional information to statistical analyses such as ANOVA for the specific location of physiological changes during sleep-wake transition.

RESUMEN

Resumen Introducción: La transición vigilia-sueño es un proceso de cambio continuo y gradual. Los estudios que han evaluado el poder espectral del electroencefalograma (EEG) durante esta transición han usado principalmente el análisis de varianza (ANOVA). Sin embargo, con este tipo de análisis no se pueden ubicar con precisión los cambios en las propiedades estadísticas de series de tiempo. Objetivo: Evaluar si el análisis de punto de cambio (APC) permite identificar y caracterizar cambios electroencefalográficos, electromiográficos y cardiacos durante la transición vigilia-sueño mediante un estudio transversal descriptivo. Método: Participaron 18 voluntarios sanos (12 mujeres y seis hombres) a los cuales se les realizó una polisomnografía para determinar un periodo de transición de dos minutos. En segmentos de cinco segundos se calcularon la frecuencia cardiaca, arritmia del sinus respiratorio, frecuencia mediana y media cuadrática del electromiograma y poder espectral del EEG. Estos segmentos se analizaron con ANOVA de medidas repetidas y con el APC que se aplicó de forma grupal e individual. Resultados: Con el ANOVA de medidas repetidas y el APC grupal se encontraron disminución de la potencia alfa, beta e índice beta/delta durante la vigilia e incrementos de theta y delta durante el sueño. Con el APC individual no se identificó un momento específico en el que todas las variables estudiadas cambiaran simultáneamente; además, se encontró que sólo la potencia alfa cambió en todos los participantes. Discusión y conclusión: El APC aportó información adicional al ANOVA ya que permitió conocer la ubicación específica de los cambios en las variables fisiológicas estudiadas durante la transición vigilia-sueño.