Ipinapaliwanag ng matematika kung bakit natutulog ang mga sanggol sa araw, ang mga tinedyer ay natutulog nang huli, at ang mga matatanda ay gumising ng maaga

Naisip mo na ba kung bakit ang mga sanggol ay natutulog ng ilang araw ngunit hindi ang iba? O bakit mas maagang gumising ang mga matatanda? Ang pagmomodelo ng matematika ng regulasyon sa pagtulog ay nagbibigay ng mga hindi inaasahang sagot sa mga ito at iba pang mga tanong, ayon sa isang bagong pag-aaral mula sa Unibersidad ng Surrey.

Sa isang papel na inilathala sa npj Biological Timing and Sleep, sinuri ng mga mananaliksik ang mathematical structure ng dual-process model (2PM) ng regulasyon sa pagtulog, na unang iminungkahi noong 1980s. Ipinapaliwanag ng 2PM kung paano nahuhubog ang ating mga pattern ng pagtulog ng dalawang salik: ang presyon ng pagtulog, na tumataas kapag mas matagal tayong gising at bumababa habang natutulog, at ang circadian rhythm ng ating panloob na biological na orasan, na tumatagal ng ~24 na oras.

Ginamit ng pangkat ng Surrey ang matematika upang ipakita kung paano sinasalamin ng 2PM ang mga proseso ng utak habang nagpapalipat-lipat ito sa pagitan ng pagtulog at pagpupuyat. Ipinakita nila na ang modelo ay nakakatulong na ipaliwanag kung bakit ang mga sanggol sa ilang yugto ng pag-unlad ay umiidlip lamang sa ilang partikular na araw - isang phenomenon na kilala bilang "Devil's staircase" sa mga oscillator scientist. Ipinapaliwanag ng parehong modelo ang mga pattern ng pagtulog sa mga hayop.

Pinagsama rin ng mga mananaliksik ang matematika ng sleep-wake switch sa matematika kung paano nakakaapekto ang liwanag sa biological na orasan. Ang pinagsamang modelong ito ay nakakatulong na ipaliwanag kung gaano karaming sleep phenomena ang natutukoy sa pamamagitan ng kumbinasyon ng mga internal na prosesong pisyolohikal at kapaligiran.

Halimbawa, ipinaliwanag ng modelo kung bakit ang mga tinedyer ay madalas na nakatulog at nagising nang mas maaga kaysa sa mga bata. Ang mas mabagal na pagtaas ng presyon sa pagtulog sa panahon ng pagpupuyat ay nagbibigay-daan sa kanila na manatiling gising nang mas matagal, at ang pagkakalantad sa gabi sa maliwanag na liwanag ay higit na nagpapaantala sa pagtulog.

Nag-aalok din ang modelo ng mga bagong insight sa iba pang karaniwang pattern. Isang nakakagulat na natuklasan: Ang maagang paggising sa katandaan ay maaaring hindi dahil sa mga pagbabago sa biological na orasan, tulad ng karaniwang iniisip, ngunit sa pamamagitan ng kung paano nakikipag-ugnayan ang iba't ibang mga sistema na namamahala sa pagtulog, at kung paano nagbabago ang mga pakikipag-ugnayang ito sa edad, kapaligiran, at indibidwal na biology.

Ipinapakita ng trabaho ng team na ang 2PM + light model ay nagbibigay ng insight kung bakit may mga taong nahihirapang gumising ng maaga o matulog sa oras na "katanggap-tanggap sa lipunan" - hindi dahil "sira" ang kanilang biological na orasan, ngunit dahil ang kanilang (liwanag) na kapaligiran o pisyolohiya ay nagtutulak ng pagtulog mamaya.

Si Propesor Anne Skeldon, pinuno ng School of Mathematics sa Unibersidad ng Surrey at nangungunang may-akda ng pag-aaral, ay nagsabi:

"Ang modelong ito ay nag-aalok ng pag-asa para sa mas mahusay na pag-unawa at mga solusyon sa mga problema sa pagtulog. Gamit ang matematika, makikita natin kung paano ang maliliit na pagbabago sa ilaw, routine, o biology ay nagbabago ng mga pattern ng pagtulog at sumusubok ng mga praktikal na paraan upang mapabuti ang pagtulog para sa lahat. Ito ay isang hakbang patungo sa mas personalized, epektibong mga solusyon na maaaring mapabuti ang kalidad ng buhay ng mga tao."

Gamit ang matematika, ipinakita ng mga mananaliksik na ang 2PM + light model ay kumikilos tulad ng isang sistema ng mga nonlinear oscillator - isang sleep-wake oscillator, mga oscillations ng biological clock, at isang light/dark pattern na umaabot sa utak sa pamamagitan ng mga mata.

Ipinaliwanag ng mga siyentipiko na ang sleep-wake oscillator ay hindi karaniwang sumusunod sa isang 24 na oras na ritmo, ngunit ito ay ang pakikipag-ugnayan sa biological clock at light cycles na tumutulong sa amin na manatiling naka-sync sa day-night cycle sa pamamagitan ng isang proseso na kilala bilang "entrainment."

Upang higit pang tuklasin ang mga oscillatory na interaksyon na ito, nagsagawa ang mga siyentipiko ng mathematical simulation gamit ang 2PM + light model. Ipinakita ng mga simulation na ang pagiging nasa loob ng bahay sa halos buong araw at ang pagkakaroon ng maliwanag na ilaw sa gabi ay nakakaabala sa oscillator system at, kasama nito, natutulog. Nagbigay-daan ito sa kanila na mahulaan ang ilang mga pag-uugali, tulad ng mga pagbabago sa pagtulog pagkatapos ng pagkakalantad sa liwanag sa gabi o kahirapan sa regular na pagtulog.

Idinagdag ni Propesor Derk-Jan Dijk, co-author ng pag-aaral at direktor ng University of Surrey's Sleep Research Center:

"Ipinapakita ng gawaing ito kung paano makapagbibigay-liwanag ang matematika sa mga kumplikado at personal na proseso tulad ng pagtulog. Gamit ang tamang data at mga modelo, makakagawa tayo ng mas mahusay na mga rekomendasyon at makakagawa tayo ng mga bagong interbensyon upang mapabuti ang pagtulog sa mga taong ang pahinga ay naaabala ng mga modernong gawain, pagtanda o sakit."