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.

By employing transcranial magnetic stimulation (TMS) in combination with high-density electroencephalography (EEG), we recently reported that cortical effective connectivity is disrupted during early non-rapid eye movement (NREM) sleep. This is a time when subjects, if awakened, may report little or no conscious content. We hypothesized that a similar breakdown of cortical effective connectivity may underlie loss of consciousness (LOC) induced by pharmacologic agents. Here, we tested this hypothesis by comparing EEG responses to TMS during wakefulness and LOC induced by the benzodiazepine midazolam. Unlike spontaneous sleep states, a subject’s level of vigilance can be monitored repeatedly during pharmacological LOC. We found that, unlike during wakefulness, wherein TMS triggered responses in multiple cortical areas lasting for >300 ms, during midazolam-induced LOC, TMS-evoked activity was local and of shorter duration. Furthermore, a measure of the propagation of evoked cortical currents (significant current scattering, SCS) could reliably discriminate between consciousness and LOC. These results resemble those observed in early NREM sleep and suggest that a breakdown of cortical effective connectivity may be a common feature of conditions characterized by LOC. Moreover, these results suggest that it might be possible to use TMS-EEG to assess consciousness during anesthesia and in pathological conditions, such as coma, vegetative state, and minimally conscious state.

Sleep spindles are an electroencephalographic (EEG) hallmark of non-rapid eye movement (NREM) sleep and are believed to mediate many sleep-related functions, from memory consolidation to cortical development. Spindles differ in location, frequency, and association with slow waves, but whether this heterogeneity may reflect different physiological processes and potentially serve different functional roles remains unclear. Here we used a unique opportunity to record intracranial depth EEG and single-unit activity in multiple brain regions of neurosurgical patients to better characterize spindle activity in human sleep. We find that spindles occur across multiple neocortical regions, and less frequently also in the parahippocampal gyrus and hippocampus. Most spindles are spatially restricted to specific brain regions. In addition, spindle frequency is topographically organized with a sharp transition around the supplementary motor area between fast (13–15 Hz) centroparietal spindles often occurring with slow-wave up-states, and slow (9–12 Hz) frontal spindles occurring 200 ms later on average. Spindle variability across regions may reflect the underlying thalamocortical projections. We also find that during individual spindles, frequency decreases within and between regions. In addition, deeper NREM sleep is associated with a reduction in spindle occurrence and spindle frequency. Frequency changes between regions, during individual spindles, and across sleep may reflect the same phenomenon, the underlying level of thalamocortical hyperpolarization. Finally, during spindles neuronal firing rates are not consistently modulated, although some neurons exhibit phase-locked discharges. Overall, anatomical considerations can account well for regional spindle characteristics, while variable hyperpolarization levels can explain differences in spindle frequency.

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.

Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is increasingly being used to promote cortical reorganization, under the assumption that it can induce long-term potentiation (LTP) of neural responses. This assumption is supported by several lines of indirect evidence. For example, rTMS of motor cortex can induce a potentiation of muscle motor evoked potentials that outlasts the stimulation by several minutes. In animal models, a direct demonstration of LTP is typically obtained by high-frequency electrical stimulation coupled with local field recordings of population responses. In this study, we exploited a new approach based on combined rTMS/high-density electroencephalography (hd-EEG) to obtain direct, noninvasive evidence for LTP in humans. Cortical responses to single TMS pulses were measured with hd-EEG before and after applying rTMS to motor cortex (5 Hz, 1500 pulses). The results demonstrate that, after rTMS, EEG responses at latencies of 15–55 ms were significantly potentiated. A topographic analysis revealed that this potentiation was significant at EEG electrodes located bilaterally over premotor cortex. Thus, these findings provide a direct demonstration in humans of LTP induced by rTMS.

Investigators in neuroscience have turned to Big Data to address replication and reliability issues by increasing sample sizes, statistical power, and representativeness of data. These efforts unveil new questions about integrating data arising from distinct sources and instruments. We focus on the most frequently assessed cognitive domain - memory testing - and demonstrate a process for reliable data harmonization across three common measures. We aggregated global raw data from 53 studies totaling N = 10,505 individuals. A mega-analysis was conducted using empirical bayes harmonization to remove site effects, followed by linear models adjusting for common covariates. A continuous item response theory (IRT) model estimated each individual's latent verbal learning ability while accounting for item difficulties. Harmonization significantly reduced inter-site variance while preserving covariate effects, and our conversion tool is freely available online. This demonstrates that large-scale data sharing and harmonization initiatives can address reproducibility and integration challenges across the behavioral sciences.