Zzzzzzzz: Labas Nakts Miega Matemātika

{h1}

Janet best, nsf finansēts matemātiķis, pēta miega nomoda ciklus, izmantojot matemātiskos modeļus.

Šis raksts Aiz ainas tika piegādāts WordsSideKick.com sadarbībā ar Nacionālo zinātnes fondu.

Mēs lepojamies, kad mūsu zīdainis beidzot neguļ visu nakti. Mēs priecājamies par pusaudzi, kurš prasa kanona šāvienu, kas rodas no viņa gultas pirms pusdienlaika. Un savos "zelta" gados mēs domājam, kāpēc miegs ir tik īslaicīgs, tomēr šķiet, ka autiņš nāk tikpat viegli kā elpošana. Tādi ir miega noslēpumi.

Satraukts miegs

Miega noslēpumi ir vairāk nekā tikai daudzu cilvēku brīnumu vai neērtību avots. Faktiski Slimību kontroles centri (CDC) ziņo, ka 70 miljoni amerikāņu cieš no hroniskām miega problēmām, sākot no bezmiega un miega apnojas līdz narkolepsijai, nemierīgo kāju sindromam un diennakts ritma traucējumiem. Turklāt "miega trūkums ir saistīts ar ievainojumiem, hroniskām slimībām, garīgām slimībām, sliktu dzīves un labsajūtu, paaugstinātām veselības aprūpes izmaksām un zaudētu darba produktivitāti", norāda CDC Miega un miega traucējumu komanda, kas novērtē izplatību un miega nepietiekamības un miega traucējumu ietekme.

Lai palīdzētu risināt šādas problēmas, biologi, uzvedības zinātnieki, neirozinātnieki un pat matraču izstrādātāji gadiem ilgi ir pētījuši miega un nomodīšanas noslēpumus un miega traucējumus. Bet nesen pētnieki ir atzinuši, ka vēl viena nepieciešama disciplīna, kas būtu jāiekļauj sadarbības pieejā ar miegu saistītos jautājumos, ir vecmodīga matemātika.

Darbs, lai saprastu miegu

Šādu sadarbības pieeju veicina Janet Best - Ohaio štata universitātes matemātiķis, kura pētījumus finansē Nacionālais zinātnes fonds (NSF). Arī saistīts ar Universitātes NSF finansēto Matemātisko bioloģijas zinātņu institūtu, Best pēdējos 10 gadus ir pavadījis, pētot miega nomoda ciklus, izmantojot matemātiskos modeļus.

"Lai saprastu miegu, mēs cenšamies pārformulēt bioloģiskos jautājumus matemātikā, parasti diferenciālvienādojumu sistēmās," viņa paskaidroja. "Miega režīms ir gan regulārs, gan nejaušs. Tas ir regulāri, jo mēs parasti gulējam vienā un tajā pašā dienas laikā. Nejaušība notiek zīdaiņiem, kuriem, šķiet, nav miega ciklu modeļa un mainīguma, kad mēs varētu mosties. Esmu izpētījis, kā smadzeņu neironu struktūras ietekmē nejaušās un regulārās pārejas starp miegu un nomoda laiku. "

Izmantojot vienādojumus, aprakstot miega nomoda smadzeņu shēmā iesaistīto neironu īpašības, Best izstrādā matemātiskos modeļus, kas atspoguļo veidus, kā neironi mijiedarbojas un ietekmē viens otru. Viņa apstiprina savus modeļus, pārbaudot viņu prognozes, salīdzinot datus, kurus biologi apkopo pētījumos, kuros iesaistīti gan cilvēki, gan žurkas. (Pārsteidzoši, ka žurku mazuļu miega paradumi piedzīvo līdzīgas izmaiņas kā cilvēku zīdaiņu miega paradumi, taču nav skaidrs, cik līdzīgs pieaugušo žurku miegs ir cilvēka miegam.) Pēc apstiprināšanas Best's modeļus var izmantot, lai pārbaudītu idejas par miegu un nomoda laiku. modeļiem.

