Abstract Sleep spindles are traditionally defined as 10-15Hz thalamo-cortical oscillations typical of NREM sleep. While substantial heterogeneity in the appearance or spatio-temporal dynamics of spindle events is well recognised, the physiological relevance of the underlying fundamental property - the oscillatory strength - has not been studied. Here we introduce a novel metric called oscillatory Quality ( o-Quality ), which is derived by fitting an auto-regressive model to short segments of electrophysiological signals, recorded from the cortex in mice, to identify and calculate the damping of spindle oscillations. We find that the o-Quality of spindles varies markedly across cortical layers and regions and reflects the level of synchrony within and between cortical networks. Furthermore, the o-Quality of spindles varies as a function of sleep-wake history, determines the strength of coupling between spindles and slow waves, and influences the responsiveness to sensory stimulation during sleep. Thus, the o-Quality emerges as a metric that, for the first time, directly links the spatio-temporal dynamics of sleep spindles with their functional role.

Here, we characterized the dynamics of sleep spindles, focusing on their damping, which we estimated using a metric called oscillatory-Quality (o-Quality), derived by fitting an autoregressive model to electrophysiological signals, recorded from the cortex in mice. The o-Quality of sleep spindles correlates weakly with their amplitude, shows marked laminar differences and regional topography across cortical regions, reflects the level of synchrony within and between cortical networks, is strongly modulated by sleep-wake history, reflects the degree of sensory disconnection, and correlates with the strength of coupling between spindles and slow waves. As most spindle events are highly localized and not detectable with conventional low-density recording approaches, o-Quality thus emerges as a valuable metric that allows us to infer the spread and dynamics of spindle activity across the brain and directly links their spatiotemporal dynamics with local and global regulation of brain states, sleep regulation, and function.