Matematiikka selittää, miksi vauvat nukkuvat päivällä, teini-ikäiset nukahtavat myöhään ja vanhukset heräävät aikaisin

Oletko koskaan miettinyt, miksi vauvat nukkuvat päiväunia joinakin päivinä, mutta eivät toisina? Tai miksi vanhemmat ihmiset heräävät aikaisemmin? Surreyn yliopiston uuden tutkimuksen mukaan unen säätelyn matemaattinen mallinnus tarjoaa odottamattomia vastauksia näihin ja muihin kysymyksiin.

Npj Biological Timing and Sleep -lehdessä julkaistussa artikkelissa tutkijat analysoivat 1980-luvulla ehdotetun unen säätelyn kaksoisprosessimallin (2PM) matemaattista rakennetta. 2PM selittää, kuinka kaksi tekijää muokkaavat unirytmejämme: unenpaine, joka kasvaa mitä pidempään olemme hereillä ja laskee unen aikana, sekä sisäisen biologisen kellomme vuorokausirytmi, joka kestää noin 24 tuntia.

Surreyn tiimi käytti matematiikkaa osoittaakseen, kuinka kello 14.00 heijastaa aivojen prosesseja niiden vaihdellessa unen ja valveillaolon välillä. He osoittivat, että malli auttaa selittämään, miksi vauvat tietyissä kehitysvaiheissa nukkuvat päiväunia vain tiettyinä päivinä – ilmiö, joka tunnetaan oskillaattoritutkijoiden keskuudessa nimellä "Paholaisen portaat". Sama malli selittää eläinten unirytmiä.

Tutkijat yhdistivät myös unen ja valveen siirtymisen matematiikan valon vaikutusta biologiseen kelloon käsittelevään matematiikkaan. Tämä integroitu malli auttaa selittämään, kuinka monet uni-ilmiöt määräytyvät sisäisten fysiologisten prosessien ja ympäristön yhdistelmän perusteella.

Malli selittää esimerkiksi, miksi teini-ikäiset nukahtavat ja heräävät myöhemmin kuin nuoremmat lapset. Hitaampi unipaineen nousu valveillaolon aikana antaa heille mahdollisuuden pysyä hereillä pidempään, ja iltaisin altistuminen kirkkaalle valolle viivästyttää unta entisestään.

Malli tarjoaa myös uusia näkemyksiä muista yleisistä kaavoista. Yksi yllättävä havainto: Varhainen herääminen vanhuudessa ei ehkä johdu niinkään biologisen kellon muutoksista, kuten yleisesti ajatellaan, vaan siitä, miten unta säätelevät eri järjestelmät ovat vuorovaikutuksessa ja miten nämä vuorovaikutukset muuttuvat iän, ympäristön ja yksilön biologian myötä.

Tiimin työ osoittaa, että kello 14.00+ -valomalli antaa käsityksen siitä, miksi joillakin ihmisillä on vaikeuksia herätä aikaisin tai mennä nukkumaan "sosiaalisesti hyväksyttävään" aikaan – ei siksi, että heidän biologinen kellonsa olisi "rikki", vaan koska heidän (valoisa) ympäristönsä tai fysiologiansa työntää unta myöhempään aikaan.

Surreyn yliopiston matematiikan laitoksen johtaja ja tutkimuksen pääkirjoittaja, professori Anne Skeldon, sanoi:

”Tämä malli tarjoaa toivoa uniongelmien paremmasta ymmärtämisestä ja ratkaisuista. Matematiikan avulla voimme nähdä, miten pienet muutokset valaistuksessa, rutiineissa tai biologiassa muuttavat unirytmiä, ja testata käytännön tapoja parantaa kaikkien unta. Tämä on askel kohti yksilöllisempiä ja tehokkaampia ratkaisuja, jotka voivat parantaa ihmisten elämänlaatua.”

Matematiikan avulla tutkijat osoittivat, että kello 14.00+ -valomalli käyttäytyy kuin epälineaaristen oskillaattorien järjestelmä – uni-valveilu-oskillaattori, biologisen kellon värähtelyt ja aivoihin silmien kautta kulkeva valo-/pimeäkuvio.

Tutkijat selittävät, että uni-valveilu-oskillaattori ei tyypillisesti noudata 24 tunnin rytmiä, vaan se on vuorovaikutus biologisen kellon ja valosyklien kanssa, joka auttaa meitä pysymään synkronoituna päivä-yösyklin kanssa prosessin kautta, joka tunnetaan nimellä "entrainment".

Näiden värähtelevien vuorovaikutusten tutkimiseksi tarkemmin tutkijat suorittivat matemaattisia simulaatioita käyttämällä klo 14.00+ -valomallia. Simulaatiot osoittivat, että sisätiloissa oleminen suurimman osan päivästä ja kirkkaat valot päällä illalla häiritsevät värähtelyjärjestelmää ja sitä kautta unta. Tämän avulla he pystyivät ennustamaan useita käyttäytymismalleja, kuten unen muutoksia iltavalolle altistumisen jälkeen tai vaikeuksia saada säännöllistä unta.

Tutkimuksen toinen kirjoittaja ja Surreyn yliopiston unitutkimuskeskuksen johtaja, professori Derk-Jan Dijk, lisäsi:

"Tämä työ osoittaa, kuinka matematiikka voi valaista monimutkaisia ja henkilökohtaisia prosesseja, kuten unta. Oikean datan ja mallien avulla voimme antaa parempia suosituksia ja kehittää uusia interventioita unen parantamiseksi ihmisillä, joiden lepoa häiritsevät nykyaikaiset rutiinit, ikääntyminen tai sairaus."