في كل ليلة، يمر الدماغ بعدة مراحل من النوم — من النعاس إلى النوم العميق والعودة. بعض التحولات تحدث فجأة، كنقرة مفتاح كهربائي، بينما تكون أخرى سلسة، كالانزلاق البطيء على منحدر. مجموعة من الباحثين بنت نموذجًا رياضيًا يصف هذه التحولات كحركة كرة في مشهد متغير من التلال والوديان. تشبيه الكرة يبسط الأمور: في الواقع، يتعلق الأمر بالديناميكا الجماعية للخلايا العصبية، وليس بجسم ميكانيكي.
في أساس النموذج تكمن فكرة الإحداثي الخفي — معلمة تعكس الانتظام العام للنشاط العصبي. يُستخرج هذا الإحداثي من بيانات تخطيط كهربية الدماغ (EEG، تسجيل النشاط الكهربائي للدماغ) عبر إجراء خاص لتجنب التنبؤات ذاتية التحقق. عندما يتغير الإحداثي، يُعاد بناء المشهد: تظهر حفر-جاذبات جديدة — حالات مستقرة تنزلق إليها النشاطات — وحواجز بينها. على سبيل المثال، النوم يشبه اختفاء حفرة اليقظة: يفقد الدماغ استقراره و"يسقط" في حالة النوم.
صمم المؤلفون ستة أنواع من التحولات: من التشعبات الحادة — تغييرات مفاجئة في الحالة — إلى التقاطعات السلسة. أظهرت المحاكاة الحاسوبية كيف يزداد طول الارتباط — المسافة التي تتصرف عندها الخلايا العصبية بشكل منسق. تشارك مناطق أكبر فأكبر من الدماغ في العملية. هذا تنبؤ رئيسي يميز النموذج عن النماذج الأبسط. في تجربة عمياء — حيث لم يكن الخوارزم يعرف مسبقًا نوع التحول المعروض عليه — تمكن جزئيًا من تمييز الأنماط الأولية للتحولات بدقة 49% (التخمين العشوائي كان سيعطي 17%).
حاليًا، هذا هيكل نظري ينتظر التحقق على تسجيلات حقيقية. إذا تأكدت التنبؤات، ستظهر أداة لوصف اضطرابات النوم بدقة — على سبيل المثال، لماذا يصبح النوم في الأرق ممرًا مؤلمًا بدلاً من هبوط سلس.
أثناء النوم، قد يفقد الدماغ استقرار اليقظة فجأة كما تنطوي ورقة مطوية عند ضغط حرج.
في فيلم "استهلال" (Inception)، يسافر الأبطال عبر مستويات النوم، لكن نموذجنا يفترض أنه حتى داخل المرحلة الواحدة، قد يمر الدماغ بتحولات متتالية، كما لو كان ينزل على سلم من الحالات.