คณิตศาสตร์อธิบายว่าทำไมเด็กทารกจึงนอนในเวลากลางวัน วัยรุ่นจึงนอนดึก และผู้สูงอายุจึงตื่นเช้า

เคยสงสัยไหมว่าทำไมเด็กทารกถึงงีบหลับในบางวันแต่ไม่งีบในบางวัน หรือทำไมผู้สูงอายุถึงตื่นเช้ากว่าปกติ แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของการควบคุมการนอนหลับให้คำตอบที่คาดไม่ถึงสำหรับคำถามเหล่านี้และคำถามอื่นๆ จากการศึกษาใหม่ของมหาวิทยาลัยเซอร์เรย์

ในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสารnpj Biological Timing and Sleepนักวิจัยได้วิเคราะห์โครงสร้างทางคณิตศาสตร์ของแบบจำลองกระบวนการคู่ (2PM) ของการควบคุมการนอนหลับ ซึ่งเสนอครั้งแรกในช่วงทศวรรษปี 1980 2PM อธิบายว่ารูปแบบการนอนหลับของเราถูกกำหนดโดยปัจจัยสองประการ ได้แก่ แรงกดดันในการนอนหลับ ซึ่งจะเพิ่มขึ้นเมื่อเราตื่นนานขึ้นและลดลงในระหว่างการนอนหลับ และจังหวะชีวภาพของนาฬิกาชีวภาพภายในร่างกายของเรา ซึ่งกินเวลาประมาณ 24 ชั่วโมง

ทีมวิจัยจาก Surrey ได้ใช้คณิตศาสตร์เพื่อแสดงให้เห็นว่า 2PM สะท้อนกระบวนการของสมองอย่างไรในขณะที่สลับระหว่างการนอนหลับและการตื่น พวกเขาแสดงให้เห็นว่าแบบจำลองนี้ช่วยอธิบายว่าทำไมทารกในช่วงพัฒนาการบางช่วงจึงงีบหลับเฉพาะบางวันเท่านั้น ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่นักวิทยาศาสตร์ด้านออสซิลเลเตอร์เรียกว่า "บันไดปีศาจ" แบบจำลองเดียวกันนี้ยังอธิบายรูปแบบการนอนหลับของสัตว์ได้อีกด้วย

นักวิจัยยังได้รวมคณิตศาสตร์ของสวิตช์การนอน-ตื่นเข้ากับคณิตศาสตร์ของผลกระทบของแสงต่อนาฬิกาชีวภาพ แบบจำลองเชิงบูรณาการนี้ช่วยอธิบายว่าปรากฏการณ์การนอนหลับจำนวนมากถูกกำหนดโดยกระบวนการทางสรีรวิทยาภายในและสภาพแวดล้อมร่วมกันได้อย่างไร

ตัวอย่างเช่น แบบจำลองนี้อธิบายว่าทำไมวัยรุ่นจึงมีแนวโน้มที่จะนอนหลับและตื่นสายกว่าเด็กเล็ก การเพิ่มขึ้นของแรงกดดันในการนอนหลับอย่างช้าๆ ระหว่างการตื่น ช่วยให้พวกเขาตื่นได้นานขึ้น และการได้รับแสงสว่างในตอนเย็นยิ่งทำให้การนอนหลับล่าช้าออกไปอีก

แบบจำลองนี้ยังนำเสนอข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ เกี่ยวกับรูปแบบทั่วไปอื่นๆ อีกด้วย สิ่งหนึ่งที่น่าประหลาดใจคือ การตื่นนอนเร็วในวัยชราอาจไม่ได้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของนาฬิกาชีวภาพอย่างที่คนทั่วไปเข้าใจกัน แต่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ของระบบต่างๆ ที่ควบคุมการนอนหลับ และปฏิสัมพันธ์เหล่านี้เปลี่ยนแปลงไปตามอายุ สภาพแวดล้อม และชีววิทยาของแต่ละบุคคล

