Математика пояснює, чому немовлята сплять вдень, підлітки засинають пізно, а люди похилого віку прокидаються рано

Ви коли-небудь замислювалися, чому немовлята сплять одні дні, а інші — ні? Або чому люди похилого віку прокидаються раніше? Математичне моделювання регуляції сну дає неочікувані відповіді на ці та інші питання, згідно з новим дослідженням Університету Суррея.

У статті, опублікованій в npj Biological Timing and Sleep, дослідники проаналізували математичну структуру моделі двопроцесорної регуляції сну (2PM), вперше запропонованої в 1980-х роках. 2PM пояснює, як наші режими сну формуються двома факторами: тиском сну, який збільшується, чим довше ми не спимо, і зменшується під час сну, та циркадним ритмом нашого внутрішнього біологічного годинника, який триває ~24 години.

Команда з графства Суррей використала математику, щоб показати, як 2PM відображає процеси мозку, коли він перемикається між сном і неспанням. Вони показали, що модель допомагає пояснити, чому немовлята на певних етапах розвитку дрімають лише в певні дні – явище, відоме серед вчених, що вивчають осцилятори, як «сходи диявола». Та ж модель пояснює режим сну у тварин.

Дослідники також поєднали математику перемикачів сну та неспання з математикою того, як світло впливає на біологічний годинник. Ця інтегрована модель допомагає пояснити, як багато явищ сну визначаються поєднанням внутрішніх фізіологічних процесів та навколишнього середовища.

Наприклад, модель пояснює, чому підлітки схильні засинати та прокидатися пізніше, ніж молодші діти. Повільніше збільшення тиску сну під час неспання дозволяє їм довше не спати, а вечірнє перебування під яскравим світлом ще більше затримує сон.

Модель також пропонує нове розуміння інших поширених закономірностей. Одне несподіване відкриття: раннє пробудження в похилому віці може бути зумовлене не стільки змінами біологічного годинника, як прийнято вважати, скільки тим, як взаємодіють різні системи, що регулюють сон, і як ці взаємодії змінюються з віком, навколишнім середовищем та індивідуальною біологією.

Робота команди показує, що модель 2PM + світло дає уявлення про те, чому деяким людям важко прокидатися рано або лягати спати у «соціально прийнятний» час – не тому, що їхній біологічний годинник «зламаний», а тому, що їхнє (світлове) середовище або фізіологія відсувають сон пізніше.

Професорка Енн Скелдон, голова Школи математики в Університеті Суррея та провідна авторка дослідження, сказала:

«Ця модель дає надію на краще розуміння та вирішення проблем зі сном. Використовуючи математику, ми можемо побачити, як невеликі зміни в освітленні, розпорядку дня чи біології змінюють режим сну, та перевірити практичні способи покращення сну для всіх. Це крок до більш персоналізованих, ефективних рішень, які можуть покращити якість життя людей».

Використовуючи математику, дослідники показали, що модель 2PM + світло поводиться як система нелінійних осциляторів – осцилятор сну-неспання, коливання біологічного годинника та світло-темрява, яка досягає мозку через очі.

Вчені пояснюють, що осцилятор сну та неспання зазвичай не дотримується 24-годинного ритму, але саме взаємодія з біологічним годинником та світловими циклами допомагає нам залишатися синхронізованими з циклом день-ніч за допомогою процесу, відомого як «захоплення».

Щоб глибше дослідити ці коливальні взаємодії, вчені провели математичне моделювання, використовуючи модель 2PM + світло. Моделювання показало, що перебування в приміщенні протягом більшої частини дня та яскраве світло ввечері порушує роботу осциляторної системи, а отже, і сон. Це дозволило їм передбачити низку моделей поведінки, таких як зміни сну після вечірнього освітлення або труднощі з регулярним сном.

Професор Дерк-Ян Дейк, співавтор дослідження та директор Центру досліджень сну Університету Суррея, додав:

«Ця робота показує, як математика може пролити світло на складні та особисті процеси, такі як сон. Маючи правильні дані та моделі, ми можемо давати кращі рекомендації та розробляти нові втручання для покращення сну у людей, чий відпочинок порушений сучасним розпорядком дня, старінням чи хворобами».