There is a need for empirical indicators that can monitor subtle changes in wakefulness levels with high temporal resolution. We aimed to assess the applicability in this regard of several indices based on the average spectral power of EEG rhythms, as well as the BIS index used in anesthesiology. 26 volunteers participated in an experiment involving forced awakenings from the slow-wave stage of daytime sleep: immediately after an alarm sound, they had to performance visual-motor and arithmetic tasks. From the EEG recordings, we isolated artifact-free segments with different levels of wakefulness: “sleep”, “awakening”, “partial wakefulness” (when task performance was still difficult) and “full wakefulness” (when the ability to perform tasks correctly was restored). EEG indices were calculated for this segments and an analysis was conducted to determine the ability of each index to distinguish between these states. The results obtained revealed that the most indicative indices were Gamma/Beta, Beta/Delta, Gamma/Delta, Complex index ((Alpha + Beta)/(Delta + Theta)) and BIS index. Then, for these indices, an assessment was made of the dependence of their values on muscle and eye movement artifacts, as well as how much their values change when opening or closing the eyes. Muscle artifacts had the greatest impact on the Gamma/Beta index, and eye movement artifacts had the greatest impact on the Beta/Delta, Gamma/Delta and Complex indexes. Cleaning up artifacts using filtering and ICA transformation significantly improved indexes performance. As a result, the BIS index proved to be the most informative – it was less affected by both muscle and eye movement artifacts. Our findings suggest that EEG indices may be a useful tool for monitoring subtle changes in alertness; however a combination of several different EEG indices may improve the accuracy of the results.
Существует потребность в эмпирических индикаторах, позволяющих с высоким временным разрешением отслеживать тонкие изменения уровня бодрствования. Мы поставили перед собой целью оценить применимость в этом отношении нескольких индексов, основанных на средней спектральной мощности ЭЭГ-ритмов, а также БИС-индекс, применяемый в анестезиологии. 26 добровольцев приняли участие в эксперименте с форсированным пробуждением из третьей стадии дневного сна: сразу после звука будильника от них требовалось решать зрительно-моторные и арифметические задачи. Из ЭЭГ-записей выделялись безартефактные сегменты на разных уровнях бодрствования: во время сна, при пробуждении, в неполном бодрствовании (когда выполнение задачи было еще затруднено) и в полном бодрствовании (когда восстанавливалась способность правильно решать задачи). Для них рассчитывали ЭЭГ-индексы и проводили анализ способности каждого индекса дифференцировать эти состояния. Полученные результаты выявили, что наиболее показательными индексами были Гамма/Бета, Бета/Дельта, Гамма/Дельта, Комплексный индекс ((Альфа + Бета)/(Дельта + Тета)) и БИС-индекс. Затем для этих индексов провели оценку зависимости их значений от мышечных и глазодвигательных артефактов, а также насколько сильно их значения изменяются при открывании либо закрывании глаз. Мышечные артефакты оказали наибольшее влияние на индекс Гамма/Бета, а артефакты от движений глаз – на индексы Бета/Дельта, Гамма/Дельта и Комплексный индекс. Очистка артефактов фильтрацией и ICA-преобразованием значимо улучшила их показатели. В итоге наиболее информативным оказался БИС-индекс – он меньше зависел и от мышечных, и от глазодвигательных артефактов. Полученные нами данные свидетельствуют о том, что ЭЭГ-индексы могут быть удобным инструментом для отслеживания тонких изменений уровня бодрствования, однако для повышения точности результата стоит использовать комбинацию из нескольких разных индексов.