Mathematische Modelle können dabei helfen, Störungen der inneren Uhr aufzuklären

Forscher verwenden mathematische Modelle, um die Auswirkungen von Störungen wie Sommerzeit, Nachtschichten, Jetlag oder sogar nächtlichem Telefonieren auf den Tagesrhythmus des Körpers besser zu verstehen.

Forscher der University of Waterloo und der University of Oxford haben ein neues Modell entwickelt, das Wissenschaftlern helfen soll, die Widerstandsfähigkeit der Hauptuhr des Gehirns besser zu verstehen: der Ansammlung von Neuronen im Gehirn, die die anderen internen Rhythmen des Körpers koordiniert. Sie hoffen auch, Wege vorschlagen zu können, wie diese Widerstandsfähigkeit bei Personen mit schwachen oder beeinträchtigten zirkadianen Rhythmen verbessert werden kann. Die Studie „Können die Uhren trotz des Lärms zusammen ticken? Stochastische Simulationen und Analysen“ erscheint in der SIAM Journal für angewandte dynamische Systeme.

Anhaltende Störungen des zirkadianen Rhythmus werden mit Diabetes, Gedächtnisverlust und vielen anderen Störungen in Verbindung gebracht.

„Die heutige Gesellschaft erlebt einen rasanten Anstieg der Nachfrage nach Arbeit außerhalb der traditionellen Tagesstunden“, sagte Stéphanie Abo, Ph.D. Student der Angewandten Mathematik und Hauptautor der Studie. „Dies stört die Art und Weise, wie wir dem Licht ausgesetzt sind, sowie andere Gewohnheiten wie Ess- und Schlafgewohnheiten erheblich.“

Die zirkadianen Rhythmen oder inneren Uhren des Menschen sind die etwa 24-Stunden-Zyklen, denen viele Körpersysteme folgen und die normalerweise zwischen Wachheit und Ruhe wechseln. Wissenschaftler arbeiten immer noch daran, den Neuronencluster zu verstehen, der als suprachiasmatischer Kern (SCN) oder Hauptuhr bekannt ist.

Mithilfe mathematischer Modellierungstechniken und Differentialgleichungen modellierte das Team von Forschern der angewandten Mathematik das SCN als ein makroskopisches oder Gesamtsystem, das aus einer scheinbar unendlichen Anzahl von Neuronen besteht. Sie waren besonders daran interessiert, die Kopplungen des Systems zu verstehen – die Verbindungen zwischen Neuronen im SCN, die es ihm ermöglichen, einen gemeinsamen Rhythmus zu erreichen.

Häufige und anhaltende Störungen des zirkadianen Rhythmus des Körpers zerstörten den gemeinsamen Rhythmus, was zu einer Schwächung der zwischen SCN-Neuronen übertragenen Signale führte.

Abo sagte, sie seien überrascht, als sie herausfanden, dass „eine ausreichend kleine Störung tatsächlich die Verbindungen zwischen Neuronen stärken kann“.

„Mathematische Modelle ermöglichen es, Körpersysteme mit einer Spezifität zu manipulieren, die im Körper oder in einer Petrischale nicht einfach oder ethisch nicht erreicht werden kann“, sagte Abo. „Dadurch können wir zu geringeren Kosten forschen und gute Hypothesen entwickeln.“