Matematika vysvetľuje, prečo bábätká spia cez deň, tínedžeri zaspávajú neskoro a starší ľudia sa zobudia skoro

Premýšľali ste niekedy nad tým, prečo si bábätká niektoré dni zdriemnu a iné nie? Alebo prečo sa starší ľudia zobudia skôr? Matematické modelovanie regulácie spánku poskytuje neočakávané odpovede na tieto a ďalšie otázky, tvrdí nová štúdia z University of Surrey.

V článku publikovanom v npj Biological Timing and Sleep výskumníci analyzovali matematickú štruktúru modelu duálneho procesu (2PM) regulácie spánku, ktorý bol prvýkrát navrhnutý v 80. rokoch 20. storočia. 2PM vysvetľuje, ako sú naše spánkové vzorce formované dvoma faktormi: tlakom spánku, ktorý sa zvyšuje s dlhším bdením a znižuje sa počas spánku, a cirkadiánnym rytmom našich vnútorných biologických hodín, ktorý trvá približne 24 hodín.

Tím zo Surrey použil matematiku na ukázanie toho, ako 2PM odráža procesy v mozgu pri prepínaní medzi spánkom a bdením. Ukázali, že model pomáha vysvetliť, prečo si bábätká v určitých štádiách vývoja zdriemnu iba v určité dni – jav známy medzi vedcami zaoberajúcimi sa oscilátormi ako „Diablove schodisko“. Rovnaký model vysvetľuje spánkové vzorce u zvierat.

Výskumníci tiež skombinovali matematiku prepínania spánku a bdenia s matematikou toho, ako svetlo ovplyvňuje biologické hodiny. Tento integrovaný model pomáha vysvetliť, koľko spánkových javov je určených kombináciou vnútorných fyziologických procesov a prostredia.

Model napríklad vysvetľuje, prečo tínedžeri majú tendenciu zaspávať a vstávať neskôr ako mladšie deti. Pomalší nárast spánkového tlaku počas bdelosti im umožňuje zostať dlhšie bdelí a večerné vystavenie jasnému svetlu ešte viac odďaľuje zaspávanie.

Model tiež ponúka nové poznatky o ďalších bežných vzorcoch. Jedno prekvapujúce zistenie: Skoré prebúdzanie sa v starobe môže byť spôsobené nie tak zmenami biologických hodín, ako sa bežne predpokladá, ale skôr tým, ako rôzne systémy, ktoré riadia spánok, interagujú a ako sa tieto interakcie menia s vekom, prostredím a individuálnou biológiou.

Práca tímu ukazuje, že model 14:00 + svetlo poskytuje prehľad o tom, prečo majú niektorí ľudia ťažkosti s skorým vstávaním alebo s chodením spať v „spoločensky prijateľnom“ čase – nie preto, že by ich biologické hodiny boli „pokazené“, ale preto, že ich (svetelné) prostredie alebo fyziológia posúvajú spánok neskôr.

Profesorka Anne Skeldonová, vedúca Fakulty matematiky na Univerzite v Surrey a hlavná autorka štúdie, povedala:

„Tento model ponúka nádej na lepšie pochopenie a riešenia problémov so spánkom. Pomocou matematiky môžeme vidieť, ako malé zmeny v osvetlení, rutine alebo biológii menia spánkové vzorce a testovať praktické spôsoby, ako zlepšiť spánok pre všetkých. Toto je krok smerom k personalizovanejším a efektívnejším riešeniam, ktoré môžu zlepšiť kvalitu života ľudí.“

Pomocou matematiky výskumníci ukázali, že model 2PM + svetlo sa správa ako systém nelineárnych oscilátorov – oscilátor spánku a bdenia, oscilácie biologických hodín a vzor svetlo/tma, ktorý sa dostáva do mozgu cez oči.

Vedci vysvetľujú, že oscilátor spánku a bdenia sa zvyčajne neriadi 24-hodinovým rytmom, ale je to interakcia s biologickými hodinami a svetelnými cyklami, ktorá nám pomáha zostať v synchronizácii s denným a nočným cyklom prostredníctvom procesu známeho ako „strhávanie“.

Aby vedci ďalej preskúmali tieto oscilačné interakcie, vykonali matematické simulácie s použitím modelu 2PM + svetlo. Simulácie ukázali, že pobyt v interiéri počas väčšiny dňa a zapnuté jasné svetlá večer narúšajú oscilačný systém a s ním aj spánok. To im umožnilo predpovedať množstvo správania, ako sú napríklad zmeny spánku po večernom vystavení svetlu alebo ťažkosti s pravidelným spánkom.

Profesor Derk-Jan Dijk, spoluautor štúdie a riaditeľ Centra pre výskum spánku na Univerzite v Surrey, dodal:

„Táto práca ukazuje, ako matematika môže objasniť zložité a osobné procesy, ako je spánok. So správnymi údajmi a modelmi môžeme vydávať lepšie odporúčania a vyvíjať nové intervencie na zlepšenie spánku u ľudí, ktorých odpočinok je narušený modernými rutinami, starnutím alebo chorobami.“