A matematika megmagyarázza, miért alszanak a babák napközben, miért alszanak el későn a tinédzserek, és miért kelnek fel korán az idősek

Elgondolkodott már azon, hogy miért szunyókálnak a babák egyes napokon, máskor pedig nem? Vagy miért kelnek fel korábban az idősebb emberek? A Surrey-i Egyetem új tanulmánya szerint az alvásszabályozás matematikai modellezése váratlan válaszokat ad ezekre és más kérdésekre.

Az npj Biological Timing and Sleep című folyóiratban megjelent tanulmányukban a kutatók elemezték az alvásszabályozás kettős folyamatmodelljének (2PM) matematikai szerkezetét, amelyet először az 1980-as években javasoltak. A 2PM elmagyarázza, hogy alvási szokásainkat két tényező alakítja: az alvási nyomás, amely minél tovább vagyunk ébren, annál nagyobb, és alvás közben csökken, valamint a belső biológiai óránk cirkadián ritmusa, amely körülbelül 24 órán át tart.

A Surrey-i csapat matematikai módszerekkel mutatta be, hogyan tükrözi a délutáni 2 óra az agy alvás és ébrenlét közötti váltási folyamatait. Kimutatták, hogy a modell segít megmagyarázni, hogy a csecsemők miért csak bizonyos napokon szundikálnak a fejlődés bizonyos szakaszaiban – ezt a jelenséget az oszcillátorokkal foglalkozó tudósok „ördöglépcsőként” ismerik. Ugyanez a modell magyarázza az állatok alvási mintáit is.

A kutatók az alvás-ébrenlét kapcsolók matematikáját a fény biológiai órára gyakorolt hatásának matematikájával is kombinálták. Ez az integrált modell segít megmagyarázni, hogy számos alvási jelenséget a belső fiziológiai folyamatok és a környezet kombinációja határoz meg.

Például a modell megmagyarázza, miért hajlamosak a tinédzserek később elaludni és felébredni, mint a fiatalabb gyerekek. Az alvási nyomás lassabb növekedése az ébrenlét során lehetővé teszi számukra, hogy tovább maradjanak ébren, és az esti erős fénynek való kitettség tovább késlelteti az elalvást.

A modell új ismereteket nyújt más gyakori mintázatokról is. Egy meglepő megállapítás: Az időskori korai ébredés oka talán nem annyira a biológiai óra változásai lehetnek, mint ahogy azt általában gondolják, hanem az, hogy az alvást szabályozó különböző rendszerek hogyan hatnak egymásra, és hogyan változnak ezek a kölcsönhatások az életkorral, a környezettel és az egyéni biológiával.

A csapat munkája azt mutatja, hogy a délután 2 óra + fénymodell betekintést nyújt abba, hogy egyes embereknek miért van nehézségük korán kelni vagy „társadalmilag elfogadható” időben lefeküdni – nem azért, mert a biológiai órájuk „hibás”, hanem azért, mert a (fény)környezetük vagy fiziológiájuk későbbre tolja az alvást.

Anne Skeldon professzor, a Surrey-i Egyetem Matematika Tanszékének vezetője és a tanulmány vezető szerzője a következőket mondta:

„Ez a modell reményt kínál az alvási problémák jobb megértésére és megoldására. A matematika segítségével láthatjuk, hogyan változtatják meg az alvási szokásokat a világítás, a rutin vagy a biológia apró változásai, és gyakorlati módszereket tesztelhetünk az alvás javítására mindenki számára. Ez egy lépés a személyre szabottabb, hatékonyabb megoldások felé, amelyek javíthatják az emberek életminőségét.”

Matematikai számítások segítségével a kutatók kimutatták, hogy a délután 2-kor kezdődő fénymodell nemlineáris oszcillátorok rendszereként viselkedik – egy alvás-ébrenlét oszcillátor, a biológiai óra oszcillációi és egy világos/sötét mintázat, amely a szemen keresztül éri el az agyat.

A tudósok magyarázata szerint az alvás-ébrenlét oszcillátor jellemzően nem követ 24 órás ritmust, hanem a biológiai órával és a fényciklusokkal való kölcsönhatás segít abban, hogy szinkronban maradjunk a nappal-éjszaka ciklussal egy „elköteleződésnek” nevezett folyamaton keresztül.

Ezen oszcilláló kölcsönhatások további vizsgálata érdekében a tudósok matematikai szimulációkat végeztek a délután 2 óra + fénymodell segítségével. A szimulációk kimutatták, hogy a nap nagy részében zárt térben tartózkodás és az esti erős lámpák felkapcsolása megzavarja az oszcillátor rendszert, és ezzel együtt az alvást is. Ez lehetővé tette számukra számos viselkedés előrejelzését, például az esti fénynek való kitettség utáni alvási eltolódásokat vagy a rendszeres alvás nehézségeit.

Derk-Jan Dijk professzor, a tanulmány társszerzője és a Surrey-i Egyetem Alváskutató Központjának igazgatója hozzátette:

„Ez a munka azt mutatja, hogy a matematika hogyan deríthet fényt az olyan összetett és személyes folyamatokra, mint az alvás. A megfelelő adatokkal és modellekkel jobb ajánlásokat tehetünk, és új beavatkozásokat fejleszthetünk ki az alvás javítására azoknál az embereknél, akiknek a pihenését a modern rutin, az öregedés vagy a betegség megzavarja.”