Ця симуляція відтворює двопроцесну модель регуляції сну Борбелі. Процес S — це гомеостатичний тиск сну, пов'язаний з накопиченням аденозину; він експоненційно зростає до 1 під час неспання та спадає до 0 під час сну за кінетикою першого порядку dS/dt = (target−S)/τ. Процес C — це 24-годинна синусоїда, що походить із супрахіазматичного ядра. Засинання запускається, коли S досягає верхнього порогу H_up = C + 0.1, а пробудження настає, коли S падає до H_lo = C − 0.1.
Повзунки регулюють амплітуду циркадного ритму, сталу наростання під час неспання τ_wake (за замовчуванням 18 год), сталу спаду під час сну τ_sleep (за замовчуванням 4.5 год), примусове вікно депривації сну в годинах та зсув фази циркадного ритму. Три види відображають криві S і C із затіненими епізодами сну, гіпнограму або фазову площину S відносно C. Ця модель лежить в основі того, як хронобіологи пояснюють джетлаг, змінну роботу та відновлювальний сон після депривації.
Що таке двопроцесна модель сну?
Це концепція, запропонована Александром Борбелі у 1982 році, яка пояснює час сну як взаємодію двох систем. Процес S — це гомеостатичний тиск сну, що наростає з часом неспання, а Процес C — це циркадний ритм, заданий біологічним годинником. Сон настає, коли їхня сукупна дія перетинає поріг.
Що таке Процес S у цій симуляції?
Процес S відображає гомеостатичний тиск сну, пов'язаний з накопиченням аденозину в мозку під час неспання. У симуляції він експоненційно зростає до значення 1 під час неспання та спадає до 0 під час сну, відображений на нормованій шкалі від 0 до 1.
Що таке Процес C і звідки він походить?
Процес C — це циркадний компонент, змодельований тут як 24-годинна косинусоїда. В організмі він генерується супрахіазматичним ядром (СХЯ) гіпоталамуса та синхронізується циклом світло-темрява. Він задає рухомі пороги сну й неспання, яких має досягти Процес S.
Процес S підпорядковується експоненційній кінетиці першого порядку. Під час неспання він описується dS/dt = (1 − S)/τ_wake, наближаючись до 1; під час сну — dS/dt = (0 − S)/τ_sleep, спадаючи до 0. Симуляція інтегрує це з кроком в одну хвилину та сталими часу, які ви задаєте повзунками.
τ_wake (за замовчуванням 18 год) визначає, як швидко наростає тиск сну під час неспання, а τ_sleep (за замовчуванням 4.5 год) визначає, як швидко він розсіюється під час сну. Менше τ_sleep означає швидше відновлення та меншу потребу у сні; більше τ_wake означає, що тиск накопичується повільніше протягом дня.
Він примусово підтримує неспання впродовж обраної кількості додаткових годин під час симуляції, перешкоджаючи нормальному епізоду сну. За депривації Процес S піднімається вище за звичайний, а наступний сон стає довшим і глибшим, ілюструючи відновлювальний сон-рикошет, що спостерігається після пропущеної ночі.
Пороги слідують за циркадною хвилею. Верхній поріг становить H_up = C + 0.1, а нижній — H_lo = C − 0.1, утворюючи смугу напівширини 0.1 навколо Процесу C. Сон починається, коли S піднімається до H_up, і закінчується, коли S опускається до H_lo, тож біологічний годинник фактично визначає, коли може настати сон.
Повзунок зсуву фази зрушує Процес C раніше або пізніше на величину до шести годин. Це імітує такі ситуації, як джетлаг, синдром затримки фази сну або змінну роботу, коли внутрішній годинник не узгоджений із бажаним графіком сну, і ви можете спостерігати, як змінюються час засинання та тривалість сну.
Фазова площина відображає Процес S відносно Процесу C, а не відносно часу. Отримана петлеподібна траєкторія показує циклічний зв'язок між тиском сну та циркадним годинником, а пунктирні лінії порогів позначають, де сон починається й закінчується. Це компактний спосіб побачити поведінку граничного циклу системи.
Вона відтворює якісну динаміку, яку підтримують реальні хронобіологічні дослідження, а типові сталі близькі до опублікованих оцінок. Однак це спрощена детермінована модель: вона ігнорує стадії сну, денний сон, зворотний зв'язок впливу світла, індивідуальні відмінності та шум, тож це радше навчальний інструмент, ніж клінічний предиктор.
Двопроцесна модель — це стандартна основа для прогнозування пильності та втоми. Вона лежить в основі програм для складання змінних графіків, планування боротьби з джетлагом і світлотерапії, а також біоматематичних моделей ризику втоми, що використовуються в авіації та транспорті, усі з яких спираються на спільне відстеження гомеостатичного тиску й циркадної фази.