ERPs studies of cognitive processing during sleep

The authors would like to thank Michele Dufey and Sebastian Bacquet for their participation in a previous version of manuscript. This work was partially supported by a DAAD Grant (PKZ:A/07/71171) and Universidad Diego Portales Grant (Laboratorio de Neurociencias) to A.I.

Abstract

In the last few decades, several works on cognitive processing during sleep have emerged. The study of cognitive processing with event related potentials (ERPs) during sleep is a topic of great interest, since ERPs allow the study of stimulation with passive paradigms (without conscious response or behavioural response), opening multiple research possibilities during different sleep phases. We review ERPs modulated by cognitive processes during sleep: N1, Mismatch Negativity (MMN), P2, P3, N400‐like, N300–N550, among others. The review shows that there are different cognitive discriminations during sleep related to the frequency, intensity, duration, saliency, novelty, proportion of appearance, meaning, and even sentential integration of stimuli. The fascinating results of cognitive processing during sleep imply serious challenges for cognitive models. The studies of ERPs, together with techniques of neuroimaging, have demonstrated the existence of cognitive processing during sleep. A fundamental question to be considered is if these cognitive phenomena are similar to processing that occurs during wakefulness. Based on this question we discussed the existence of possible mechanisms associated with sleep, as well as the specific cognitive and neurophysiologic differences of wakefulness and sleep. Much knowledge is still required to even understand the conjunction of dramatic changes in cerebral dynamics and the occurrence of cognitive processes. We propose some insights based on ERPs research for further construction of theoretical models for integrating both cognitive processing and specific brain sleep dynamics.

Dans les quelques dernières décennies, plusieurs travaux sur le traitement cognitif durant le sommeil ont émergé. L'étude du traitement cognitif avec des potentiels évoqués liés à un évènement pendant le sommeil est un sujet d'un grand intérêt vu que les ERPs permettent l'étude de la stimulation avec des paradigmes passifs (sans réponse consciente ou de réponse comportementale), en ouvrant des possibilités de recherche pendant les différentes phases du sommeil. Nous avons recensé des potentiels évoqués (ERPs) modulés par des processus cognitifs durant le sommeil: N1, négativité de discordance (MMN), P2, P3, N400‐like, N300‐N550; entre autres. La recension indique qu'il existe des discriminations cognitives différentes pendant le sommeil liées à la fréquence, à l'intensité, à la durée, à la saillance, à la nouveauté, à la proportion de l'apparence, au sens et même à l'intégration sententielle des stimuli. Les fascinants résultats du traitement cognitif pendant le sommeil impliquent de sérieux défis pour des modèles cognitifs. Les études des ERPs, ensemble avec les techniques de la neuro‐imagerie, ont démontré l'existence de traitement cognitif durant le sommeil. Une question fondamentale à considérer est si ces phénomènes cognitifs sont similaires au traitement qui a lieu pendant l'état d'éveil. En se fondant sur cette question, nous avons discuté de l'existence de possibles mécanismes associés au sommeil ainsi que de spécifiques différences cognitives et neurophysiologiques de l'état d'éveil et du sommeil. Il est nécessaire d'acquérir davantage de connaissances pour même comprendre la conjonction des changements dramatiques dans des dynamiques cérébraux et la survenue des processus cognitifs. Nous avons proposé quelques réflexions fondées sur la recherche des ERPs pour construire davantage de modèles théoriques pour intégrer à la fois un traitement cognitif et des dynamiques du sommeil du cerveau.

En las últimas décadas se han llevado a cabo varios estudios respecto del procesamiento cognitivo durante el sueño. El estudio del procesamiento cognitivo durante el sueño con potenciales evocados relacionados a eventos (ERPs) es un tópico de gran interés, ya que los ERPs permiten el estudio a partir de paradigmas de estimulación pasiva (sin una respuesta consciente o conductual), lo cual ha abierto múltiples oportunidades de investigación en las diferentes fases del sueño: N1, Negatividad de disparidad (MMN), P2, P3, N400‐similar, N300–N550, entre otras. La presente revisión ha mostrado la presencia de diferentes discriminaciones cognitivas durante el sueño que están relacionadas con la frecuencia, la intensidad, la duración, la particularidad, la novedad, la proporción de la aparición, el significado, e incluso la integración contextual de los estímulos. Los fascinantes resultados del procesamiento cognitivo durante el sueño plantean serios desafíos para los modelos cognitivos. Los estudios con ERPs, junto con técnicas de neuroimagen, han demostrado la existencia de procesamiento cognitivo durante el sueño. Una pregunta fundamental a ser considerada es si estos fenómenos cognitivos son similares al procesamiento que ocurre durante la vigila. Tomando esta pregunta como base, se discute la existencia de posibles mecanismos asociados con el sueño, así como las diferencias específicas tanto cognitivas como neurofisiológicas entre vigilia y sueño. Mucho conocimiento se requiere aun para entender la conjunción de dramáticos cambios en la dinámica cerebral y el desarrollo de procesos cognitivos. Nosotros proponemos algunas ideas claves basadas en la investigación con ERPs para la futura construcción de modelos teóricos que integren el procesamiento cognitivo con las dinámicas cerebrales específicas del sueño.Cognitive neuroscience of sleepConsciousnessERPPassive paradigmsPostlexical integrationSleep.

Keywords:

• Cognitive neuroscience of sleep
• Consciousness
• ERP
• Passive paradigms
• Postlexical integration
• Sleep

Notes

The authors would like to thank Michele Dufey and Sebastian Bacquet for their participation in a previous version of manuscript. This work was partially supported by a DAAD Grant (PKZ:A/07/71171) and Universidad Diego Portales Grant (Laboratorio de Neurociencias) to A.I.