Mathematisches Modell des Schlafes
Trotz aller Fortschritte der modernen Medizin erkennen Wissenschaftler an, dass unser Verständnis von Schlaf bestenfalls begrenzt ist.
Antworten auf grundlegende Fragen wie "Warum kann ich nicht einschlafen?" oder "warum muss ich überhaupt schlafen?" unbekannt bleiben.
Um den Schlaf-Wach-Zyklus besser zu verstehen, wenden sich die Forscher des Rensselaer Polytechnic Institute eher der Mathematik als herkömmlichen Gehirnscans und Schlafstudien zu.
Der Mathematikprofessor Mark Holmes und seine Doktorandin Lisa Rogers entwickelten ein Computermodell, das von anderen Wissenschaftlern und Ärzten leicht manipuliert werden kann, um vorherzusagen, wie sich Umwelt-, medizinische oder physische Veränderungen auf den Schlaf einer Person auswirken.
Ihr Modell wird auch Hinweise auf die grundlegendste Dynamik des Schlaf-Wach-Zyklus liefern.
"Wir wollten ein sehr interdisziplinäres Instrument schaffen, um den Schlaf-Wach-Zyklus zu verstehen", sagte Holmes.
„Wir haben das Modell auf den besten und neuesten biologischen Erkenntnissen basiert, die von Neurobiologen in den verschiedenen Phasen des Zyklus entwickelt wurden, und unsere mathematischen Gleichungen auf dieser Grundlage erstellt. Dies hat ein Modell geschaffen, das sowohl mathematisch als auch biologisch genau und für eine Vielzahl von Wissenschaftlern nützlich ist.
"Dies ist auch ein wichtiges Beispiel dafür, wie angewandte Mathematik verwendet werden kann, um reale Probleme in Wissenschaft und Medizin zu lösen", fuhr Holmes fort.
Um das Modell zu erstellen, krempelten die Forscher buchstäblich die Ärmel hoch und gingen ins Labor, bevor sie die mathematischen Gleichungen mit Bleistift zu Papier brachten. Rogers verbrachte letzten Sommer mit Neurobiologen an der Harvard Medical School, um etwas über die Biologie des Gehirns zu lernen. Sie untersuchte die Rolle spezifischer Neurotransmitter im Gehirn an verschiedenen Stellen im Schlaf-Wach-Zyklus.
Die Arbeit brachte Rogers bei, wie man EEG- (Elektroenzephalographie) und EMG- (Elektromyographie) Daten über die Gehirnwellen und Muskelaktivität liest, die während des Schlafzyklus auftreten. Diese biologischen Daten würden die Grundlage ihrer mathematischen Berechnungen bilden.
Diese Forschungsgrundlage ermöglichte es dem Team, ein massives 11-Gleichungsmodell des Schlaf-Wach-Zyklus zu entwickeln. Sie arbeiten nun daran, diese Differentialgleichungen in ein benutzerfreundliches grafisches Computermodell einzugeben, das Biologen und Ärzte studieren können.
"Wir haben ein Modell entwickelt, das anderen Forschern als Maßstab für den idealen, gesunden Schlaf-Wach-Zyklus dienen kann", sagte Holmes.
„Wissenschaftler werden in der Lage sein, dieses ideale Modell zu verwenden und vorherzusagen, wie sich verschiedene Störungen wie Koffein oder Jetlag auf diesen idealen Zyklus auswirken werden. Dies ist eine sehr nicht-invasive Methode zur Untersuchung des Gehirns und des Schlafes, die wichtige Hinweise zur Überwindung dieser Störungen liefert und den Patienten einen besseren und ungestörteren Schlaf ermöglicht. “
Quelle: Rensselaer Polytechnic Institute
