When we fall asleep, consciousness fades yet the brain remains active. Why is this so? To investigate whether changes in cortical information transmission play a role, we used transcranial magnetic stimulation together with high-density electroencephalography and asked how the activation of one cortical area (the premotor area) is transmitted to the rest of the brain. During quiet wakefulness, an initial response (∼15 milliseconds) at the stimulation site was followed by a sequence of waves that moved to connected cortical areas several centimeters away. During non–rapid eye movement sleep, the initial response was stronger but was rapidly extinguished and did not propagate beyond the stimulation site. Thus, the fading of consciousness during certain stages of sleep may be related to a breakdown in cortical effective connectivity.

During much of sleep, virtually all cortical neurons undergo a slow oscillation (<1 Hz) in membrane potential, cycling from a hyperpolarized state of silence to a depolarized state of intense firing. This slow oscillation is the fundamental cellular phenomenon that organizes other sleep rhythms such as spindles and slow waves. Using high-density electroencephalogram recordings in humans, we show here that each cycle of the slow oscillation is a traveling wave. Each wave originates at a definite site and travels over the scalp at an estimated speed of 1.2-7.0 m/sec. Waves originate more frequently in prefrontal-orbitofrontal regions and propagate in an anteroposterior direction. Their rate of occurrence increases progressively reaching almost once per second as sleep deepens. The pattern of origin and propagation of sleep slow oscillations is reproducible across nights and subjects and provides a blueprint of cortical excitability and connectivity. The orderly propagation of correlated activity along connected pathways may play a role in spike timing-dependent synaptic plasticity during sleep.

Objective: High-density EEG during sleep represents a powerful new tool to reveal potential abnormalities in rhythm-generating mechanisms while avoiding confounding factors associated with waking activities. As a first step in this direction, the authors employed high-density EEG to explore whether sleep rhythms differ between schizophrenia subjects, healthy individuals, and a psychiatric control group with a history of depression. Method: Healthy comparison subjects (N=17), medicated schizophrenia patients (N=18), and subjects with a history of depression (N=15) were recruited. Subjects were recorded during the first sleep episode of the night with a 256-electrode high-density EEG. Recordings were analyzed for changes in EEG power spectra, power topography, and sleep-specific cortical oscillations. Results: The authors found that the schizophrenia group had a significant reduction in centroparietal EEG power, from 13.75 to 15.00 Hz, in relation to both the comparison and depression groups. No significant difference in EEG power between the comparison and depression groups was identified. The authors also found a decrease in sleep spindle number, amplitude, duration, and integrated spindle activity in schizophrenia patients. Furthermore, integrated spindle activity had an effect size corresponding to 93.0% or 90.2% separation of the schizophrenia from the comparison or depression group. Conclusions: Sleep spindles are generated by the thalamic reticular nucleus in conjunction with specific thalamic nuclei and are modulated by corticothalamic and thalamocortical connections. The deficit in sleep spindles in schizophrenia subjects may reflect dysfunction in thalamic-reticular and thalamocortical mechanisms and could represent a biological marker of illness.

During much of sleep, cortical neurons undergo near-synchronous slow oscillation cycles in membrane potential, which give rise to the largest spontaneous waves observed in the normal electroencephalogram (EEG). Slow oscillations underlie characteristic features of the sleep EEG, such as slow waves and spindles. Here we show that, in sleeping subjects, slow waves and spindles can be triggered noninvasively and reliably by transcranial magnetic stimulation (TMS). With appropriate stimulation parameters, each TMS pulse at <1 Hz evokes an individual, high-amplitude slow wave that originates under the coil and spreads over the cortex. TMS triggering of slow waves reveals intrinsic bistability in thalamocortical networks during non-rapid eye movement sleep. Moreover, evoked slow waves lead to a deepening of sleep and to an increase in EEG slow-wave activity (0.5–4.5 Hz), which is thought to play a role in brain restoration and memory consolidation.

