Математиката обяснява защо бебетата спят през деня, тийнейджърите заспиват късно, а възрастните хора се събуждат рано

Някога чудили ли сте се защо бебетата спят в някои дни, а в други не? Или защо възрастните хора се събуждат по-рано? Математическото моделиране на регулацията на съня дава неочаквани отговори на тези и други въпроси, според ново проучване на Университета в Съри.

В статия, публикувана в npj Biological Timing and Sleep, изследователите анализираха математическата структура на двупроцесния модел (2PM) за регулиране на съня, предложен за първи път през 80-те години на миналия век. 2PM обяснява как нашите модели на сън се оформят от два фактора: налягането на съня, което се увеличава с по-дългото ни бодърстване и намалява по време на сън, и циркадния ритъм на нашия вътрешен биологичен часовник, който трае около 24 часа.

Екипът от Съри използва математика, за да покаже как 2PM отразява процесите в мозъка, докато той превключва между сън и будност. Те показаха, че моделът помага да се обясни защо бебетата на определени етапи от развитието си дремват само в определени дни - феномен, известен като „стълбището на дявола“ сред учените, изучаващи осцилатори. Същият модел обяснява моделите на сън при животните.

Изследователите също така комбинираха математиката на превключвателите между сън и бодърстване с математиката на това как светлината влияе на биологичния часовник. Този интегриран модел помага да се обясни как много от явленията на съня се определят от комбинация от вътрешни физиологични процеси и околната среда.

Например, моделът обяснява защо тийнейджърите са склонни да заспиват и да се събуждат по-късно от по-малките деца. По-бавното повишаване на налягането на съня по време на будност им позволява да останат будни по-дълго, а вечерното излагане на ярка светлина допълнително забавя съня.

Моделът предлага и нови прозрения за други често срещани модели. Едно изненадващо откритие: Ранното събуждане в напреднала възраст може да се дължи не толкова на промени в биологичния часовник, както обикновено се смята, а на това как взаимодействат различните системи, които управляват съня, и как тези взаимодействия се променят с възрастта, околната среда и индивидуалната биология.

Работата на екипа показва, че моделът „2PM + светлина“ дава представа защо някои хора имат затруднения да се събуждат рано или да си лягат в „социално приемливо“ време – не защото биологичният им часовник е „счупен“, а защото (светлата) им среда или физиология избутват съня по-късно.

Професор Ан Скелдън, ръководител на Факултета по математика в Университета в Съри и водещ автор на изследването, каза:

„Този модел предлага надежда за по-добро разбиране и решения на проблемите със съня. Използвайки математика, можем да видим как малки промени в осветлението, рутината или биологията променят моделите на сън и да тестваме практически начини за подобряване на съня за всички. Това е стъпка към по-персонализирани и ефективни решения, които могат да подобрят качеството на живот на хората.“

Използвайки математика, изследователите показаха, че моделът 2PM + светлина се държи като система от нелинейни осцилатори - осцилатор на сън-бодърстване, трептения на биологичния часовник и модел светлина/тъмнина, който достига до мозъка през очите.

Учените обясняват, че осцилаторът сън-бодърстване обикновено не следва 24-часов ритъм, но взаимодействието с биологичния часовник и светлинните цикли ни помага да останем в синхрон с цикъла ден-нощ чрез процес, известен като „привличане“.

За да проучат по-нататък тези осцилаторни взаимодействия, учените проведоха математически симулации, използвайки модела 2PM + светлина. Симулациите показаха, че престоят на закрито през по-голямата част от деня и ярките светлини вечер нарушават осцилаторната система и с нея съня. Това им позволи да предскажат редица поведения, като например промени в съня след вечерно излагане на светлина или затруднения с редовното заспиване.

Професор Дерк-Ян Дайк, съавтор на изследването и директор на Центъра за изследване на съня към Университета в Съри, добави:

„Тази работа показва как математиката може да хвърли светлина върху сложни и лични процеси като съня. С правилните данни и модели можем да правим по-добри препоръки и да разработваме нови интервенции за подобряване на съня при хора, чийто сън е нарушен от съвременните рутини, стареенето или болестите.“