Zzzzzzzz: Matematik Af En God Nats Søvn

{h1}

Janet best, en nsf-finansieret matematiker, studerer sleep-wake cykler ved hjælp af matematiske modeller.

Dette bag scenerne blev leveret til WordsSideKick.com i samarbejde med National Science Foundation.

Vi prale, når vores spædbarn endelig sover gennem natten. Vi beklager den teenager, der kræver en kanon skudt at stige fra sin seng før middagstid. Og i vores "gyldne" år spekulerer vi på, hvorfor søvn er så flygtig, men napping synes at komme lige som at trække vejret. Sådan er søvnens mysterier.

Troubled Sleep

Men søvnens mysterier er mere end blot en kilde til at forbinde undre eller ulejlighed for mange mennesker. Faktisk rapporterer Centers for Disease Control (CDC), at 70 millioner amerikanere lider af kroniske søvnproblemer, der spænder fra søvnløshed og søvnapnø til narkolepsi, rastløse bens syndrom og kredsløbsrytmeforstyrrelser. Desuden er søvnløshed forbundet med skader, kroniske sygdomme, psykiske sygdomme, dårlig livskvalitet og velvære, øgede omkostninger til sundhedsvæsenet og tabt arbejdsproduktivitet ", ifølge CDCs søvn- og søvnforstyrrelsespolitik, som evaluerer forekomsten og indvirkning på søvnmangel og søvnforstyrrelser.

For at hjælpe med at løse sådanne problemer har biologer, adfærdsmæssige forskere, neurovidenskabere og endda madrasproducenter i årevis studeret mysterierne om søvn og vågenhed og søvnforstyrrelser. Men for nylig har forskere erkendt, at en anden nødvendig disciplin, der bør indgå i samarbejdsmæssige tilgange til søvnrelaterede spørgsmål, er god olmodet matematik.

At arbejde for at forstå søvn

Bidrag til sådanne samarbejdsformer er Janet Best - en matematiker ved Ohio State University, hvis forskning er finansieret af National Science Foundation (NSF). Best har også tilknyttet universitetets NSF-finansierede matematiske biovidenskabsinstitut, de seneste 10 år med at studere søvnvågne cykler ved hjælp af matematiske modeller.

"For at forstå søvn, forsøger vi at reformulere biologiske spørgsmål i form af matematik, typisk systemer af differentialligninger," forklarede hun. "Sleep er både regelmæssigt og tilfældigt. Det er regelmæssigt, at vi går i seng generelt på samme tid af dagen. Slumpen forekommer hos spædbørn, der ikke synes at have mønster for deres søvncyklus og i variabiliteten af, hvornår vi måske vågner op under natten. Jeg har undersøgt hvordan neurale strukturer i hjernen påvirker tilfældige og regelmæssige overgange mellem søvn og vågne. "

Best beskriver ved hjælp af ligninger egenskaberne hos neuroner involveret i sleep-wake-hjerne kredsløb, Best udvikler matematiske modeller, der repræsenterer måder, hvorpå neuroner interagerer og påvirker hinanden. Hun validerer sine modeller ved at kontrollere deres forudsigelser mod data, som biologer samler i studier, der involverer både mennesker og rotter. (Overraskende nok går baby rotteres søvnmønstre igennem lignende ændringer som spædbarns søvnmønstre, men det er ikke klart hvordan lignende voksne rotte søvn er for menneskelig søvn.) Når de er blevet valideret, kan Best's modeller bruges til at teste ideer om søvn og vågne mønstre.

"Ideen er at se, hvordan folk sover normalt, så vi kan forstå, når tingene går galt," sagde Best. "I løbet af natten oplever vi" udbrud "af søvn og vækkelse. Der er variabilitet, som vi er opmærksomme på, men faktisk er der endnu mere variabilitet - vi husker kun længere vågne episoder. Men både korte og lange episoder forekommer, og det er noget Jeg forsøger at forstå. Eksperimentalister indsamler data om disse vågen / søvnkonkurrencer. Da længden af ​​søvn og vækkefølger og overgangene mellem dem viser nogle regelmæssige og nogle tilfældige opgaver, skal differentialligningerne indfange begge disse facetter. "

En personlig interesse

Bedst blev interesseret i at studere søvn, da hun - da hun arbejdede på sin doktorgrad i matematik - var involveret i en cykelulykke, hvor hun havde alvorlig hovedskade. Efter ulykken begyndte hun at opleve samtidige søvn og vågen øjeblikke. Med andre ord, da hun var vågen, havde hun drømme, der ikke var dagdrømme. Også efter sin uheld begyndte hendes hjerne at gemme minder og drømme på næsten samme måde, og det blev derfor svært for hende at skelne fra hinanden. Tidens medicinske litteratur sagde dog, at hendes erfaring var umulig.

