Sleep apnea: Tracking effects of a first session of CPAP therapy by means of Granger causality

Abstract

Connectivity between physiological networks is an issue of particular importance for understanding the complex interaction brain-heart. In the present study, this interaction was analyzed in polysomnography recordings of 28 patients diagnosed with obstructive sleep apnea (OSA) and compared with a group of 10 control subjects. Electroencephalography and electrocardiography signals from these polysomnography time series were characterized employing Granger causality computation to measure the directed connectivity among five brain waves and three spectral subbands of heart rate variability. Polysomnography data from OSA patients were recorded before and during a first session of continuous positive air pressure (CPAP) therapy in a split-night study. Results showed that CPAP therapy allowed the recovery of inner brain connectivities, mainly in subsystems involving the theta wave. In addition, differences between control and OSA patients were established in connections that involve lower frequency ranges of heart rate variability. This information can be potentially useful in the initial diagnosis of OSA, and determine the role of cardiac activity in sleep dynamics based on the use of three subbands of heart rate variability.

La conectividad entre las redes fisiológicas es una cuestión de especial importancia para comprender la compleja interacción cerebro-corazón. En el presente estudio, se analizó esta interacción en grabaciones polisomnográficas de 28 pacientes diagnosticados de apnea obstructiva del sueño (AOS) y se comparó con un grupo de 10 sujetos de control. Las señales de electroencefalografía y electrocardiografía de estas series temporales de polisomnografía se caracterizaron empleando el cálculo de causalidad de Granger para medir la conectividad dirigida entre cinco ondas cerebrales y tres subbandas espectrales de la variabilidad del ritmo cardíaco. Los datos de polisomnografía de los pacientes con AOS se registraron antes y durante una primera sesión de terapia de presión de aire positiva continua (CPAP) en un estudio de dos noches. Los resultados mostraron que la terapia CPAP permitió la recuperación de las conectividades cerebrales internas, principalmente en los subsistemas que implican la onda theta. Además, se establecieron diferencias entre los pacientes de control y los de AOS en las conexiones que implican rangos de frecuencia más bajos de la variabilidad del ritmo cardíaco. Esta información puede ser potencialmente útil en el diagnóstico inicial de la AOS, y determinar el papel de la actividad cardíaca en la dinámica del sueño basándose en el uso de tres subbandas de la variabilidad de la frecuencia cardíaca