"Ideja ir redzēt, kā cilvēki normāli guļ, lai mēs varētu saprast, kad viss notiek nepareizi," sacīja Bests. "Visu nakti mēs piedzīvojam miega un nomods" sitienus ". Ir mainīgums, ko mēs apzināmies, bet patiesībā notiek vēl lielāka mainīgums - mēs atceramies tikai garākas modināšanas epizodes. Tomēr notiek gan īsas, gan garas epizodes, un tas ir kaut kas Es cenšos saprast. Eksperimentālisti vāc datus par šīm modināšanas / miega sarunām. Tā kā miega un nomoda ilgums un pārejas starp tām parāda zināmu regulāru un zināmu nejaušu izturēšanos, diferenciālvienādojumos jāiekļauj abi šie aspekti. "

Personīga interese

Labākā interese par miega izpēti bija tad, kad, strādājot pie matemātikas doktora grāda, viņa bija iesaistīta velosipēda negadījumā, kurā guva nopietnu galvas traumu. Pēc negadījuma viņa sāka izjust vienlaicīgu miegu un nomodā mirkļus. Citiem vārdiem sakot, nomodā viņai bija sapņi, kas nebija sapņi. Arī pēc Bestas nelaimes viņas smadzenes sāka glabāt atmiņas un sapņus gandrīz tādā pašā veidā, un tāpēc viņai kļuva grūti atšķirt vienu no otra. Tā laika medicīniskajā literatūrā tomēr teikts, ka viņas pieredze nav iespējama.

"10 gadu laikā šajā jomā ir notikušas daudz izmaiņu," viņa sacīja. "Pirms desmit gadiem uzsvars tika likts uz regulāriem modeļiem. Tagad miega nejaušajiem aspektiem tiek pievērsta arvien lielāka uzmanība. Modeļu pamatā tagad ir reālā pamatā esošā fizioloģija."

Sadarbības pieejas

Best un viņas līdzstrādnieki strādā, lai izstrādātu šādus modeļus, balstoties daļēji uz sadarbību ar matemātiķiem. Šajā nolūkā Best lasa biologu un neirozinātnieku rakstus, kas sniedz jaunus datus un jaunas idejas, kas saistītas ar īpašiem izaicinājumiem cilvēku miega ciklos. Piemēram, biologa vai neirozinātnieka darbs varētu sniegt jaunus datus par cilvēku apakšgrupu, kuriem ir īpašs izaicinājums saistībā ar viņu miega cikliem, kurus Best var iespraust viņas modeļos. Best pētījumos ietilpst arī tieša sadarbība ar miega / nomoda pētniekiem, kuri veic eksperimentus ar grauzējiem vai kuri pacientus redz klīniski.

"Jums ir nepieciešams daudz mijiedarbības ar biologiem un medicīnas zinātniekiem, un jums ir jābūt sarunām ar cilvēkiem, kuri ģenerē datus," teica Best. "Ja es paļautos tikai uz dokumentu lasīšanu, es nevarētu saprast visas pamatā esošās hipotēzes un datu vākšanas veidus, un tas varētu būtiski ietekmēt to, kā es formulēju matemātiskos modeļus."

Best pētījums gūst labumu arī no tās piederības Ohaio štata Matemātisko bioloģijas zinātņu institūtam, kas gadā rīko 12 seminārus, piesaistot pasaulē pazīstamus biozinātņu ekspertus un sniedzot svarīgas iespējas savstarpējai apaugļošanai starp biologiem un matemātiķiem.

Smadzeņu sarežģītības modelēšana

"Miega-nomoda ciklu izpratnei var būt milzīga ietekme, veidojot labākas zināšanas par smadzeņu dinamiku un, savukārt, par to, kā mijiedarbojas un darbojas visa fizioloģiskā organisma sistēmas," sacīja Marija Ann Horna, NSF Matemātikas nodaļa. Zinātņu programmas direktors. "Pētījumi, kas saistīti ar matemātisko un bioloģisko zinātnieku sadarbību, dod rezultātus, par kuriem bioloģija ne tikai informē modelēšanu un analīzi, bet arī stimulē jaunus matemātikas sasniegumus, jo šo izaicinošo jautājumu risināšanai tiek izstrādātas jaunas metodes."

