La matematica spiega perché i bambini dormono durante il giorno, gli adolescenti si addormentano tardi e gli anziani si svegliano presto

Vi siete mai chiesti perché i bambini dormono alcuni giorni ma non altri? O perché gli anziani si svegliano prima? La modellizzazione matematica della regolazione del sonno fornisce risposte inaspettate a queste e ad altre domande, secondo un nuovo studio dell'Università del Surrey.

In un articolo pubblicato su npj Biological Timing and Sleep, i ricercatori hanno analizzato la struttura matematica del modello a doppio processo (2PM) della regolazione del sonno, proposto per la prima volta negli anni '80. Il modello 2PM spiega come i nostri schemi del sonno siano plasmati da due fattori: la pressione del sonno, che aumenta quanto più a lungo restiamo svegli e diminuisce durante il sonno, e il ritmo circadiano del nostro orologio biologico interno, che dura circa 24 ore.

Il team del Surrey ha utilizzato la matematica per dimostrare come le 14:00 rispecchino i processi cerebrali durante il passaggio dal sonno alla veglia. Hanno dimostrato che il modello aiuta a spiegare perché i bambini in determinate fasi dello sviluppo facciano riposini solo in determinati giorni – un fenomeno noto tra gli studiosi degli oscillatori come la "scala del diavolo". Lo stesso modello spiega i modelli di sonno negli animali.

I ricercatori hanno anche combinato la matematica degli interruttori sonno-veglia con quella di come la luce influenza l'orologio biologico. Questo modello integrato aiuta a spiegare come molti fenomeni del sonno siano determinati da una combinazione di processi fisiologici interni e dall'ambiente.

Ad esempio, il modello spiega perché gli adolescenti tendono ad addormentarsi e a svegliarsi più tardi rispetto ai bambini più piccoli. Un aumento più lento della pressione del sonno durante la veglia permette loro di rimanere svegli più a lungo, mentre l'esposizione serale alla luce intensa ritarda ulteriormente il sonno.

Il modello offre anche nuove prospettive su altri modelli comuni. Una scoperta sorprendente: il risveglio precoce in età avanzata potrebbe essere determinato non tanto da cambiamenti nell'orologio biologico, come si pensa comunemente, quanto piuttosto da come interagiscono i diversi sistemi che governano il sonno e da come queste interazioni cambiano con l'età, l'ambiente e la biologia individuale.

Il lavoro del team dimostra che il modello 14:00 + luce fornisce informazioni sul motivo per cui alcune persone hanno difficoltà a svegliarsi presto o ad andare a letto a un orario "socialmente accettabile", non perché il loro orologio biologico sia "rotto", ma perché il loro ambiente (luminoso) o la loro fisiologia ritardano il sonno.

La professoressa Anne Skeldon, direttrice della Facoltà di Matematica dell'Università del Surrey e autrice principale dello studio, ha affermato:

Questo modello offre la speranza di una migliore comprensione e di soluzioni ai problemi del sonno. Utilizzando la matematica, possiamo osservare come piccoli cambiamenti nell'illuminazione, nella routine o nella biologia modifichino i ritmi del sonno e testare soluzioni pratiche per migliorare il sonno di tutti. Questo è un passo avanti verso soluzioni più personalizzate ed efficaci che possono migliorare la qualità della vita delle persone.

Utilizzando la matematica, i ricercatori hanno dimostrato che il modello 2PM + luce si comporta come un sistema di oscillatori non lineari: un oscillatore sonno-veglia, oscillazioni dell'orologio biologico e uno schema luce/buio che raggiunge il cervello attraverso gli occhi.

Gli scienziati spiegano che l'oscillatore sonno-veglia non segue in genere un ritmo di 24 ore, ma è l'interazione con l'orologio biologico e i cicli della luce che ci aiuta a rimanere sincronizzati con il ciclo giorno-notte attraverso un processo noto come "trascinamento".

Per esplorare ulteriormente queste interazioni oscillatorie, gli scienziati hanno condotto simulazioni matematiche utilizzando il modello "2PM + luce". Le simulazioni hanno dimostrato che stare in casa per gran parte del giorno e avere luci intense accese la sera disturba il sistema oscillatorio e, con esso, il sonno. Questo ha permesso loro di prevedere diversi comportamenti, come i cambiamenti del sonno dopo l'esposizione alla luce serale o la difficoltà ad addormentarsi regolarmente.

Il professor Derk-Jan Dijk, coautore dello studio e direttore del Centro di ricerca sul sonno dell'Università del Surrey, ha aggiunto:

Questo lavoro dimostra come la matematica possa far luce su processi complessi e personali come il sonno. Con i dati e i modelli giusti, possiamo formulare raccomandazioni più efficaci e sviluppare nuovi interventi per migliorare il sonno nelle persone il cui riposo è disturbato dalle routine moderne, dall'invecchiamento o da malattie.