Matematika pojasnjuje, zakaj dojenčki spijo podnevi, najstniki zaspijo pozno, starejši pa se zgodaj zbudijo.

Ste se kdaj vprašali, zakaj dojenčki nekatere dni spijo, druge pa ne? Ali zakaj se starejši ljudje zbudijo prej? Matematično modeliranje uravnavanja spanja ponuja nepričakovane odgovore na ta in druga vprašanja, v skladu z novo študijo Univerze v Surreyju.

V članku, objavljenem v npj Biological Timing and Sleep, so raziskovalci analizirali matematično strukturo modela dvojnega procesa (2PM) regulacije spanja, ki je bil prvič predlagan v osemdesetih letih prejšnjega stoletja. 2PM pojasnjuje, kako naše vzorce spanja oblikujejo dva dejavnika: spalni tlak, ki se povečuje, dlje ko smo budni, in se med spanjem zmanjšuje, ter cirkadiani ritem naše notranje biološke ure, ki traja približno 24 ur.

Ekipa iz Surreyja je s pomočjo matematike pokazala, kako 2PM odraža možganske procese pri preklapljanju med spanjem in budnostjo. Pokazali so, da model pomaga razložiti, zakaj dojenčki v določenih fazah razvoja dremajo le ob določenih dneh – pojav, ki ga znanstveniki, ki se ukvarjajo z oscilatorji, imenujejo »Hudičevo stopnišče«. Isti model pojasnjuje vzorce spanja pri živalih.

Raziskovalci so združili tudi matematiko preklopov med spanjem in budnostjo z matematiko vpliva svetlobe na biološko uro. Ta integrirani model pomaga razložiti, koliko spalnih pojavov določa kombinacija notranjih fizioloških procesov in okolja.

Model na primer pojasnjuje, zakaj najstniki običajno zaspijo in se zbudijo pozneje kot mlajši otroci. Počasnejše povečanje spalnega tlaka med budnostjo jim omogoča, da ostanejo dlje budni, večerna izpostavljenost močni svetlobi pa še dodatno odloži spanec.

Model ponuja tudi nove vpoglede v druge pogoste vzorce. Presenetljiva ugotovitev: zgodnje prebujanje v starosti morda ni toliko posledica sprememb biološke ure, kot se običajno misli, temveč interakcije različnih sistemov, ki uravnavajo spanje, in kako se te interakcije spreminjajo s starostjo, okoljem in individualno biologijo.

Delo ekipe kaže, da model 14:00 + svetloba ponuja vpogled v to, zakaj imajo nekateri ljudje težave z zgodnjim vstajanjem ali odhodom spat ob "družbeno sprejemljivem" času – ne zato, ker je njihova biološka ura "pokvarjena", ampak zato, ker njihovo (svetlobno) okolje ali fiziologija potiska spanje pozneje.

Profesorica Anne Skeldon, vodja Šole za matematiko na Univerzi v Surreyju in glavna avtorica študije, je dejala:

»Ta model ponuja upanje za boljše razumevanje in rešitve težav s spanjem. Z uporabo matematike lahko vidimo, kako majhne spremembe v osvetlitvi, rutini ali biologiji spreminjajo vzorce spanja, in preizkusimo praktične načine za izboljšanje spanca za vse. To je korak k bolj prilagojenim in učinkovitim rešitvam, ki lahko izboljšajo kakovost življenja ljudi.«

Raziskovalci so z uporabo matematike pokazali, da se model 2PM + svetloba obnaša kot sistem nelinearnih oscilatorjev - oscilator spanja in budnosti, nihanja biološke ure in vzorec svetlobe/teme, ki doseže možgane skozi oči.

Znanstveniki pojasnjujejo, da oscilator spanja in budnosti običajno ne sledi 24-urnemu ritmu, vendar nam interakcija z biološko uro in svetlobnimi cikli pomaga ostati usklajeni s ciklom dneva in noči s procesom, znanim kot "vleka".

Za nadaljnje raziskovanje teh nihajnih interakcij so znanstveniki izvedli matematične simulacije z uporabo modela 2PM + svetloba. Simulacije so pokazale, da bivanje v zaprtih prostorih večino dneva in prižig močnih luči zvečer motita oscilatorni sistem in s tem spanec. To jim je omogočilo, da so napovedali številna vedenja, kot so premiki spanja po večerni izpostavljenosti svetlobi ali težave z rednim spanjem.

Profesor Derk-Jan Dijk, soavtor študije in direktor Centra za raziskave spanja Univerze v Surreyju, je dodal:

"To delo kaže, kako lahko matematika osvetli kompleksne in osebne procese, kot je spanje. S pravimi podatki in modeli lahko podamo boljša priporočila in razvijemo nove posege za izboljšanje spanja pri ljudeh, katerih počitek motijo sodobne rutine, staranje ali bolezni."