Matematika vysvětluje, proč miminka spí přes den, teenageři usínají pozdě a starší lidé se probouzejí brzy

Přemýšleli jste někdy nad tím, proč si miminka některé dny zdřímnou a jiné ne? Nebo proč se starší lidé probouzejí dříve? Matematické modelování regulace spánku poskytuje nečekané odpovědi na tyto a další otázky, uvádí nová studie z University of Surrey.

V článku publikovaném v npj Biological Timing and Sleep vědci analyzovali matematickou strukturu modelu regulace spánku s dvojitým procesem (2PM), který byl poprvé navržen v 80. letech 20. století. 2PM vysvětluje, jak jsou naše spánkové vzorce formovány dvěma faktory: tlakem spánku, který se zvyšuje s déle, kdy jsme vzhůru, a snižuje se během spánku, a cirkadiánním rytmem našich vnitřních biologických hodin, který trvá přibližně 24 hodin.

Tým ze Surrey použil matematiku k ukázce, jak 2PM odráží procesy v mozku, když se přepíná mezi spánkem a bděním. Ukázali, že model pomáhá vysvětlit, proč si děti v určitých fázích vývoje zdřímnou pouze v určité dny – jev známý mezi vědci zabývajícími se oscilátory jako „Ďáblovo schodiště“. Stejný model vysvětluje spánkové vzorce u zvířat.

Výzkumníci také zkombinovali matematické výpočty přepínání spánku a bdění s matematickými výpočty toho, jak světlo ovlivňuje biologické hodiny. Tento integrovaný model pomáhá vysvětlit, kolik spánkových jevů je určeno kombinací vnitřních fyziologických procesů a prostředí.

Model například vysvětluje, proč teenageři mají tendenci usínat a vstávat později než mladší děti. Pomalejší nárůst spánkového tlaku během bdělého stavu jim umožňuje zůstat déle vzhůru a večerní vystavení jasnému světlu spánek dále oddaluje.

Model také nabízí nové poznatky o dalších běžných vzorech. Jedno překvapivé zjištění: Předčasné probouzení ve stáří nemusí být způsobeno ani tak změnami biologických hodin, jak se běžně předpokládá, ale spíše tím, jak různé systémy, které řídí spánek, interagují a jak se tyto interakce mění s věkem, prostředím a individuální biologií.

Práce týmu ukazuje, že model 14:00 + světlo poskytuje vhled do toho, proč někteří lidé mají potíže s brzkým vstáváním nebo s usínáním v „společensky přijatelnou“ dobu – ne proto, že by jejich biologické hodiny byly „rozbité“, ale proto, že jejich (světelné) prostředí nebo fyziologie posouvá spánek později.

Profesorka Anne Skeldonová, vedoucí katedry matematiky na Univerzitě v Surrey a hlavní autorka studie, uvedla:

„Tento model nabízí naději na lepší pochopení a řešení problémů se spánkem. Pomocí matematiky můžeme vidět, jak malé změny v osvětlení, rutině nebo biologii mění spánkové vzorce, a testovat praktické způsoby, jak zlepšit spánek pro všechny. To je krok k personalizovanějším a efektivnějším řešením, která mohou zlepšit kvalitu života lidí.“

Pomocí matematiky vědci ukázali, že model 2PM + světlo se chová jako systém nelineárních oscilátorů – oscilátor spánku a bdění, oscilace biologických hodin a vzor světlo/tma, který se do mozku dostává skrze oči.

Vědci vysvětlují, že oscilátor spánku a bdění obvykle nedodržuje 24hodinový rytmus, ale je to interakce s biologickými hodinami a světelnými cykly, která nám pomáhá zůstat v synchronizaci s denním a nočním cyklem prostřednictvím procesu známého jako „strhávání“.

Aby vědci dále prozkoumali tyto oscilační interakce, provedli matematické simulace s využitím modelu 2PM + světlo. Simulace ukázaly, že pobyt uvnitř po většinu dne a rozsvícení jasných světel večer narušuje oscilační systém a s ním i spánek. To jim umožnilo předpovědět řadu chování, jako jsou například změny spánku po vystavení večernímu světlu nebo potíže s pravidelným spánkem.

Profesor Derk-Jan Dijk, spoluautor studie a ředitel Centra pro výzkum spánku na Univerzitě v Surrey, dodal:

„Tato práce ukazuje, jak matematika může osvětlit složité a osobní procesy, jako je spánek. Se správnými daty a modely můžeme vytvářet lepší doporučení a vyvíjet nové intervence ke zlepšení spánku u lidí, jejichž odpočinek je narušen moderními rutinami, stárnutím nebo nemocemi.“