Arquitetura do Sono
NeuroLab
Arquitetura do sono
O ciclo REM que ninguém programou
Não existe relógio de 90 minutos neste modelo. Os episódios de REM emergem da disputa entre a população colinérgica e a noradrenérgica dentro do sono.
Quanto mais negativo, mais fácil a população REM escapa da inibição. Os autores do modelo registram que -0,3 elimina o REM e -0,8 produz quatro episódios: exatamente o que este simulador reproduz.
Em 100%, as constantes são as medidas em adultos. Reduzir acelera o acúmulo e a dissipação da pressão do sono, e o sistema passa de um bloco por dia para dois e depois três. Essa transição é uma bifurcação descrita na literatura.
500 lux é iluminação de interior. Luz natural passa de 10 mil.
O padrão do modelo é 14 h de luz e 10 h de escuro. As faixas escuras do gráfico marcam esse período.
O painel de cima é o hipnograma, no formato usado em polissonografia. As faixas de fundo mais escuras marcam o período sem luz. Passe o cursor sobre o gráfico para ler o estado e a taxa de disparo de cada população no mesmo instante.
Modelo humano de regulação sono-vigília de Gleit, Diniz Behn e Booth (J Biol Rhythms. 2013;28:339-355), revisto em Booth, Xique e Diniz Behn (SIAM J Appl Dyn Sys. 2017;16:1089-1112), com o oscilador circadiano corrigido conforme Serkh e Forger (PLoS Comput Biol. 2014;10:e1003523) e as constantes homeostáticas de Rusterholz e colaboradores (SLEEP. 2010;33:491-498). Este simulador é um porte linha por linha do código oficial dos autores, depositado em ModelDB sob o número 244485. Nenhum parâmetro foi ajustado por nós. No estado padrão o modelo produz sono de 7,6 h por dia com 24% de REM em quatro episódios de 27 minutos espaçados de 99 minutos, todos dentro da faixa humana adulta. O ciclo REM é emergente: não há oscilador de 90 minutos imposto.
Roteiro de prática
O ciclo de 90 minutos que ninguém programou
Duração estimada: 50 a 60 minutos · Pré-requisitos: noção de retroalimentação e de estágios do sono
Antes de começar
Todo mundo aprende que o sono tem ciclos de mais ou menos 90 minutos. A pergunta que quase nunca se faz é: de onde vem esse número? Não existe um relógio no tronco encefálico marcando hora e meia. Este simulador existe para mostrar de onde ele sai.
quatro populações · duas se inibem, duas se estimulam · nenhum relógio de 90 minutos
O modelo tem o locus coeruleus (que promove vigília), o VLPO (que promove sono), uma população colinérgica (que promove REM) e o núcleo supraquiasmático (o marca-passo circadiano). Por baixo delas, a pressão homeostática, que sobe enquanto se está acordado, e o relógio circadiano, entranhado ao ciclo de luz.
Um aviso sobre este simulador: ele é um porte linha por linha de um modelo publicado, com os parâmetros originais dos autores, sem nenhum ajuste nosso. Isso significa que alguns resultados aqui podem ser conferidos contra o que está publicado, e o roteiro vai pedir que você faça essa conferência.
1 De onde vem o ciclo de 90 minutos
Hipótese a testar
Se o sono tem ciclos regulares de cerca de 90 minutos, deve existir no modelo algum oscilador com esse período, marcando o tempo.
Procedimento
- Rode Adulto típico e anote o intervalo entre episódios de REM.
- No painel do meio, observe a linha verde (população colinérgica) e a azul (locus coeruleus) durante o período de sono. Elas sobem juntas ou se alternam?
- Pause a varredura dentro de um episódio de REM e anote a taxa de disparo das duas. Repita fora do episódio.
- Leia a descrição do controle “excitabilidade da população REM” e procure, no texto do simulador, se há algum parâmetro de período ou de frequência.
Tabela de registro
| Momento | Locus coeruleus (Hz) | Colinérgica (Hz) | Estado |
|---|---|---|---|
| Dentro de um REM | |||
| Fora do REM, dormindo | |||
| Acordado |
Para responder
- Você encontrou algum parâmetro de período no simulador? A hipótese do início sobreviveu?
- Descreva o que acontece entre as duas populações ao longo de um ciclo, usando a expressão “inibição recíproca”.
- Se não há relógio, o que determina o intervalo entre um REM e o seguinte? Pense nas constantes de tempo das duas populações, que são diferentes entre si.
- Um fenômeno que surge da interação entre partes, sem estar programado em nenhuma delas, tem um nome em biologia de sistemas. Qual?
2 Conferindo o simulador contra a literatura
Pergunta central
Como se sabe que um simulador está certo, e não apenas produzindo curvas bonitas?
Os autores do modelo anotaram no próprio código-fonte uma previsão explícita: com a excitabilidade da população REM em -0,3 não há nenhum episódio de REM, e em -0,8 há quatro por noite. Este experimento pede que você teste essa afirmação.
Procedimento
- Ajuste a excitabilidade da população REM para os valores da tabela, um por um.
- Para cada valor, anote os episódios por noite, a porcentagem de REM e o tempo total de sono.
- Compare os valores de -0,3 e -0,8 com a previsão dos autores.
Tabela de registro
| Excitabilidade | Episódios/noite | REM (%) | Sono (h/dia) | Bate com o previsto? |
|---|---|---|---|---|
| -0,30 | ||||
| -0,50 | ||||
| -0,70 | ||||
| -0,80 | ||||
| -1,00 |
Para responder
- A previsão publicada se confirmou nos dois valores?