ผลงานของทีมแสดงให้เห็นว่าแบบจำลอง 14.00 น. + แสง ช่วยให้เข้าใจว่าเหตุใดบางคนจึงมีปัญหาในการตื่นเช้าหรือเข้านอนในเวลาที่ "สังคมยอมรับ" ไม่ใช่เพราะนาฬิกาชีวภาพของพวกเขา "เสีย" แต่เนื่องจากสภาพแวดล้อม (แสง) หรือสรีรวิทยาของพวกเขาทำให้เข้านอนช้าลง

ศาสตราจารย์แอนน์ สเกลดอน หัวหน้าคณะคณิตศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยเซอร์เรย์และหัวหน้าผู้เขียนการศึกษากล่าวว่า:

“แบบจำลองนี้มอบความหวังสำหรับความเข้าใจที่ดีขึ้นและแนวทางแก้ไขปัญหาการนอนหลับ การใช้คณิตศาสตร์ช่วยให้เราเห็นได้ว่าการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ ในแสงสว่าง กิจวัตรประจำวัน หรือชีววิทยา ส่งผลต่อรูปแบบการนอนหลับอย่างไร และได้ทดสอบวิธีการปฏิบัติเพื่อปรับปรุงการนอนหลับให้ดีขึ้นสำหรับทุกคน นี่คือก้าวสำคัญสู่การแก้ปัญหาเฉพาะบุคคลที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งสามารถพัฒนาคุณภาพชีวิตของผู้คนได้”

โดยใช้คณิตศาสตร์ นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าแบบจำลอง 2PM + แสงมีพฤติกรรมเหมือนระบบของออสซิลเลเตอร์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งประกอบด้วย ออสซิลเลเตอร์ช่วงหลับ-ตื่น ออสซิลเลเตอร์ของนาฬิกาชีวภาพ และรูปแบบแสง/มืดที่ส่งผ่านไปยังสมองผ่านทางดวงตา

นักวิทยาศาสตร์อธิบายว่าโดยทั่วไปแล้วออสซิลเลเตอร์การนอน-การตื่นจะไม่ปฏิบัติตามจังหวะ 24 ชั่วโมง แต่เป็นปฏิสัมพันธ์กับนาฬิกาชีวภาพและวงจรแสงที่ช่วยให้เราสอดคล้องกับวงจรกลางวัน-กลางคืนผ่านกระบวนการที่เรียกว่า "การดึง"

เพื่อศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของการสั่นเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการจำลองทางคณิตศาสตร์โดยใช้แบบจำลอง 2PM + แสง การจำลองแสดงให้เห็นว่าการอยู่ในอาคารเกือบทั้งวันและเปิดไฟสว่างในตอนเย็นจะรบกวนระบบออสซิลเลเตอร์ และส่งผลต่อการนอนหลับด้วย สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสามารถคาดการณ์พฤติกรรมต่างๆ ได้ เช่น การเปลี่ยนแปลงของการนอนหลับหลังจากได้รับแสงในตอนเย็น หรือความยากลำบากในการนอนหลับเป็นประจำ

ศาสตราจารย์ Derk-Jan Dijk ผู้เขียนร่วมการศึกษาและผู้อำนวยการศูนย์วิจัยการนอนหลับของมหาวิทยาลัย Surrey กล่าวเสริมว่า:

งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าคณิตศาสตร์สามารถให้ความกระจ่างเกี่ยวกับกระบวนการที่ซับซ้อนและเป็นส่วนตัวอย่างเช่นการนอนหลับได้อย่างไร ด้วยข้อมูลและแบบจำลองที่ถูกต้อง เราสามารถให้คำแนะนำที่ดีขึ้นและพัฒนาวิธีการใหม่ๆ เพื่อปรับปรุงการนอนหลับในผู้ที่การพักผ่อนถูกรบกวนจากกิจวัตรประจำวันสมัยใหม่ อายุที่เพิ่มขึ้น หรือโรคภัยไข้เจ็บ