מתמטיקה מסבירה מדוע תינוקות ישנים במהלך היום, בני נוער נרדמים מאוחר וקשישים מתעוררים מוקדם

תהיתם פעם מדוע תינוקות ישנים תנומות בחלק מהימים אך לא באחרים? או מדוע אנשים מבוגרים מתעוררים מוקדם יותר? מודלים מתמטיים של ויסות שינה מספקים תשובות בלתי צפויות לשאלות אלו ואחרות, על פי מחקר חדש מאוניברסיטת סארי.

במאמר שפורסם ב- npj Biological Timing and Sleep, החוקרים ניתחו את המבנה המתמטי של מודל התהליך הכפול (2PM) של ויסות שינה, שהוצע לראשונה בשנות ה-80. המודל 2PM מסביר כיצד דפוסי השינה שלנו מעוצבים על ידי שני גורמים: לחץ השינה, שעולה ככל שאנו נשארים ערים זמן רב יותר ויורד במהלך השינה, והקצב הצירקדי של השעון הביולוגי הפנימי שלנו, שנמשך כ-24 שעות.

צוות סארי השתמש במתמטיקה כדי להראות כיצד השעה 14:00 משקפת את תהליכי המוח כשהוא עובר בין שינה לערות. הם הראו שהמודל מסייע להסביר מדוע תינוקות בשלבי התפתחות מסוימים ישנים תנומות רק בימים מסוימים - תופעה המכונה "מדרגות השטן" בקרב מדעני מתנדים. אותו מודל מסביר דפוסי שינה אצל בעלי חיים.

החוקרים שילבו גם את המתמטיקה של מתגי שינה-ערות עם המתמטיקה של האופן שבו אור משפיע על השעון הביולוגי. מודל משולב זה מסייע להסביר כיצד תופעות שינה רבות נקבעות על ידי שילוב של תהליכים פיזיולוגיים פנימיים והסביבה.

לדוגמה, המודל מסביר מדוע בני נוער נוטים להירדם ולהתעורר מאוחר יותר מילדים צעירים יותר. עלייה איטית יותר בלחץ השינה במהלך ערות מאפשרת להם להישאר ערים זמן רב יותר, וחשיפה לאור בהיר בערב מעכבת עוד יותר את השינה.

המודל מציע גם תובנות חדשות לגבי דפוסים נפוצים אחרים. ממצא מפתיע אחד: התעוררות מוקדמת בגיל מבוגר עשויה להיות מונעת לאו דווקא על ידי שינויים בשעון הביולוגי, כפי שנהוג לחשוב, אלא על ידי האופן שבו המערכות השונות השולטות בשינה מקיימות אינטראקציה, וכיצד אינטראקציות אלו משתנות עם הגיל, הסביבה והביולוגיה האישית.

עבודת הצוות מראה שמודל האור של 14:00 + מספק תובנות לגבי הסיבות לכך שאנשים מסוימים מתקשים להתעורר מוקדם או ללכת לישון בשעה "מקובל חברתית" - לא בגלל שהשעון הביולוגי שלהם "מקולקל", אלא בגלל שהסביבה (האורית) או הפיזיולוגיה שלהם דוחפים את השינה מאוחרת יותר.

פרופסור אן סקלדון, ראש בית הספר למתמטיקה באוניברסיטת סארי והמחברת הראשית של המחקר, אמרה:

"מודל זה מציע תקווה להבנה טובה יותר ולפתרונות לבעיות שינה. באמצעות מתמטיקה, אנו יכולים לראות כיצד שינויים קטנים בתאורה, בשגרה או בביולוגיה משנים דפוסי שינה ולבחון דרכים מעשיות לשיפור השינה עבור כולם. זהו צעד לקראת פתרונות מותאמים אישית ויעילים יותר שיכולים לשפר את איכות חייהם של אנשים."

באמצעות מתמטיקה, הראו החוקרים כי מודל האור 14:00 + 14:00 מתנהג כמו מערכת של מתנדים לא ליניאריים - מתנד שינה-ערות, תנודות של השעון הביולוגי ודפוס אור/חושך המגיע למוח דרך העיניים.

מדענים מסבירים כי מתנד השינה-ערות אינו פועל בדרך כלל לפי קצב של 24 שעות, אך האינטראקציה עם השעון הביולוגי ומחזורי האור היא שעוזרת לנו להישאר מסונכרנים עם מחזור היום-לילה באמצעות תהליך המכונה "הסבה".

כדי לחקור לעומק את האינטראקציות התנודתיות הללו, המדענים ביצעו סימולציות מתמטיות באמצעות מודל האור 2PM +. הסימולציות הראו ששהייה בתוך הבית במשך רוב שעות היום ותאורה בהירה דולקת בערב משבשת את מערכת האוסצינטים, ועמה גם את השינה. זה אפשר להם לחזות מספר התנהגויות, כגון שינויי שינה לאחר חשיפה לאור ערב או קושי בשינה סדירה.

פרופסור דרק-יאן דייק, מחבר שותף של המחקר ומנהל מרכז המחקר לשינה של אוניברסיטת סארי, הוסיף:

"עבודה זו מראה כיצד מתמטיקה יכולה לשפוך אור על תהליכים מורכבים ואישיים כמו שינה. בעזרת הנתונים והמודלים הנכונים, נוכל לתת המלצות טובות יותר ולפתח התערבויות חדשות לשיפור השינה אצל אנשים שמנוחתם מופרעת על ידי שגרה מודרנית, הזדקנות או מחלות."