- Repare no tempo total de sono conforme o REM some. Ele aumenta ou diminui? Proponha uma explicação, lembrando que o REM é um estado do qual é mais fácil despertar.
- Por que conferir contra uma previsão publicada é uma evidência mais forte do que apenas comparar com faixas clínicas de referência?
- Se o simulador tivesse dado três episódios em -0,8 em vez de quatro, o que isso indicaria: que o modelo está errado, ou que a implementação está errada? Como se distinguiria uma coisa da outra?
3 Por que bebês dormem várias vezes ao dia
Hipótese a testar
Crianças pequenas dormem várias vezes ao dia porque precisam de mais horas de sono no total do que adultos.
Procedimento
- Rode Adulto típico e anote o tempo total de sono e os blocos por dia.
- Rode Sono bifásico e depois Sono polifásico, anotando os mesmos.
- Compare especificamente o tempo total de sono nos três casos.
- Observe a curva laranja da pressão do sono nos três: quantas vezes por dia ela sobe e desce?
Tabela de registro
| Cenário | Sono total (h/dia) | Blocos/dia | Duração de cada bloco |
|---|---|---|---|
| Adulto típico | |||
| Sono bifásico | |||
| Sono polifásico |
Para responder
- O tempo total de sono mudou muito entre os três cenários? A hipótese do início sobreviveu?
- O único parâmetro alterado foi a velocidade com que a pressão do sono se acumula e se dissipa. Explique como acelerar esse processo produz mais blocos por dia sem necessariamente aumentar o total.
- Passe a escala de 100% para 25% lentamente, anotando o número de blocos a cada passo. A mudança é gradual ou salta de um número inteiro para outro?
- Esse tipo de transição, em que um sistema salta de um regime para outro sem passar por valores intermediários, tem nome em sistemas dinâmicos. Procure o termo “bifurcação” e explique por que ele se aplica aqui.
- Crianças de dois anos costumam tirar sonecas e as de cinco não. Segundo este modelo, o que provavelmente muda no cérebro delas nesse intervalo?
4 Dois processos, um horário de dormir
Pergunta central
Se a pressão do sono é o que faz dormir, por que não se dorme sempre que ela está alta?
Procedimento
- No cenário Adulto típico, olhe o painel de baixo. A linha laranja é a pressão do sono; a rosa tracejada é o ritmo circadiano.
- Marque o instante em que o sono começa. Nesse momento, a pressão está no máximo? E o ritmo circadiano, em que ponto da curva está?
- Procure algum momento do dia em que a pressão do sono está alta e mesmo assim a pessoa continua acordada. O que o ritmo circadiano está fazendo ali?
- Rode Luz fraca durante o dia e compare o horário de início do sono com o do cenário normal.
Para responder
- O sono começou exatamente no pico da pressão homeostática? Se não, o que mais precisou acontecer?
- Descreva com suas palavras como os dois processos se somam para definir um horário de dormir. Esse é o modelo dos dois processos, de Borbély.
- Existe um período do fim da tarde em que é difícil adormecer mesmo estando cansado. Você consegue identificá-lo no gráfico? O que o circadiano faz nesse momento?
- A luz fraca mudou muito o resultado neste modelo? O que isso sugere sobre a robustez do entranhamento, e qual seria uma limitação dessa conclusão?
Síntese
Escreva, sem consultar o roteiro, a resposta a esta pergunta: “por que o sono tem ciclos de cerca de 90 minutos?” O texto precisa conter:
- Por que a resposta não é “porque existe um relógio de 90 minutos”.
- Quais populações disputam entre si, e em que sentido cada uma inibe ou estimula a outra.
- O que determina o número de ciclos que cabem numa noite.
- Por que o horário em que a noite começa não depende só da pressão do sono.
Para ir além
Este modelo tem uma população de vigília só, o locus coeruleus, e por isso não distingue os efeitos de fármacos diferentes sobre o sono. O simulador de ritmos e vigília, neste mesmo laboratório, faz o caminho oposto: desmembra a vigília em três canais aminérgicos e permite explorar farmacologia, mas em troca impõe a cadência do REM em vez de deixá-la emergir. Rode os dois e compare o que cada um consegue e o que cada um perde. Essa comparação é uma boa porta de entrada para uma ideia central da modelagem: não existe modelo certo em absoluto, existe modelo adequado à pergunta que se quer responder.
Modelo. Gleit RD, Diniz Behn CG, Booth V. Modeling interindividual differences in spontaneous internal desynchrony patterns. J Biol Rhythms. 2013;28(5):339-355, revisto em Booth V, Xique I, Diniz Behn CG. One-dimensional map for the circadian modulation of sleep in a sleep-wake regulatory network model for human sleep. SIAM J Appl Dyn Sys. 2017;16(2):1089-1112. Oscilador circadiano conforme Serkh K, Forger DB (PLoS Comput Biol. 2014;10:e1003523) e constantes homeostáticas de Rusterholz T, Dürr R, Achermann P (SLEEP. 2010;33:491-498). A análise da bifurcação de sono monofásico para polifásico é de Kalmbach K, Booth V, Diniz Behn CG. Este simulador é um porte linha por linha do código MATLAB oficial dos autores, depositado em ModelDB sob o número 244485, sem nenhum parâmetro ajustado. No estado padrão produz sono de 7,6 h por dia com 24% de REM em quatro episódios de 27 minutos espaçados de 99 minutos, todos dentro da faixa humana adulta.