Matematyka wyjaśnia, dlaczego niemowlęta śpią w ciągu dnia, nastolatki zasypiają późno, a osoby starsze budzą się wcześnie

Zastanawialiście się kiedyś, dlaczego dzieci śpią w niektóre dni, a w inne nie? Albo dlaczego starsi ludzie budzą się wcześniej? Modelowanie matematyczne regulacji snu dostarcza nieoczekiwanych odpowiedzi na te i inne pytania, według nowego badania przeprowadzonego na Uniwersytecie w Surrey.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie npj Biological Timing and Sleep badacze przeanalizowali matematyczną strukturę dwuprocesowego modelu (2PM) regulacji snu, zaproponowanego po raz pierwszy w latach 80. XX wieku. 2PM wyjaśnia, w jaki sposób nasze wzorce snu są kształtowane przez dwa czynniki: presję snu, która zwiększa się, im dłużej jesteśmy czuwani, i zmniejsza się w trakcie snu, oraz rytm dobowy naszego wewnętrznego zegara biologicznego, który trwa około 24 godzin.

Zespół z Surrey wykorzystał matematykę, aby pokazać, jak godzina 14:00 odzwierciedla procesy zachodzące w mózgu podczas przełączania się między snem a czuwaniem. Wykazali, że model ten pomaga wyjaśnić, dlaczego niemowlęta na pewnych etapach rozwoju drzemają tylko w określone dni – zjawisko znane wśród naukowców zajmujących się oscylatorami jako „diabelskie schody”. Ten sam model wyjaśnia wzorce snu u zwierząt.

Naukowcy połączyli również matematykę przełączników snu i czuwania z matematyką wpływu światła na zegar biologiczny. Ten zintegrowany model pomaga wyjaśnić, jak wiele zjawisk snu jest determinowanych przez połączenie wewnętrznych procesów fizjologicznych i środowiska.

Na przykład model wyjaśnia, dlaczego nastolatki zasypiają i budzą się później niż młodsze dzieci. Wolniejszy wzrost ciśnienia snu w fazie czuwania pozwala im dłużej pozostać w stanie czuwania, a wieczorna ekspozycja na jasne światło dodatkowo opóźnia sen.

Model oferuje również nowe spojrzenie na inne powszechne wzorce. Zaskakujące odkrycie: wczesne budzenie się w podeszłym wieku może być spowodowane nie tyle zmianami w zegarze biologicznym, jak się powszechnie uważa, co interakcjami między różnymi systemami regulującymi sen, a także tym, jak te interakcje zmieniają się wraz z wiekiem, środowiskiem i biologią organizmu.

Praca zespołu pokazuje, że model 14:00 + światło pozwala zrozumieć, dlaczego niektórym osobom trudno jest wstawać wcześnie rano lub kłaść się spać o „społecznie akceptowalnej” porze – nie dlatego, że ich zegar biologiczny jest „zepsuty”, ale dlatego, że ich (świetlne) środowisko lub fizjologia powodują, że zasypiają później.

Profesor Anne Skeldon, kierownik Wydziału Matematyki na Uniwersytecie w Surrey i główna autorka badania, powiedziała:

„Ten model daje nadzieję na lepsze zrozumienie i rozwiązania problemów ze snem. Wykorzystując matematykę, możemy zaobserwować, jak drobne zmiany w oświetleniu, rutynie czy biologii zmieniają wzorce snu i przetestować praktyczne sposoby na poprawę snu dla wszystkich. To krok w kierunku bardziej spersonalizowanych i skutecznych rozwiązań, które mogą poprawić jakość życia ludzi”.

Wykorzystując matematykę, naukowcy wykazali, że model 2PM + światło zachowuje się jak układ nieliniowych oscylatorów – oscylator snu i czuwania, oscylacje zegara biologicznego oraz wzór światło/ciemność, który dociera do mózgu poprzez oczy.

Naukowcy wyjaśniają, że oscylator snu i czuwania zazwyczaj nie podlega 24-godzinnemu rytmowi, ale to interakcja z zegarem biologicznym i cyklami światła pomaga nam zachować synchronizację z cyklem dnia i nocy poprzez proces znany jako „synchronizacja”.

Aby dokładniej zbadać te interakcje oscylacyjne, naukowcy przeprowadzili symulacje matematyczne z wykorzystaniem modelu „godzina 14:00 + światło”. Symulacje wykazały, że przebywanie w pomieszczeniach przez większość dnia i włączanie jasnego światła wieczorem zaburza układ oscylacyjny, a tym samym sen. Pozwoliło im to przewidzieć szereg zachowań, takich jak zaburzenia snu po wieczornej ekspozycji na światło czy trudności z regularnym zasypianiem.

Profesor Derk-Jan Dijk, współautor badania i dyrektor Centrum Badań nad Snem Uniwersytetu w Surrey, dodał:

„Ta praca pokazuje, jak matematyka może rzucić światło na złożone i osobiste procesy, takie jak sen. Dzięki odpowiednim danym i modelom możemy formułować lepsze rekomendacje i opracowywać nowe interwencje, aby poprawić sen u osób, których odpoczynek jest zaburzony przez współczesne nawyki, starzenie się lub choroby”.