Matematica explică de ce bebelușii dorm ziua, adolescenții adorm târziu, iar bătrânii se trezesc devreme

V-ați întrebat vreodată de ce bebelușii dorm în unele zile, dar nu în altele? Sau de ce persoanele în vârstă se trezesc mai devreme? Modelarea matematică a reglării somnului oferă răspunsuri neașteptate la aceste întrebări și la altele, potrivit unui nou studiu al Universității din Surrey.

Într-o lucrare publicată în npj Biological Timing and Sleep, cercetătorii au analizat structura matematică a modelului cu proces dual (2PM) de reglare a somnului, propus pentru prima dată în anii 1980. 2PM explică modul în care tiparele noastre de somn sunt modelate de doi factori: presiunea din timpul somnului, care crește cu cât stăm treji mai mult timp și scade în timpul somnului, și ritmul circadian al ceasului nostru biologic intern, care durează aproximativ 24 de ore.

Echipa din Surrey a folosit matematica pentru a demonstra cum ora 14:00 oglindește procesele creierului în timpul trecerii de la somn la veghe. Aceștia au arătat că modelul ajută la explicarea motivului pentru care bebelușii aflați în anumite etape de dezvoltare trag pui de somn doar în anumite zile - un fenomen cunoscut sub numele de „Scara diavolului” printre oamenii de știință specializați în oscilatoare. Același model explică tiparele de somn la animale.

Cercetătorii au combinat, de asemenea, matematica schimbărilor somn-veghe cu matematica modului în care lumina afectează ceasul biologic. Acest model integrat ajută la explicarea modului în care multe fenomene de somn sunt determinate de o combinație de procese fiziologice interne și de mediu.

De exemplu, modelul explică de ce adolescenții tind să adoarmă și să se trezească mai târziu decât copiii mai mici. O creștere mai lentă a presiunii din timpul somnului în timpul stării de veghe le permite să rămână treji mai mult timp, iar expunerea seara la lumină puternică întârzie și mai mult somnul.

Modelul oferă, de asemenea, noi perspective asupra altor tipare comune. O descoperire surprinzătoare: trezirea timpurie la bătrânețe ar putea fi determinată nu atât de schimbările ceasului biologic, așa cum se crede în mod obișnuit, ci de modul în care interacționează diferitele sisteme care guvernează somnul și de modul în care aceste interacțiuni se schimbă odată cu vârsta, mediul și biologia individuală.

Studiul echipei arată că modelul 2PM + lumină oferă o perspectivă asupra motivului pentru care unii oameni au dificultăți în a se trezi devreme sau în a se culca la o oră „acceptabilă din punct de vedere social” - nu pentru că ceasul lor biologic este „defect”, ci pentru că mediul (luminos) sau fiziologia lor împinge somnul mai târziu.

Profesorul Anne Skeldon, directoarea Școlii de Matematică de la Universitatea din Surrey și autoarea principală a studiului, a declarat:

„Acest model oferă speranță pentru o mai bună înțelegere și soluții la problemele de somn. Folosind matematica, putem vedea cum mici schimbări în iluminare, rutină sau biologie modifică tiparele de somn și putem testa modalități practice de a îmbunătăți somnul pentru toată lumea. Acesta este un pas către soluții mai personalizate și mai eficiente, care pot îmbunătăți calitatea vieții oamenilor.”

Folosind matematica, cercetătorii au arătat că modelul 2PM + lumină se comportă ca un sistem de oscilatoare neliniare - un oscilator somn-veghe, oscilații ale ceasului biologic și un model lumină/întuneric care ajunge la creier prin ochi.

Oamenii de știință explică faptul că oscilatorul somn-veghe nu urmează de obicei un ritm de 24 de ore, ci interacțiunea cu ceasul biologic și ciclurile luminoase ne ajută să rămânem sincronizați cu ciclul zi-noapte printr-un proces cunoscut sub numele de „antrenare”.

Pentru a explora în continuare aceste interacțiuni oscilatorii, oamenii de știință au efectuat simulări matematice folosind modelul de lumină 2PM +. Simulările au arătat că statul în interior cea mai mare parte a zilei și luminile puternice aprinse seara perturbă sistemul oscilator și, odată cu acesta, somnul. Acest lucru le-a permis să prezică o serie de comportamente, cum ar fi schimbările de somn după expunerea la lumina de seară sau dificultățile de a dormi regulat.

Profesorul Derk-Jan Dijk, coautor al studiului și director al Centrului de Cercetare a Somnului al Universității din Surrey, a adăugat:

„Această lucrare arată cum matematica poate elucida procese complexe și personale precum somnul. Cu datele și modelele potrivite, putem face recomandări mai bune și dezvolta noi intervenții pentru a îmbunătăți somnul la persoanele a căror odihnă este perturbată de rutinele moderne, îmbătrânire sau boli.”