"Ir ārkārtīgi grūti izdomāt, kā darbojas smadzenes," sacīja Best. "Mēs runājam par 200 miljoniem neironu, visu šo ķīmiju, hormoniem - tik daudziem mainīgajiem lielumiem. Mums ir jāsecina, kā smadzenes veic savus uzdevumus. Un vienmēr ir vairāki veidi, kā konkrēts uzdevums var notikt, tāpēc izaicinājums nāk, muldējot atsevišķi. informāciju, un manā gadījumā izveidot labu modeli, kas palīdz aizpildīt trūkstošos gabalus. "

Līdz šim Miega / nomoda ciklu modeļi, ko izstrādājuši Best un viņas līdzstrādnieki, norāda, ka jo ilgāk "modināšanas sitiens" ilgst naktī, jo mazāka ir iespēja, ka to pārtrauks miegs. Bet modeļi arī norāda, ka tas pats modelis neattiecas uz "miega pārrāvumu" - kas, šķiet, ir vienlīdz pakļauts pārtraukšanai jebkurā brīdī. Turklāt modeļi ir palīdzējuši atklāt neironu tīkla struktūru, kas ietekmē miega / nomoda sitienu laiku.

Rezultāti, piemēram, par mierīgām miega parādībām, pamazām var palīdzēt uzlabot mūsu izpratni par pamatā esošo miega / nomoda mehānismu un tādējādi atbalstīt šī mehānisma modeļu attīstību. Galu galā šādi modeļi var palīdzēt pētniekiem izstrādāt bezmiega ārstēšanu, efektīvus līdzekļus medicīniska stāvokļa izraisītu miega traucējumu novēršanai vai stratēģijas, lai ātrāk samazinātu strūklas kavēšanos.

"Miega pētījumu laikā ir daudz datu," sacīja Labākais, "bet paši dati nesniedz izpratni. Lai iegūtu izpratni, ir jāsaprot pamatā esošie neironu mehānismi. Miega / nomoda lauks šobrīd aug ļoti strauji, un tas ir sniedzot jaunus datus, lai tos varētu interpretēt un saprast. Matemātiskajai analīzei un salīdzināšanai ar jauniem datiem vajadzētu ļaut mums formulēt jaunu izpratni par miega nomoda funkciju. "

Pētnieki, kas attēloti rakstos Aiz aiz ainas, ir atbalstījuši Nacionālais zinātnes fonds, federālā aģentūra, kuras uzdevums ir finansēt pētniecību un izglītību visās zinātnes un inženierzinātnes jomās. Visi viedokļi, secinājumi un secinājumi vai ieteikumi, kas izteikti šajā materiālā, ir autora viedoklis, un tie ne vienmēr atspoguļo Nacionālā zinātnes fonda uzskatus. Skatīt Aiz ainas arhīvs.


Video Papildinājums: .




Pētniecība


Bada Zinātne: Ko Jūt 1 Miljards Cilvēku
Bada Zinātne: Ko Jūt 1 Miljards Cilvēku

Vai Ir Saikne Starp Baktērijām Un Krūts Vēzi?
Vai Ir Saikne Starp Baktērijām Un Krūts Vēzi?

Zinātne Ziņas


10 Roboti Ar Netīriem Darbiem
10 Roboti Ar Netīriem Darbiem

Vai Bioloģiskā Gaļa Ir Videi Draudzīga?
Vai Bioloģiskā Gaļa Ir Videi Draudzīga?

Populāri Spēļu Cīņas Tiešsaistes Troļļi Ar '' Honor '' Balvām
Populāri Spēļu Cīņas Tiešsaistes Troļļi Ar '' Honor '' Balvām

Fiziķi Sver Antimatēriju Ar Pārsteidzošu Precizitāti
Fiziķi Sver Antimatēriju Ar Pārsteidzošu Precizitāti

Vai Ģenētiski Modificētie Odi Var Iznīcināt Malāriju?
Vai Ģenētiski Modificētie Odi Var Iznīcināt Malāriju?


LV.WordsSideKick.com
Visas Tiesības Aizsargātas!
Pavairošana Materiālu Atļauts Tikai Prostanovkoy Aktīvu Saiti Uz Vietni LV.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LV.WordsSideKick.com