Matematik forklarer, hvorfor babyer sover om dagen, teenagere falder i søvn sent, og ældre vågner tidligt

Har du nogensinde spekuleret over, hvorfor babyer sover middagslur nogle dage, men ikke andre? Eller hvorfor ældre mennesker vågner tidligere? Matematisk modellering af søvnregulering giver uventede svar på disse og andre spørgsmål, ifølge en ny undersøgelse fra University of Surrey.

I en artikel offentliggjort i npj Biological Timing and Sleep analyserede forskerne den matematiske struktur af den dobbelte procesmodel (2PM) for søvnregulering, som først blev foreslået i 1980'erne. 2PM forklarer, hvordan vores søvnmønstre formes af to faktorer: søvntrykket, som stiger, jo længere vi er vågne, og falder under søvn, og døgnrytmen i vores indre biologiske ur, som varer i ~24 timer.

Surrey-holdet brugte matematik til at vise, hvordan klokken 14 afspejler hjernens processer, når den skifter mellem søvn og vågenhed. De viste, at modellen er med til at forklare, hvorfor babyer på bestemte udviklingsstadier kun tager lure på bestemte dage - et fænomen kendt som "Djævelens trappe" blandt oscillatorforskere. Den samme model forklarer søvnmønstre hos dyr.

Forskerne kombinerede også matematikken bag søvn-vågenhedsskift med matematikken bag, hvordan lys påvirker det biologiske ur. Denne integrerede model hjælper med at forklare, hvordan mange søvnfænomener bestemmes af en kombination af interne fysiologiske processer og miljøet.

For eksempel forklarer modellen, hvorfor teenagere har en tendens til at falde i søvn og vågne senere end yngre børn. En langsommere stigning i søvntrykket under vågenhed gør det muligt for dem at forblive vågne længere, og aftenens eksponering for stærkt lys forsinker søvnen yderligere.

Modellen giver også nye indsigter i andre almindelige mønstre. Én overraskende opdagelse: Tidlig opvågning i alderdommen kan muligvis ikke så meget skyldes ændringer i det biologiske ur, som det almindeligvis antages, men snarere hvordan de forskellige systemer, der styrer søvn, interagerer, og hvordan disse interaktioner ændrer sig med alder, miljø og individuel biologi.

Holdets arbejde viser, at 14:00 + lysmodellen giver indsigt i, hvorfor nogle mennesker har svært ved at vågne tidligt eller gå i seng på et "socialt acceptabelt" tidspunkt - ikke fordi deres biologiske ur er "i stykker", men fordi deres (lyse) omgivelser eller fysiologi presser dem til at sove senere.

Professor Anne Skeldon, leder af School of Mathematics ved University of Surrey og hovedforfatter til undersøgelsen, sagde:

"Denne model giver håb om bedre forståelse og løsninger på søvnproblemer. Ved hjælp af matematik kan vi se, hvordan små ændringer i belysning, rutine eller biologi ændrer søvnmønstre, og teste praktiske måder at forbedre søvnen for alle. Dette er et skridt i retning af mere personlige og effektive løsninger, der kan forbedre folks livskvalitet."

Ved hjælp af matematik viste forskerne, at 2PM + lysmodellen opfører sig som et system af ikke-lineære oscillatorer - en søvn-vågen-oscillator, oscillationer i det biologiske ur og et lys/mørke-mønster, der når hjernen gennem øjnene.

Forskere forklarer, at søvn-vågenhedsoscillatoren typisk ikke følger en 24-timers rytme, men det er interaktionen med det biologiske ur og lyscyklusserne, der hjælper os med at holde os synkroniseret med dag-nat-cyklussen gennem en proces kendt som "metro".

For yderligere at undersøge disse oscillerende interaktioner udførte forskerne matematiske simuleringer ved hjælp af 2PM + lysmodellen. Simuleringerne viste, at det at være indendørs det meste af dagen og have stærkt lys tændt om aftenen forstyrrer oscillatorsystemet og dermed søvnen. Dette gjorde det muligt for dem at forudsige en række adfærdsmønstre, såsom søvnskift efter aftenlyseksponering eller vanskeligheder med at få regelmæssig søvn.

Professor Derk-Jan Dijk, medforfatter til studiet og direktør for University of Surreys søvnforskningscenter, tilføjede:

"Dette arbejde viser, hvordan matematik kan kaste lys over komplekse og personlige processer som søvn. Med de rigtige data og modeller kan vi komme med bedre anbefalinger og udvikle nye interventioner for at forbedre søvnen hos mennesker, hvis hvile forstyrres af moderne rutiner, aldring eller sygdom."