Matemaatika selgitab, miks beebid päeval magavad, teismelised jäävad hilja magama ja eakad ärkavad vara

Kas olete kunagi mõelnud, miks beebid mõnel päeval uinakut magavad, aga teisel mitte? Või miks vanemad inimesed ärkavad varem? Surrey ülikooli uue uuringu kohaselt annab uneregulatsiooni matemaatiline modelleerimine neile ja teistele küsimustele ootamatuid vastuseid.

Ajakirjas npj Biological Timing and Sleep avaldatud artiklis analüüsisid teadlased 1980. aastatel esmakordselt välja pakutud uneregulatsiooni kaheprotsessilise mudeli (2PM) matemaatilist struktuuri. 2PM selgitab, kuidas meie unemustreid kujundavad kaks tegurit: unerõhk, mis suureneb ärkveloleku kestel ja väheneb une ajal, ning meie sisemise bioloogilise kella ööpäevarütm, mis kestab ~24 tundi.

Surrey meeskond kasutas matemaatikat, et näidata, kuidas kell 14.00 peegeldab aju protsesse une ja ärkveloleku vahel lülitudes. Nad näitasid, et mudel aitab selgitada, miks teatud arenguetappides beebid teevad uinakuid ainult teatud päevadel – nähtus, mida ostsillaatoriteadlased tunnevad kui "kuraditreppi". Sama mudel selgitab ka loomade unemustreid.

Teadlased ühendasid une-ärkveloleku lülituste matemaatika valguse bioloogilise kella mõju matemaatikaga. See integreeritud mudel aitab selgitada, kui paljusid unenähtusi määrab sisemiste füsioloogiliste protsesside ja keskkonna kombinatsioon.

Näiteks selgitab mudel, miks teismelised kipuvad magama jääma ja ärkama hiljem kui nooremad lapsed. Unerõhu aeglasem tõus ärkveloleku ajal võimaldab neil kauem ärkvel püsida ja õhtune ereda valguse käes viibimine lükkab und veelgi edasi.

Mudel pakub ka uusi teadmisi teiste levinud mustrite kohta. Üks üllatav leid: varajane ärkamine vanemas eas ei pruugi olla tingitud niivõrd bioloogilise kella muutustest, nagu üldiselt arvatakse, kuivõrd sellest, kuidas und reguleerivad erinevad süsteemid omavahel suhtlevad ja kuidas need interaktsioonid muutuvad vanuse, keskkonna ja individuaalse bioloogiaga.

Meeskonna töö näitab, et kella 14.00 ja enama tunni valgusmudel annab ülevaate sellest, miks mõnel inimesel on raskusi vara ärkamise või "sotsiaalselt vastuvõetaval" ajal magamaminekuga – mitte sellepärast, et nende bioloogiline kell oleks "katki", vaid seetõttu, et nende (valgus)keskkond või füsioloogia lükkab une hilisemaks.

Surrey ülikooli matemaatikakooli juhataja ja uuringu juhtiv autor professor Anne Skeldon ütles:

„See mudel pakub lootust uneprobleemide paremaks mõistmiseks ja lahenduste leidmiseks. Matemaatika abil saame näha, kuidas väikesed muutused valgustuses, rutiinis või bioloogias muudavad unemustreid, ning testida praktilisi viise igaühe une parandamiseks. See on samm personaalsemate ja tõhusamate lahenduste suunas, mis võivad parandada inimeste elukvaliteeti.“

Matemaatika abil näitasid teadlased, et 2PM+ valgusmudel käitub nagu mittelineaarsete ostsillaatorite süsteem – une-ärkveloleku ostsillaator, bioloogilise kella võnkumised ja valguse/pimeduse muster, mis jõuab ajju silmade kaudu.

Teadlased selgitavad, et une-ärkveloleku ostsillaator ei järgi tavaliselt 24-tunnist rütmi, vaid just bioloogilise kella ja valgustsüklitega suhtlemine aitab meil püsida sünkroonis päeva-öö tsükliga protsessi kaudu, mida tuntakse kui "kaasahaaramist".

Nende võnkuvate interaktsioonide edasiseks uurimiseks viisid teadlased läbi matemaatilisi simulatsioone, kasutades valgusmudelit 14:00+. Simulatsioonid näitasid, et suurema osa päevast siseruumides viibimine ja õhtul eredate tulede põlema panemine häirib ostsillaatorite süsteemi ja koos sellega ka und. See võimaldas neil ennustada mitmeid käitumismustreid, näiteks unenihkeid pärast õhtust valguse käes viibimist või raskusi regulaarse une saamisega.

Uuringu kaasautor ja Surrey ülikooli uneuuringute keskuse direktor professor Derk-Jan Dijk lisas:

"See töö näitab, kuidas matemaatika saab valgustada keerulisi ja isiklikke protsesse nagu uni. Õigete andmete ja mudelite abil saame anda paremaid soovitusi ja arendada uusi sekkumisi, et parandada und inimestel, kelle puhkust häirivad tänapäevased rutiinid, vananemine või haigused."