Matematika objašnjava zašto bebe spavaju tijekom dana, tinejdžeri kasno zaspu, a stariji se rano bude

Jeste li se ikada pitali zašto bebe nekih dana spavaju, a drugih ne? Ili zašto se stariji ljudi bude ranije? Matematičko modeliranje regulacije sna pruža neočekivane odgovore na ova i druga pitanja, prema novoj studiji Sveučilišta u Surreyju.

U radu objavljenom u npj Biological Timing and Sleep, istraživači su analizirali matematičku strukturu modela dvostrukog procesa (2PM) regulacije sna, koji je prvi put predložen 1980-ih. 2PM objašnjava kako naše obrasce spavanja oblikuju dva faktora: pritisak spavanja, koji se povećava što smo dulje budni, a smanjuje tijekom spavanja, te cirkadijalni ritam našeg unutarnjeg biološkog sata, koji traje ~24 sata.

Tim iz Surreyja koristio je matematiku kako bi pokazao kako 14:00 sati odražava procese u mozgu dok se prebacuje između sna i budnosti. Pokazali su da model pomaže objasniti zašto bebe u određenim fazama razvoja drijemaju samo određenim danima - fenomen poznat kao "Vražje stubište" među znanstvenicima koji se bave oscilatorima. Isti model objašnjava obrasce spavanja kod životinja.

Istraživači su također kombinirali matematiku prekidača za spavanje i budnost s matematikom utjecaja svjetlosti na biološki sat. Ovaj integrirani model pomaže objasniti kako su mnogi fenomeni spavanja određeni kombinacijom unutarnjih fizioloških procesa i okoline.

Na primjer, model objašnjava zašto tinejdžeri imaju tendenciju zaspati i probuditi se kasnije od mlađe djece. Sporiji porast pritiska spavanja tijekom budnosti omogućuje im da dulje ostanu budni, a večernja izloženost jakom svjetlu dodatno odgađa san.

Model također nudi nove uvide u druge uobičajene obrasce. Jedno iznenađujuće otkriće: Rano buđenje u starosti možda nije toliko uzrokovano promjenama u biološkom satu, kako se obično misli, već načinom na koji različiti sustavi koji upravljaju snom međusobno djeluju i kako se te interakcije mijenjaju s dobi, okolinom i individualnom biologijom.

Rad tima pokazuje da model 14:00 + svjetlo pruža uvid u to zašto neki ljudi imaju poteškoća s ranim buđenjem ili odlaskom u krevet u "društveno prihvatljivo" vrijeme - ne zato što im je biološki sat "pokvaren", već zato što njihovo (svjetlosno) okruženje ili fiziologija potiskuju spavanje kasnije.

Profesorica Anne Skeldon, voditeljica Matematičkog fakulteta Sveučilišta u Surreyju i glavna autorica studije, rekla je:

„Ovaj model nudi nadu za bolje razumijevanje i rješenja problema sa spavanjem. Koristeći matematiku, možemo vidjeti kako male promjene u osvjetljenju, rutini ili biologiji mijenjaju obrasce spavanja i testirati praktične načine za poboljšanje sna za sve. Ovo je korak prema personaliziranijim, učinkovitijim rješenjima koja mogu poboljšati kvalitetu života ljudi.“

Koristeći matematiku, istraživači su pokazali da se model 2PM + svjetlo ponaša poput sustava nelinearnih oscilatora - oscilatora spavanja i buđenja, oscilacija biološkog sata i uzorka svjetla/tame koji do mozga dopire kroz oči.

Znanstvenici objašnjavaju da oscilator spavanja i buđenja obično ne slijedi 24-satni ritam, već je interakcija s biološkim satom i svjetlosnim ciklusima ono što nam pomaže da ostanemo usklađeni s ciklusom dana i noći kroz proces poznat kao "uvlačenje".

Kako bi dodatno istražili ove oscilatorne interakcije, znanstvenici su proveli matematičke simulacije koristeći model 2PM + svjetlo. Simulacije su pokazale da boravak u zatvorenom prostoru veći dio dana i upaljena jaka svjetla navečer remete sustav oscilatora i s njim san. To im je omogućilo da predvide niz ponašanja, poput promjena sna nakon izlaganja večernjoj svjetlosti ili poteškoća s redovitim spavanjem.

Profesor Derk-Jan Dijk, koautor studije i direktor Centra za istraživanje spavanja Sveučilišta u Surreyju, dodao je:

„Ovaj rad pokazuje kako matematika može osvijetliti složene i osobne procese poput sna. S pravim podacima i modelima možemo dati bolje preporuke i razviti nove intervencije za poboljšanje sna kod ljudi čiji je odmor poremećen modernim rutinama, starenjem ili bolešću.“