Sleep and Pain: An EEG study of how sleep affects pain perception

Abstract

Bakgrunn: Eksperimentelle studier har vist at søvnmangel er assosiert med endringer i smertepersepsjon. Flere hjerneavbildningsstudier trengs for å utvikle objektive nevrofysiologiske korrelater til smerte.

Hensikt: Denne studien undersøker hvordan søvnmangel påvirker opplevd smerteintensitet og elektrisk hjerneaktivitet under eksperimentell smertestimulering.

Metode: Et innen-gruppe design ble brukt på et utvalg norske skiftarbeidere for å sammenligne opplevd smerteintensitet etter to netter med normalsøvn og to netter med søvnmangel. Smerteintensitet ble vurdert med en visuell analog skala (VAS). Elektrisk hjerneaktivitet ble målt med elektroencefalogram (EEG) gjennom en elektrodehette med 32 elektroder. Dynamisk spektralanalyse ble gjennomført på EEG signalene med Kontinuerlig Wavelet-Transformasjon. Statistisk analyse ble gjennomført med Mixed Models. EEG aktiviteten ble delt inn i de fem frekvensbåndene delta, theta, alpha, beta og gamma og analysert deretter. Både gjennomsnittlig aktivitetsnivå (static EEG indices) og dynamisk endring i aktiviteten (dynamic EEG indices) ble undersøkt.

Resultater: Opplevd smerteintensitet var signifikant høyere etter to netter med søvnmangel enn etter to netter med normalsøvn. Opplevd smerteintensitet økte over de 2 minuttene med smertestimulering. Ingen signifikante endringer ble observert i de statiske EEG analysene. De dynamiske EEG analysene viste at økning i alfa-bånd aktivitet var assosiert med økning i smerteskårer etter normalsøvn. Etter søvnmangel var reduksjon i alfa-bånd aktivitet og thetabånd aktivitet assosiert med økning i smerteskårer.

Konklusjon: Resultatene støtter tidligere funn om økt smerteintensitet etter søvnmangel. Aktivitet innen alfa-båndet og theta-båndet kan være assosiert med mekanismene som understøtter sammenhengen mellom søvn og smerte.

Nøkkelord: hyperalgesi, smerteintensitet, søvnmangel, EEG, alfa aktivitet, theta aktivitet, nattarbeid

Background: Experimental studies show that lack of sleep is associated with altered pain perception. Studies using brain imaging techniques are needed to further the development of objective neurophysiological correlates of pain. Objective: This thesis investigates how restricted sleep affects perceived pain intensity and electrical brain responses during experimental pain stimulation.

Methods: A within-subject cross-over design was used on a sample of Norwegian shift workers in order to compare perceived pain intensity after two nights of habitual sleep, with perceived pain intensity after two nights of restricted sleep. Pain was induced by a 2-min contact-heat stimulation to the skin. Pain intensity was rated on a visual analogue scale (VAS). Brain responses were recorded with electroencephalogram (EEG) through a 32- electrode cap. Dynamic spectral analysis was performed on the EEG signals by the Continuous Wavelet Transform. Statistical analysis was performed by Linear Mixed Models. The EEG activity was analyzed in terms of the delta, theta, alpha, beta and gamma frequency ranges. Both the mean level of activity (static EEG indices) and the dynamics of the activity (dynamic EEG indices) were investigated.

Results: Perceived pain intensity was significantly higher after restricted sleep as compared to habitual sleep. Pain intensity increased over the 2-min period. No significant sleep-dependent changes were found in any of the static EEG indices. The dynamic EEG indices showed that increased alpha activity was associated with increased pain scores after habitual sleep. Contrary, after restricted sleep, decreased alpha activity and decreased theta activity was associated with increased pain scores.

Conclusion: The findings in this thesis strengthen the notion that sleep loss leads to an increase in perceived pain intensity. Brain mechanisms underlying the hyperalgesic effect of restricted sleep may involve alpha and theta activity.

Keywords: hyperalgesia, restricted sleep, pain intensity, EEG, alpha band, theta band, night shift work