Assoc. Prof. MUDr. Markéta Bébarová, Ph.D.
Department of Physiology, Faculty of Medicine, Masaryk University
Electroencephalography
Sleep and Arousal Mechanisms
This presentation includes only the most 
important terms and facts. Its content by 
itself is not a sufficient source of
information required to pass the
Neuroscience exam. 
Pictures and tables from:
‐ Principles of Neural Science (5th ed.), Kandel et al. (2013)
‐ Neuroscience (4th ed.), Purves et al. (2008)
‐ Joseph LeDoux. Rethinking the emotional Brain, Neuron (2012)
‐ Přehled lékařské fyziologie (20. vyd.), Ganong (2005)
‐ Atlas fyziologie člověka (6. vyd.), Silbernagl a Despopoulos (2004)
‐ Joseph LeDoux. Our emotional brain. https://www.youtube.com/watch?v=tjhCPhhzBqQ
Electroencephalography
Electroencephalography
Electroencephalography
Evoked potentials
• visual, auditory, somatosensory
• Sensory evoked potential is an electrical 
manifestation of brain activity evoked by an 
external sensory stimulus.
• event‐related potentials
‐ generated in several cortical and subcortical regions 
in the post‐stimulus period of 50 – 500 ms 
‐ associated with perceptive, cognitive and movement
triggering processes (P300)
Event‐related potentials
early sensory  late “cognitive”
target stimulus
frequent stimulus
Sleep
Sleep
• is actively induced and highly organized brain state 
with different phases
• consumes a third of our lifes
• sleep is essential to life
• What is the function od sleep?
Non‐REM sleep
• slow‐wave sleep
• Stage 1‐4
• EEG synchronization 
(deceleration of frequency 
and increase of amplitude)
Non‐REM sleep
• slow‐wave sleep
• ↓ sympathe c ou low, 
↓HR, ↓ BP, ↓ 
ventilation, ↓
temperature
• skeletal muscle relaxed
(muscle tone and reflexes 
intact)
• ↑ threshold for arousal 
by sensory stimuli
REM sleep
• rapid eye movements
• EEG patterns of REM 
sleep and wakefulness 
similar (paradoxical sleep)
• atonia ‐ ↓ skeletal 
muscle tone (except eye 
muscle and diaphragm)
• vivid dreams for 80‐95%
of time
• non‐REM and REM stages = 90‐110 minutes
• 4‐6 times per night
• non‐REM 3 and 4 stages duration decrease, the 
depth of non‐REM sleep decreases, and REM stages 
duration increase
Sleep
Sleep changes over the life span
Sleep
Sleepiness
= the drive to sleep
• two strongest factors:
‐ time since the last full period of sleep (sleep deficit)
‐ circadian rhythmicity in arousal
• endogenous circadian (= about 24 hours) rhythm
Sleep
• is a circadian behaviour composed of cyclical 
(ultradian) stages
‐ present even in complete absence of sun light 
and other clues as to the time of day
‐ typically slightly longer than  the normal day‐night 
cycle (e.g. 25 hours)
‐ guided by firing of nucl. suprachiasmaticus
‐ synchronized with day‐night cycle 
(retina – nucl. suprachiasmaticus; 
melatonin)
Brain Stem and Sleep‐wake Cycle
Sleep
• SCN generates the rhythm but it does not generate sleep 
and arousal.
critical structures located in the 
rostral pons and caudal 
midbrain – ascendent arousal 
system
(widespread projections to other 
parts of the CNS)
Sleep disorders
• 50% population significant difficulties with sleep at least occasionally
Insomnia
• causes:
– poor sleep habits (coffee, alcohol, food, exercise before sleep)
– stress, shift work, jet lag
– often associated with depression
Sleep apnea
• pattern of interrupted breathing during sleep causing waking up 
many times per night ( pO2 +  pCO2  arousal response )
Narcolepsy
• irresistible REM sleep attacks during the day without going 
through non‐REM sleep
Sleep disorders
Others
Restless Leg Syndrome
Parasomnias (sleep walking, sleep talking, night terrors, etc.)
Circadian Rhythm Sleep Disorders
Sleep disorders
Sleep research, sleeping laboratory
• polygraphic monitoring (namely EEG, EOG, EMG, ECG, 
breating, saturation, etc.)