Slow waves are the most prominent electroencephalographic (EEG) feature of sleep. These waves arise from the synchronization of slow oscillations in the membrane potentials of millions of neurons. Scalp-level studies have indicated that slow waves are not instantaneous events, but rather they travel across the brain. Previous studies of EEG slow waves were limited by the poor spatial resolution of EEGs and by the difficulty of relating scalp potentials to the activity of the underlying cortex. Here we use high-density EEG (hd-EEG) source modeling to show that individual spontaneous slow waves have distinct cortical origins, propagate uniquely across the cortex, and involve unique subsets of cortical structures. However, when the waves are examined en masse, we find that there are diffuse hot spots of slow wave origins centered on the lateral sulci. Furthermore, slow wave propagation along the anterior−posterior axis of the brain is largely mediated by a cingulate highway. As a group, slow waves are associated with large currents in the medial frontal gyrus, the middle frontal gyrus, the inferior frontal gyrus, the anterior cingulate, the precuneus, and the posterior cingulate. These areas overlap with the major connectional backbone of the cortex and with many parts of the default network.

The fruit fly Drosophila melanogaster is emerging as a promising model system for the genetic dissection of sleep. As in mammals, sleep in the fruit fly is a reversible state of reduced responsiveness to the external world and has been defined using an array of behavioral, pharmacologic, molecular, and electrophysiologic criteria. A central feature of mammalian sleep is its homeostatic regulation by the amount of previous wakefulness. Dissecting the mechanisms of homeostatic regulation is likely to provide key insights into the functions of sleep. Thus, it is important to establish to what extent sleep homeostasis is similar between mammals and flies. This study was designed to determine whether in flies, as in mammals, (1) sleep rebound is dependent on prior time awake; (2) sleep deprivation affects the intensity, in addition to the duration, of sleep rebound; (3) sleep loss impairs vigilance and performance; (4) the sleep homeostatic response is conserved among different wild-type lines, and between female and male flies of the same line. Motor activity of individual flies was recorded at 1-minute intervals using the infrared Drosophila Activity Monitoring System during 2 baseline days; during 6,12, and 24 hours of sleep deprivation; and during 2 days of recovery. Sleep was defined as any period of uninterrupted behavioral immobility lasting > 5 minutes. Sleep continuity was measured by calculating the number of brief awakenings, the number and duration of sleep episodes, and a sleep continuity score. Vigilance before and after sleep deprivation was assessed by measuring the escape response triggered by 2 different aversive stimuli. Fly sleep research laboratory at UW-Madison. Adult flies of the Canton-S (CS) strain and 116 other wild-type lines (≥ 16 female and ≥ 16 male flies per line). In wild-type CS flies, as in mammals, the amount of sleep recovered after sleep deprivation was dependent on prior time awake. Relative to baseline sleep, recovery sleep in CS flies was less fragmented, with longer sleep episodes, and was associated with a higher arousal threshold. Sleep deprivation in CS flies also reduced performance. Sleep duration and continuity increased after 24 hour of sleep deprivation in all the other wild-type lines tested. The sleep homeostatic response in fruit flies is a stable phenotype and shares most of, if not all, the major features of mammalian sleep homeostasis, thus supporting the use of Drosophila as a model system for the genetic dissection of sleep mechanisms and functions.

Study Objectives:The mechanisms responsible for the homeostatic decrease of slow-wave activity (SWA, defined in this study as electroencephalogram [EEG] power between 0.5 and 4.0 Hz) during sleep are unknown. In agreement with a recent hypothesis, in the first of 3 companion papers, large-scale computer simulations of the sleeping thalamocortical system showed that a decrease in cortical synaptic strength is sufficient to account for the decline in SWA. In the model, the reduction in SWA was accompanied by decreased incidence of high-amplitude slow waves, decreased wave slopes, and increased number of waves with multiple peaks. In a second companion paper in the rat, local field potential recordings during early and late sleep confirmed the predictions of the model.4 Here, we investigated the model's predictions in humans by using all-night high-density (hd)-EEG recordings to explore slow-wave parameters over the entire cortical mantle.