Почему дети спят днём, а в другие дни — нет? Почему пожилые люди просыпаются рано? Новое исследование Университета Суррея, опубликованное в научном журнале «Биологические ритмы и сон», даёт неожиданные ответы на эти вопросы с помощью математического моделирования регуляции сна.
Учёные проанализировали двухпроцессную модель (2PM), предложенную в 1980-х годах, которая объясняет влияние двух факторов на режим сна: потребности во сне, увеличивающейся при бодрствовании и уменьшающейся во время сна, и почти 24-часового ритма внутренних биологических часов.
Группа из Суррея показала, что время 14:00 отражает переход мозга из состояния сна в состояние бодрствования. Это объясняет, почему дети иногда спят днём, а иногда нет, что называется «лестницей дьявола». Модель также применима к животным.
Исследователи объединили модели перехода от сна к бодрствованию с влиянием света на биологические часы, объясняя, что многие явления, связанные со сном, зависят от внутренних процессов и окружающей среды.
Например, подростки ложатся спать и встают позже из-за медленного нарастания потребности во сне и яркого света вечером, откладывающего засыпание.
Модель также объясняет раннее пробуждение с возрастом не только изменениями в биологических часах, но и взаимодействием различных систем, контролирующих сон, и их изменением под влиянием окружающей среды и биологических особенностей.
Работа команды ученых демонстрирует, что модель «2 часа дня плюс свет» помогает объяснить, почему некоторым людям сложно просыпаться рано или засыпать вовремя. Проблема не в том, что их внутренние биологические часы нарушены, а в том, что внешние факторы, такие как освещение, или внутренние биологические процессы смещают время сна.
Профессор Энн Скелдон из Университета Суррея, возглавляющая кафедру математики и ведущая автор исследования, отметила: «Эта модель открывает перспективы для более глубокого понимания и решения проблем со сном. Используя математические методы, мы можем проанализировать, как небольшие изменения в освещении, распорядке дня или внутренних процессах влияют на сон, и разработать практические решения для улучшения сна у всех. Это шаг к созданию персонализированных и эффективных методов, которые улучшат качество жизни людей».
Математические методы позволили исследователям доказать, что модель «2 часа дня плюс свет» функционирует как система нелинейных осцилляторов — осциллятор сна и бодрствования, колебания биологических часов и смена дня и ночи, которая воздействует на мозг через глаза.
Исследователи объясняют, что цикл сна и бодрствования не всегда соответствует 24-часовому ритму. Однако взаимодействие с биологическими часами и смена дня и ночи помогают нам синхронизироваться с этим циклом через процесс, известный как синхронизация.
Для более детального изучения взаимодействия этих колебаний исследователи провели математическое моделирование с использованием модели «2 часа дня плюс свет». Результаты моделирования показали, что длительное нахождение в помещении при включенном свете вечером нарушает работу осцилляторной системы и, как следствие, ухудшает сон.
Моделирование также позволило предсказать ряд поведенческих реакций, таких как смещение режима сна из-за позднего воздействия света или трудности с регулярным засыпанием.
Профессор Дерк-Ян Дейк, соавтор исследования и директор Исследовательского центра сна в Университете Суррея, подчеркнул: «Эта работа демонстрирует, как математика может пролить свет на такой сложный и индивидуальный процесс, как сон. С правильными данными и моделями мы можем давать более персонализированные рекомендации и разрабатывать новые методы для улучшения сна у людей, чей режим отдыха нарушается современным ритмом жизни, старением или состоянием здоровья».
Источник информации: Anne C. Skeldon et al, The complexity and commonness of the two-process model of sleep regulation from a mathematical perspective, npj Biological Timing and Sleep (2025). DOI: 10.1038/s44323-025-00039-z