"Om 10 år har der været mange ændringer på dette område," sagde hun. "For ti år siden blev der lagt vægt på regelmæssige mønstre. Nu bliver de tilfældige aspekter af søvn mere opmærksomme. Modeller er nu baseret på den reelle underliggende fysiologi."

Samarbejdsvinkler

Bedste og hendes samarbejdspartnere arbejder for at udvikle sådanne modeller, der bl.a. er baseret på samarbejde med ikke-matematikere. Med henblik herpå læser Best bøger af biologer og neuroscientists, der præsenterer nye data og nye ideer relateret til specifikke udfordringer i folks søvncyklus. For eksempel kan et papir fra en biolog eller neuroscientist præsentere nye data om en undergruppe af mennesker med en særlig udfordring med deres søvncykler, som Best kan stikke ind i hendes modeller. Bests forskning involverer også at arbejde direkte med søvn / vågeforskere, som udfører forsøg på gnavere eller som ser patienterne klinisk.

"Du har brug for en masse interaktion med biologer og medicinske forskere, og du skal have samtaler med de mennesker, der genererer dataene," sagde Best."Hvis jeg bare stolte på at læse papirerne, ville jeg ikke kunne forstå alle de underliggende hypoteser og måder, hvorpå dataene blev indsamlet, og det kunne betydeligt påvirke, hvordan jeg formulerer de matematiske modeller."

Bests forskning drager også fordel af hendes tilknytning til Ohio State's Mathematical Biosciences Institute, der er vært for 12 workshops om året, tegner verdenskendte biovidenskabseksperter og giver vigtige muligheder for krydsbefrugtning mellem biologer og matematikere.

Modellering af hjernens kompleksiteter

"Forståelsen af ​​søvnvågningscyklusser kan have en enorm indflydelse på at udvikle en bedre viden om hjernens dynamik og til gengæld hvordan systemer inden for en hel fysiologisk organisme interagerer og fungerer", siger Mary Ann Horn, en NSF-division for matematisk Sciences program direktør. "Forskning, der involverer samarbejde mellem matematiske og biologiske forskere, giver resultater, for hvilke biologien ikke blot informerer modellering og analyse, men også sporer nye matematiske udviklinger, idet nye teknikker udvikles til at løse disse udfordrende spørgsmål."

"Det er enormt svært at finde ud af, hvordan hjernen virker," sagde den bedste. "Vi taler om 200 millioner neuroner, al denne kemi, hormoner - så mange variabler. Vi må udlede, hvordan hjerner udfører deres opgaver. Og der er altid flere måder at en bestemt opgave kan ske, så udfordringen kommer i at plage fra hinanden information og i mit tilfælde at opbygge en god model, der hjælper med at udfylde de manglende stykker. "

Indtil videre har modellerne af søvn / vågencykler udviklet af Best og hendes samarbejdspartnere tyder på, at jo længere en "wake bout" varer i løbet af natten, desto mindre sandsynligt er det at blive afbrudt af søvn. Men modellerne indikerer også, at det samme mønster ikke ser ud til at gælde for en "sleep bout" - som synes at være lige så tilbøjelig til at afbryde til enhver tid. Derudover har modellerne hjulpet med at afsløre strukturen i det neuronale netværk, der påvirker timingen af ​​søvn / vækkelsen.

Resultater som disse om quirky sleep fænomener kan lidt for lidt hjælpe med at fremme vores forståelse af den underliggende søvn / våge mekanisme - og derved understøtte udviklingen af ​​modeller af denne mekanisme. I sidste ende kan sådanne modeller hjælpe forskere med at udvikle søvnløshedsprocesser, effektive midler til medicinske tilstandsinducerede søvnforstyrrelser eller strategier for hurtigere reduktion af jetlag.

"Der er mange data fra søvnstudier," Bedst sagt ", men data i sig selv giver ikke forståelse. For at få forståelse skal man forstå de underliggende neurale mekanismer. Søvn / vækkefeltet vokser meget hurtigt nu, og dette er at give nye data for os at fortolke og forstå. Den matematiske analyse og sammenligningen med nye data skal gøre det muligt for os at formulere en ny forståelse af, hvordan sleep-wake fungerer. "

Forskerne, der er afbildet i artiklerne bag scener, er blevet støttet af National Science Foundation, det føderale agentur belastet med finansiering af grundlæggende forskning og uddannelse på tværs af alle områder inden for videnskab og teknik. Eventuelle udtalelser, konklusioner og konklusioner eller anbefalinger udtrykt i dette materiale er forfatterens og afspejler ikke nødvendigvis Nationale Videnskabsstiftelsens synspunkter. Se Bag scener arkivet.


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com