Optimizing acoustic stimulation timing for enhanced deep sleep: an analytical approach using polysomnography data

Sardooeinasab, Sepehr (2025). Optimizing acoustic stimulation timing for enhanced deep sleep: an analytical approach using polysomnography data. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Acoustic stimulation, a common neuromodulation technique, has been shown to enhance slow oscillations (SOs) and slow-wave activity (SWA) during deep non-rapid eye movement (NREM) sleep. This enhancement is associated with improved immune function, autonomic regulation, cognitive health, memory consolidation, and restfulness upon awakening. Prior work indicates that stimulus efficacy depends on timing relative to ongoing cortical rhythms, especially SO upstates. Given the close connection between central and peripheral systems during sleep, particularly at the cortico-cardiac level, we aimed to investigate how cortical and cardiac phases shape responses to stimulation and to determine optimal timing strategies.

We analyzed overnight polysomnography data from 133 adolescents, during which auditory tones (80 dB, 1000 Hz, 50 ms) were presented at random 15–30 s intervals. Instantaneous phases of EEG SOs (∼0.8 Hz) and heart-rate (HR) low-frequency (LF; 0.04–0.15 Hz) and high frequency (HF; 0.15–0.4 Hz) components were extracted, and three complementary analyses were performed: (1) comparison of tone-evoked responses during upstate vs. downstate phases of cortical SOs and HR components; (2) evaluation of phase-locking strategies, contrasting unimodal (SO-only or HR-only) and combined EEG–HR phase-locking against non–phase locked and no-tone conditions to assess the net effect of phase-locking and tones; and (3) continuous 360° phase analysis to identify optimal timing locations beyond two broad phase categories.

Stimulation during HR-LF upstates and HR-HF downstates produced significantly larger SO amplitudes (up to 16% increase), more SO events (up to 22%), stronger SWA (up to 25%), and marked HR oscillatory responses (up to 56%) compared to opposite phases (p < 0.05). Relative to non–phase-locked stimulation, phase-locking to HR components enhanced SO amplitude by ∼22 μV and SWA by 12%, while phase-locking exclusively to SO upstates increased SO amplitude by ∼18 μV and SWA by 19%. Maximal effects were observed when optimal HR phases coincided with SO upstates, yielding 38 μV increases in SO amplitude and 32% increases in SWA. Continuous phase analysis further revealed that responses peaked just before the HR-LF up-peak and HR-HF down-peak.

These findings demonstrate that cortical and peripheral oscillatory phases provide robust timing cues for closed-loop auditory stimulation. Combining EEG and HR phase information enables more precise targeting, highlighting brain–heart coupling as a mechanism for refining adaptive stimulation strategies to enhance deep sleep and its associated physiological and cognitive benefits.

Titre traduit

Optimiser le moment de la stimulation acoustique pour un sommeil profond amélioré : une approche analytique utilisant les données de polysomnographie

Résumé traduit

La stimulation acoustique, une technique courante de neuromodulation, a montré qu’elle pouvait renforcer les oscillations lentes (SOs, slow oscillations) et l’activité à ondes lentes (SWA, slow-wave activity) pendant le sommeil profond non paradoxal (NREM). Cette amélioration soutient la fonction immunitaire, la régulation autonome, la santé cognitive, la consolidation de la mémoire et la sensation de repos au réveil. Des travaux antérieurs indiquent que l’efficacité du stimulus dépend du moment de son application par rapport aux rythmes corticaux en cours, en particulier les phases «upstate» des SOs (angles de phase compris entre 0 et 180°). Étant donné la forte connexion entre les systèmes central et périphérique pendant le sommeil, notamment au niveau cortico-cardiaque, nous avons cherché à examiner comment les phases corticales et cardiaques modulent les réponses à la stimulation et à déterminer les stratégies temporelles optimales.

Nous avons analysé des enregistrements de polysomnographie nocturne provenant de 133 adolescents, durant lesquels des sons auditifs (80 dB, 1000 Hz, 50 ms) ont été présentés à intervalles aléatoires de 15 à 30 s. Les phases instantanées des SOs de l’EEG (∼0.8 Hz) ainsi que des composantes de la fréquence cardiaque (HR) en basse fréquence (LF; 0.04–0.15 Hz) et en haute fréquence (HF; 0.15–0.4 Hz) ont été extraites, et trois analyses complémentaires ont été réalisées : (1) comparaison des réponses évoquées par les sons entre les phases upstate et downstate des SOs et des composantes cardiaques ; (2) évaluation des stratégies d’ancrage de phase (phase-locking), en comparant des conditions unimodales (SO seul ou HR seul) et combinées EEG–HR aux conditions sans ancrage de phase et sans stimulation sonore, afin d’évaluer l’effet net de l’ancrage de phase et des sons ; et (3) analyse continue sur 360° des cycles de phase pour identifier des emplacements temporels optimaux au-delà de deux catégories de phase globales.

La stimulation pendant les phases upstate de HR-LF et les phases downstate de HR-HF a produit des amplitudes de SO significativement plus grandes (jusqu’à ∼16% d’augmentation), davantage d’événements SO (jusqu’à 22%), une SWA plus élevée (jusqu’à 25%) et des réponses oscillatoires cardiaques marquées (jusqu’à 56%) par rapport aux phases opposées (p < 0.05). Par rapport à la stimulation sans ancrage de phase, l’ancrage sur les composantes cardiaques a augmenté l’amplitude des SOs d’environ 22 μV et la SWA de 12%, tandis que l’ancrage exclusivement sur les phases upstate des SOs a accru l’amplitude des SOs d’environ 18 μV et la SWA de 19%. Les effets maximaux ont été observés lorsque les phases cardiaques optimales coïncidaient avec les phases upstate des SOs, entraînant une augmentation de ∼38 μV de l’amplitude des SOs et de 32% de la SWA. L’analyse continue de phase a en outre révélé que les réponses culminaient juste avant le pic de phase upstate de HR-LF et le creux de phase downstate de HR-HF.

Ces résultats démontrent que les phases oscillatoires corticales et périphériques fournissent des repères temporels robustes pour la stimulation auditive en boucle fermée. La combinaison des informations de phase EEG et HR permet un ciblage plus précis, mettant en évidence le couplage cerveau–cœur comme mécanisme d’optimisation des stratégies adaptatives de stimulation pour améliorer le sommeil profond et ses bénéfices physiologiques et cognitifs associés.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master's degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 83-92).
Mots-clés libres:	électroencéphalogramme, ondes lentes, activité à ondes lentes, fréquence cardiaque, stimulation acoustique, couplage cerveau–cœur, neuromodulation, sommeil profond
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Forouzanfar, Mohamad
Codirecteur:	Codirecteur de Zambotti, Massimiliano
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	04 mars 2026 15:59
Dernière modification:	04 mars 2026 15:59
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3811

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