Onderzoekers gebruiken wiskundige modellen om beter inzicht te krijgen in de effecten van verstoringen zoals zomertijd, nachtdiensten, jetlag of zelfs ’s avonds laat bellen op de circadiane ritmes van het lichaam.
De onderzoekers van de Universiteit van Waterloo en de Universiteit van Oxford hebben een nieuw model ontwikkeld om wetenschappers te helpen de veerkracht van de hoofdklok van de hersenen beter te begrijpen: het cluster van neuronen in de hersenen dat de andere interne ritmes van het lichaam coördineert. Ze hopen ook manieren aan te reiken om deze veerkracht te helpen verbeteren bij personen met zwakke of verstoorde circadiane ritmes.
Aanhoudende verstoringen van het circadiane ritme zijn in verband gebracht met diabetes, geheugenverlies en vele andere aandoeningen.
“De huidige samenleving ervaart een snelle toename van de vraag naar werk buiten de traditionele daglichturen”, zegt Stéphanie Abo, een promovendus in toegepaste wiskunde en de hoofdauteur van het onderzoek. “Dit verstoort enorm de manier waarop we worden blootgesteld aan licht, evenals andere gewoonten zoals eet- en slaappatronen.”
De circadiane ritmes van mensen, of interne klokken, zijn de ongeveer 24-uurs cycli die veel lichaamssystemen volgen, meestal afwisselend tussen waken en rusten. Wetenschappers werken nog steeds aan het begrijpen van het cluster van neuronen dat bekend staat als Suprachiasmatic Nucleus (SCN) of hoofdklok.
Met behulp van wiskundige modelleringstechnieken en differentiaalvergelijkingen heeft het team van toegepaste wiskundige onderzoekers de SCN gemodelleerd als een macroscopisch of grootbeeldsysteem dat bestaat uit een schijnbaar oneindig aantal neuronen. Ze waren vooral geïnteresseerd in het begrijpen van de koppelingen van het systeem – de verbindingen tussen neuronen in de SCN waardoor het een gedeeld ritme kan bereiken.
Frequente en aanhoudende verstoringen van de circadiane ritmes van het lichaam elimineerden het gedeelde ritme, wat een verzwakking van de signalen tussen SCN-neuronen impliceert.
Abo zei dat ze verrast waren toen ze ontdekten dat “een verstoring die klein genoeg is, de verbindingen tussen neuronen sterker kan maken.”
“Wiskundige modellen stellen je in staat om lichaamssystemen te manipuleren met specificiteit die niet gemakkelijk of ethisch kan worden bereikt in het lichaam of een petrischaal,” zei Abo. “Hierdoor kunnen we onderzoek doen en goede hypothesen ontwikkelen tegen lagere kosten.”
The study, “Can the Clocks Tick Together Despite the Noise? Stochastic Simulations and Analysis,” appears in the SIAM Journal on Applied Dynamical Systems.