Matematika paaiškina, kodėl kūdikiai miega dieną, paaugliai užmiega vėlai, o pagyvenę žmonės keliasi anksti

Ar kada susimąstėte, kodėl kūdikiai vieną dieną miega, o kitą – ne? Arba kodėl vyresnio amžiaus žmonės keliasi anksčiau? Naujo Surrey universiteto tyrimo duomenimis, matematinis miego reguliavimo modeliavimas pateikia netikėtų atsakymų į šiuos ir kitus klausimus.

Straipsnyje, paskelbtame žurnale „npj Biological Timing and Sleep“, tyrėjai analizavo miego reguliavimo dvigubo proceso modelio (2PM), pirmą kartą pasiūlyto devintajame dešimtmetyje, matematinę struktūrą. 2PM modelis paaiškina, kaip mūsų miego įpročius formuoja du veiksniai: miego spaudimas, kuris didėja kuo ilgiau nemiegame, ir mažėja miego metu, bei mūsų vidinio biologinio laikrodžio cirkadinis ritmas, kuris trunka maždaug 24 valandas.

Surrey komanda, pasitelkusi matematinius skaičiavimus, parodė, kaip 14 val. po pietų atspindi smegenų procesus, kai jos pereina tarp miego ir budrumo būsenų. Jie parodė, kad šis modelis padeda paaiškinti, kodėl kūdikiai tam tikruose vystymosi etapuose miega tik tam tikromis dienomis – šis reiškinys tarp osciliatorių mokslininkų vadinamas „velnio laiptais“. Tas pats modelis paaiškina ir gyvūnų miego įpročius.

Tyrėjai taip pat sujungė miego ir pabudimo ciklų matematiką su šviesos įtakos biologiniam laikrodžiui matematika. Šis integruotas modelis padeda paaiškinti, kiek miego reiškinių lemia vidinių fiziologinių procesų ir aplinkos derinys.

Pavyzdžiui, modelis paaiškina, kodėl paaugliai linkę užmigti ir atsibusti vėliau nei jaunesni vaikai. Lėtesnis miego spaudimo padidėjimas budrumo metu leidžia jiems ilgiau išlikti budriems, o vakarinis ryškios šviesos poveikis dar labiau atitolina miegą.

Modelis taip pat suteikia naujų įžvalgų apie kitus įprastus modelius. Vienas stebinantis atradimas: ankstyvą pabudimą senatvėje gali lemti ne tiek biologinio laikrodžio pokyčiai, kaip įprasta manyti, kiek tai, kaip sąveikauja skirtingos miegą reguliuojančios sistemos ir kaip ši sąveika keičiasi priklausomai nuo amžiaus, aplinkos ir individualios biologijos.

Komandos darbas rodo, kad 14:00 ir daugiau valandų šviesos modelis leidžia suprasti, kodėl kai kuriems žmonėms sunku anksti keltis arba eiti miegoti „socialiai priimtinu“ laiku – ne todėl, kad jų biologinis laikrodis yra „sugedęs“, o todėl, kad jų (šviesos) aplinka ar fiziologija stumia miegą vėliau.

Surrey universiteto Matematikos mokyklos vadovė ir pagrindinė tyrimo autorė profesorė Anne Skeldon sakė:

„Šis modelis suteikia vilties geriau suprasti miego problemas ir rasti joms sprendimus. Naudodami matematiką, galime pamatyti, kaip maži apšvietimo, rutinos ar biologijos pokyčiai keičia miego modelius, ir išbandyti praktinius būdus, kaip pagerinti miegą visiems. Tai žingsnis link labiau suasmenintų, veiksmingesnių sprendimų, galinčių pagerinti žmonių gyvenimo kokybę.“

Naudodami matematiką, tyrėjai parodė, kad 2PM+ šviesos modelis elgiasi kaip netiesinių osciliatorių sistema – miego ir pabudimo osciliatorius, biologinio laikrodžio svyravimai ir šviesos / tamsos modelis, pasiekiantis smegenis per akis.

Mokslininkai aiškina, kad miego ir pabudimo osciliatorius paprastai nesilaiko 24 valandų ritmo, tačiau būtent sąveika su biologiniu laikrodžiu ir šviesos ciklais padeda mums išlikti sinchronizuotiems su dienos ir nakties ciklu per procesą, vadinamą „įsitraukimu“.

Norėdami toliau tirti šias osciliacines sąveikas, mokslininkai atliko matematinius modeliavimus, naudodami 2PM + šviesos modelį. Modeliavimai parodė, kad didžioji dienos dalis būnant uždarose patalpose ir vakare įjungus ryškias šviesas, sutrikdoma osciliatorių sistema ir kartu miegas. Tai leido jiems numatyti įvairius elgesio modelius, pavyzdžiui, miego pokyčius po vakarinio apšvietimo ar sunkumus reguliariai užmigti.

Tyrimo bendraautoris ir Surrey universiteto Miego tyrimų centro direktorius profesorius Derk-Jan Dijk pridūrė:

„Šis darbas parodo, kaip matematika gali nušviesti sudėtingus ir asmeninius procesus, tokius kaip miegas. Turėdami tinkamus duomenis ir modelius, galime pateikti geresnes rekomendacijas ir sukurti naujas intervencijas, skirtas pagerinti miegą žmonėms, kurių poilsį sutrikdo šiuolaikiniai įpročiai, senėjimas ar ligos.“