Matematik menerangkan mengapa bayi tidur pada siang hari, remaja tidur lewat, dan orang tua bangun awal

Pernah terfikir mengapa bayi tidur beberapa hari tetapi tidak pada hari lain? Atau mengapa orang tua bangun lebih awal? Pemodelan matematik peraturan tidur memberikan jawapan yang tidak dijangka kepada soalan-soalan ini dan lain-lain, menurut satu kajian baru dari Universiti Surrey.

Dalam makalah yang diterbitkan dalam npj Biological Timing and Sleep, para penyelidik menganalisis struktur matematik model dwi-proses (2PM) peraturan tidur, yang pertama kali dicadangkan pada tahun 1980-an. 2PM menerangkan bagaimana corak tidur kita dibentuk oleh dua faktor: tekanan tidur, yang meningkatkan lebih lama kita berjaga dan berkurangan semasa tidur, dan irama sirkadian jam biologi dalaman kita, yang berlangsung selama ~24 jam.

Pasukan Surrey menggunakan matematik untuk menunjukkan bagaimana 2PM mencerminkan proses otak semasa ia bertukar antara tidur dan terjaga. Mereka menunjukkan bahawa model itu membantu menjelaskan mengapa bayi pada peringkat perkembangan tertentu hanya tidur siang pada hari-hari tertentu - fenomena yang dikenali sebagai "tangga syaitan" dalam kalangan saintis pengayun. Model yang sama menerangkan corak tidur dalam haiwan.

Para penyelidik juga menggabungkan matematik suis tidur-bangun dengan matematik bagaimana cahaya mempengaruhi jam biologi. Model bersepadu ini membantu menjelaskan bilangan fenomena tidur yang ditentukan oleh gabungan proses fisiologi dalaman dan persekitaran.

Sebagai contoh, model menerangkan mengapa remaja cenderung tidur dan bangun lebih lewat daripada kanak-kanak yang lebih muda. Peningkatan tekanan tidur yang lebih perlahan semasa terjaga membolehkan mereka berjaga lebih lama, dan pendedahan pada waktu malam kepada cahaya terang akan melambatkan lagi tidur.

Model ini juga menawarkan pandangan baharu tentang corak biasa yang lain. Satu penemuan yang mengejutkan: Kebangkitan awal pada usia tua mungkin didorong bukan oleh perubahan dalam jam biologi, seperti yang biasa difikirkan, tetapi oleh cara sistem berbeza yang mengawal tidur berinteraksi, dan bagaimana interaksi ini berubah mengikut umur, persekitaran dan biologi individu.

Kerja pasukan menunjukkan bahawa model 2PM + cahaya memberikan pandangan tentang sebab sesetengah orang mengalami kesukaran untuk bangun awal atau tidur pada waktu yang "boleh diterima secara sosial" - bukan kerana jam biologi mereka "pecah", tetapi kerana persekitaran atau fisiologi (cahaya) mereka mendorong tidur kemudian.

Profesor Anne Skeldon, ketua Sekolah Matematik di Universiti Surrey dan pengarang utama kajian itu, berkata:

"Model ini menawarkan harapan untuk pemahaman yang lebih baik dan penyelesaian kepada masalah tidur. Menggunakan matematik, kita dapat melihat bagaimana perubahan kecil dalam pencahayaan, rutin atau biologi mengalihkan corak tidur dan menguji cara praktikal untuk meningkatkan tidur untuk semua orang. Ini adalah satu langkah ke arah penyelesaian yang lebih diperibadikan dan berkesan yang boleh meningkatkan kualiti hidup orang ramai."

Menggunakan matematik, penyelidik menunjukkan bahawa model cahaya 2PM + berkelakuan seperti sistem pengayun tak linear - pengayun tidur-bangun, ayunan jam biologi dan corak terang/gelap yang sampai ke otak melalui mata.

Para saintis menjelaskan bahawa pengayun tidur-bangun biasanya tidak mengikut irama 24 jam, tetapi interaksi dengan jam biologi dan kitaran cahaya yang membantu kita kekal selari dengan kitaran siang-malam melalui proses yang dikenali sebagai "entrainment."

Untuk meneroka lebih lanjut interaksi berayun ini, saintis menjalankan simulasi matematik menggunakan model cahaya 2PM +. Simulasi menunjukkan bahawa berada di dalam rumah sepanjang hari dan menyalakan lampu terang pada waktu petang mengganggu sistem pengayun dan, dengan itu, tidur. Ini membolehkan mereka meramalkan beberapa tingkah laku, seperti perubahan tidur selepas pendedahan cahaya malam atau kesukaran mendapatkan tidur yang teratur.

Profesor Derk-Jan Dijk, pengarang bersama kajian dan pengarah Pusat Penyelidikan Tidur Universiti Surrey, menambah:

"Kerja ini menunjukkan bagaimana matematik boleh menjelaskan proses yang kompleks dan peribadi seperti tidur. Dengan data dan model yang betul, kami boleh membuat cadangan yang lebih baik dan membangunkan campur tangan baharu untuk meningkatkan tidur pada orang yang rehatnya terganggu oleh rutin moden, penuaan atau penyakit."