Биологи применили математические модели к изучению циркадных ритмов человека

Исследователи используют математические модели для лучшего понимания влияния на циркадные ритмы организма таких обстоятельств, как переход на летнее время, работа в ночную смену, смена часовых поясов или залипание в телефоне в ночное время.

Исследователи из Университета Ватерлоо и Оксфордского университета разработали новую модель, которая поможет учёным лучше понять устойчивость главных часов мозга — группы нейронов в мозге, координирующих другие внутренние ритмы организма. Они также надеются предложить способы повышения этой устойчивости у людей со слабыми или нарушенными циркадными ритмами. Исследование «Могут ли часы тикать вместе, несмотря на шум? Стохастическое моделирование и анализ», опубликовано в журнале SIAM Journal on Applied Dynamical Systems.

Устойчивые нарушения циркадных ритмов связаны с диабетом, потерей памяти и многими другими расстройствами. «Современное общество переживает стремительный рост потребности в работе вне традиционного светового дня, — говорит Стефани Або, аспирант кафедры прикладной математики и ведущий автор исследования. — Это существенно нарушает режим освещения, а также другие привычки, такие как режим питания и сна».

Циркадные ритмы человека, или внутренние часы, — это примерно 24-часовые циклы, которым следуют многие системы организма, обычно чередуя бодрствование и отдых. Учёные всё ещё работают над пониманием группы нейронов, известной как супрахиазматическое ядро (СХЯ), или «главные часы».

Используя методы математического моделирования и дифференциальные уравнения, команда исследователей в области прикладной математики смоделировала СХЯ как макроскопическую систему, состоящую из, казалось бы, огромного числа нейронов. Особый интерес для исследователей представляло понимание связей системы — связей между нейронами в СХЯ, которые позволяют ей задавать ритм для всех систем.

Частые и длительные нарушения циркадных ритмов организма нарушают общий ритм, что означает ослабление сигналов, передаваемых между нейронами СХЯ.

По словам Або, они были удивлены, обнаружив, что «достаточно небольшое нарушение может сделать связи между нейронами более прочными». «Математические модели позволяют манипулировать системами организма с такой спецификой, которая не может быть легко или этично достигнута в организме или в чашке Петри, — сказал Або. — Это позволяет нам проводить исследования и разрабатывать хорошие гипотезы с меньшими затратами».