A matemática explica por que os bebês dormem durante o dia, os adolescentes dormem tarde e os idosos acordam cedo

Já se perguntou por que os bebês tiram sonecas em alguns dias e não em outros? Ou por que os idosos acordam mais cedo? A modelagem matemática da regulação do sono fornece respostas inesperadas a essas e outras perguntas, de acordo com um novo estudo da Universidade de Surrey.

Em um artigo publicado no npj Biological Timing and Sleep, os pesquisadores analisaram a estrutura matemática do modelo de processo duplo (2PM) de regulação do sono, proposto pela primeira vez na década de 1980. O 2PM explica como nossos padrões de sono são moldados por dois fatores: a pressão do sono, que aumenta quanto mais tempo ficamos acordados e diminui durante o sono, e o ritmo circadiano do nosso relógio biológico interno, que dura cerca de 24 horas.

A equipe de Surrey usou matemática para mostrar como as 14h espelham os processos cerebrais ao alternar entre o sono e a vigília. Eles mostraram que o modelo ajuda a explicar por que bebês em certos estágios de desenvolvimento só tiram sonecas em determinados dias — um fenômeno conhecido como "escada do diabo" entre os cientistas que estudam osciladores. O mesmo modelo explica os padrões de sono em animais.

Os pesquisadores também combinaram a matemática das mudanças entre sono e vigília com a matemática de como a luz afeta o relógio biológico. Esse modelo integrado ajuda a explicar como muitos fenômenos do sono são determinados por uma combinação de processos fisiológicos internos e do ambiente.

Por exemplo, o modelo explica por que os adolescentes tendem a adormecer e acordar mais tarde do que as crianças mais novas. Um aumento mais lento na pressão do sono durante a vigília permite que permaneçam acordados por mais tempo, e a exposição noturna à luz forte atrasa ainda mais o sono.

O modelo também oferece novos insights sobre outros padrões comuns. Uma descoberta surpreendente: o despertar precoce na velhice pode ser motivado não tanto por mudanças no relógio biológico, como comumente se pensa, mas pela forma como os diferentes sistemas que regem o sono interagem, e como essas interações mudam com a idade, o ambiente e a biologia individual.

O trabalho da equipe mostra que o modelo 14h + luz fornece insights sobre o motivo pelo qual algumas pessoas têm dificuldade em acordar cedo ou ir para a cama em um horário "socialmente aceitável" - não porque seu relógio biológico esteja "quebrado", mas porque seu ambiente (de luz) ou fisiologia adiam o sono.

A professora Anne Skeldon, diretora da Escola de Matemática da Universidade de Surrey e principal autora do estudo, disse:

Este modelo oferece esperança para uma melhor compreensão e soluções para os problemas do sono. Usando a matemática, podemos ver como pequenas mudanças na iluminação, na rotina ou na biologia alteram os padrões de sono e testar maneiras práticas de melhorar o sono para todos. Este é um passo em direção a soluções mais personalizadas e eficazes que podem melhorar a qualidade de vida das pessoas.

Usando matemática, os pesquisadores mostraram que o modelo 2PM + luz se comporta como um sistema de osciladores não lineares — um oscilador sono-vigília, oscilações do relógio biológico e um padrão claro/escuro que chega ao cérebro através dos olhos.

Cientistas explicam que o oscilador sono-vigília normalmente não segue um ritmo de 24 horas, mas é a interação com o relógio biológico e os ciclos de luz que nos ajuda a permanecer em sincronia com o ciclo dia-noite por meio de um processo conhecido como "arrastamento".

Para explorar mais a fundo essas interações oscilatórias, os cientistas realizaram simulações matemáticas usando o modelo 14h + luz. As simulações mostraram que ficar em ambientes fechados a maior parte do dia e ter luzes fortes acesas à noite interrompe o sistema oscilatório e, com ele, o sono. Isso permitiu que eles previssem uma série de comportamentos, como alterações no sono após a exposição à luz noturna ou dificuldade para dormir regularmente.

O professor Derk-Jan Dijk, coautor do estudo e diretor do Centro de Pesquisa do Sono da Universidade de Surrey, acrescentou:

Este trabalho mostra como a matemática pode lançar luz sobre processos complexos e pessoais como o sono. Com os dados e modelos corretos, podemos fazer recomendações mais adequadas e desenvolver novas intervenções para melhorar o sono de pessoas cujo descanso é interrompido por rotinas modernas, envelhecimento ou doenças.