Wiskunde verklaart waarom baby's overdag slapen, tieners laat in slaap vallen en ouderen vroeg wakker worden

Heb je je ooit afgevraagd waarom baby's sommige dagen een dutje doen en andere niet? Of waarom oudere mensen eerder wakker worden? Wiskundige modellen van slaapregulatie bieden onverwachte antwoorden op deze en andere vragen, volgens een nieuwe studie van de Universiteit van Surrey.

In een artikel gepubliceerd in npj Biological Timing and Sleep analyseerden de onderzoekers de wiskundige structuur van het dual-process model (2PM) van slaapregulatie, dat voor het eerst werd voorgesteld in de jaren 1980. 2PM legt uit hoe onze slaappatronen worden gevormd door twee factoren: slaapdruk, die toeneemt naarmate we langer wakker blijven en afneemt tijdens de slaap, en het circadiane ritme van onze interne biologische klok, dat ongeveer 24 uur duurt.

Het team van Surrey gebruikte wiskunde om aan te tonen hoe 14.00 uur de hersenprocessen weerspiegelt tijdens de overgang tussen slaap en waakzaamheid. Ze toonden aan dat het model helpt verklaren waarom baby's in bepaalde ontwikkelingsstadia alleen op bepaalde dagen dutjes doen – een fenomeen dat onder oscillatorwetenschappers bekend staat als de "duivelstrap". Hetzelfde model verklaart slaappatronen bij dieren.

De onderzoekers combineerden ook de wiskunde van slaap-waakschakelingen met de wiskunde van hoe licht de biologische klok beïnvloedt. Dit geïntegreerde model helpt verklaren hoe veel slaapverschijnselen worden bepaald door een combinatie van interne fysiologische processen en de omgeving.

Het model verklaart bijvoorbeeld waarom tieners de neiging hebben om later in slaap te vallen en wakker te worden dan jongere kinderen. Een langzamere toename van de slaapdruk tijdens het wakker zijn zorgt ervoor dat ze langer wakker blijven, en blootstelling aan fel licht in de avond vertraagt de slaap nog verder.

Het model biedt ook nieuwe inzichten in andere veelvoorkomende patronen. Een verrassende bevinding: vroeg ontwaken op oudere leeftijd wordt mogelijk niet zozeer veroorzaakt door veranderingen in de biologische klok, zoals vaak wordt gedacht, maar door de manier waarop de verschillende systemen die slaap regelen op elkaar inwerken, en hoe deze interacties veranderen met de leeftijd, de omgeving en de individuele biologie.

Uit het werk van het team blijkt dat het 2PM + lichtmodel inzicht geeft in de vraag waarom sommige mensen moeite hebben om vroeg wakker te worden of op een 'sociaal geaccepteerd' tijdstip naar bed te gaan. Dat komt niet omdat hun biologische klok 'kapot' is, maar omdat hun (lichte) omgeving of fysiologie ervoor zorgt dat ze later in slaap vallen.

Professor Anne Skeldon, hoofd van de faculteit Wiskunde aan de Universiteit van Surrey en hoofdauteur van de studie, zei:

Dit model biedt hoop op een beter begrip en oplossingen voor slaapproblemen. Met behulp van wiskunde kunnen we zien hoe kleine veranderingen in verlichting, routine of biologie slaappatronen veranderen en praktische manieren testen om de slaap voor iedereen te verbeteren. Dit is een stap in de richting van meer gepersonaliseerde, effectieve oplossingen die de kwaliteit van leven van mensen kunnen verbeteren.

Met behulp van wiskunde toonden de onderzoekers aan dat het 2PM+-lichtmodel zich gedraagt als een systeem van niet-lineaire oscillatoren: een slaap-waakoscillator, oscillaties van de biologische klok en een licht/donkerpatroon dat via de ogen de hersenen bereikt.

Wetenschappers leggen uit dat de slaap-waakoscillator normaal gesproken geen 24-uursritme volgt, maar dat het de interactie is met de biologische klok en lichtcycli die ons helpt in sync te blijven met de dag-nachtcyclus via een proces dat bekend staat als 'entrainment'.

Om deze oscillerende interacties verder te onderzoeken, voerden de wetenschappers wiskundige simulaties uit met behulp van het 2PM+-lichtmodel. De simulaties toonden aan dat het grootste deel van de dag binnen zitten en 's avonds felle lichten aan hebben, het oscillatiesysteem en daarmee de slaap verstoort. Dit stelde hen in staat om een aantal gedragingen te voorspellen, zoals slaapverschuivingen na blootstelling aan avondlicht of moeite met regelmatig slapen.

Professor Derk-Jan Dijk, medeauteur van het onderzoek en directeur van het Slaaponderzoekscentrum van de Universiteit van Surrey, voegde hieraan toe:

Dit werk laat zien hoe wiskunde licht kan werpen op complexe en persoonlijke processen zoals slaap. Met de juiste data en modellen kunnen we betere aanbevelingen doen en nieuwe interventies ontwikkelen om de slaap te verbeteren bij mensen van wie de rust verstoord wordt door moderne routines, veroudering of ziekte.