Matemātika izskaidro, kāpēc mazuļi guļ dienas laikā, pusaudži aizmieg vēlu un vecāka gadagājuma cilvēki mostas agri

Vai esat kādreiz domājuši, kāpēc dažas dienas mazuļi guļ diendusu, bet citas ne? Vai kāpēc vecāki cilvēki mostas agrāk? Saskaņā ar jaunu Surrey Universitātes pētījumu, miega regulācijas matemātiskā modelēšana sniedz negaidītas atbildes uz šiem un citiem jautājumiem.

Rakstā, kas publicēts žurnālā npj Biological Timing and Sleep, pētnieki analizēja miega regulēšanas divprocesu modeļa (2PM) matemātisko struktūru, kas pirmo reizi tika ierosināts 20. gs. astoņdesmitajos gados. 2PM skaidro, kā mūsu miega modeļus veido divi faktori: miega spiediens, kas palielinās, jo ilgāk esam nomodā, un samazinās miega laikā, un mūsu iekšējā bioloģiskā pulksteņa diennakts ritms, kas ilgst ~24 stundas.

Sarijas universitātes komanda izmantoja matemātiku, lai parādītu, kā pulksten 14:00 atspoguļo smadzeņu procesus, tām pārejot starp miegu un nomodu. Viņi parādīja, ka modelis palīdz izskaidrot, kāpēc zīdaiņi noteiktos attīstības posmos guļ diendusu tikai noteiktās dienās – parādība, kas oscilatoru zinātnieku vidū pazīstama kā "Velna kāpnes". Tas pats modelis izskaidro miega modeļus dzīvniekiem.

Pētnieki apvienoja arī miega un nomoda slēdžu matemātiku ar gaismas ietekmes uz bioloģisko pulksteni matemātiku. Šis integrētais modelis palīdz izskaidrot, cik daudzas miega parādības nosaka iekšējo fizioloģisko procesu un vides kombinācija.

Piemēram, modelis izskaidro, kāpēc pusaudžiem ir tendence aizmigt un mosties vēlāk nekā jaunākiem bērniem. Lēnāks miega spiediena pieaugums nomoda laikā ļauj viņiem ilgāk palikt nomodā, un vakara spilgtas gaismas iedarbība vēl vairāk aizkavē miegu.

Modelis sniedz arī jaunu ieskatu citos izplatītos modeļos. Viens pārsteidzošs atklājums: agrīnu pamošanos vecumdienās var veicināt ne tik daudz bioloģiskā pulksteņa izmaiņas, kā parasti tiek uzskatīts, bet gan tas, kā mijiedarbojas dažādas miegu regulējošas sistēmas un kā šī mijiedarbība mainās atkarībā no vecuma, vides un individuālās bioloģijas.

Komandas darbs rāda, ka gaismas modelis, kas balstīts uz plkst. 14:00+, sniedz ieskatu par to, kāpēc dažiem cilvēkiem ir grūtības agri celties vai iet gulēt "sociāli pieņemamā" laikā — nevis tāpēc, ka viņu bioloģiskais pulkstenis ir "bojāts", bet gan tāpēc, ka viņu (gaismas) vide vai fizioloģija veicina miega ieilgšanu.

Profesore Anna Skeldona, Surrey Universitātes Matemātikas skolas vadītāja un pētījuma galvenā autore, sacīja:

“Šis modelis sniedz cerību uz labāku izpratni par miega problēmām un to risinājumiem. Izmantojot matemātiku, mēs varam redzēt, kā nelielas izmaiņas apgaismojumā, rutīnā vai bioloģijā maina miega modeļus, un pārbaudīt praktiskus veidus, kā uzlabot miegu ikvienam. Šis ir solis ceļā uz personalizētākiem, efektīvākiem risinājumiem, kas var uzlabot cilvēku dzīves kvalitāti.”

Izmantojot matemātiku, pētnieki parādīja, ka gaismas modelis plkst. 14:00+ uzvedas kā nelineāru oscilatoru sistēma — miega-nomoda oscilators, bioloģiskā pulksteņa svārstības un gaismas/tumsas modelis, kas sasniedz smadzenes caur acīm.

Zinātnieki skaidro, ka miega un nomoda oscilators parasti neievēro 24 stundu ritmu, bet tieši mijiedarbība ar bioloģisko pulksteni un gaismas cikliem palīdz mums saglabāt sinhronizāciju ar dienas un nakts ciklu, izmantojot procesu, kas pazīstams kā “entrainment”.

Lai sīkāk izpētītu šīs svārstību mijiedarbības, zinātnieki veica matemātiskas simulācijas, izmantojot gaismas modeli “14:00+”. Simulācijas parādīja, ka atrašanās telpās lielāko dienas daļu un spilgtas gaismas ieslēgšana vakarā traucē oscilatoru sistēmu un līdz ar to arī miegu. Tas ļāva viņiem paredzēt vairākus uzvedības veidus, piemēram, miega maiņas pēc vakara gaismas iedarbības vai grūtības regulāri gulēt.

Pētījuma līdzautors un Surrey Universitātes Miega pētījumu centra direktors profesors Derks-Jans Deiks piebilda:

"Šis darbs parāda, kā matemātika var izgaismot sarežģītus un personiskus procesus, piemēram, miegu. Ar pareizajiem datiem un modeļiem mēs varam sniegt labākus ieteikumus un izstrādāt jaunas intervences, lai uzlabotu miegu cilvēkiem, kuru atpūtu traucē mūsdienu rutīna, novecošana vai slimības."