CC BY
43
METHODS OF SYNERGISM DEGREE IDENTIFICATION IN THE BIOLOGICAL SYSTEMS
A.S. ANUFRIEV, V.V. ES’KOV, M.U. KOVALENKO, U.M. POPOV,
A.A. USTIMENKO
Summary
At present time exists a problem with formal identification of synergism effects and its degree in the biological dynamic systems (BDS). This article presents the procedure of synergism effects system study, in which base is situated method of registration and echo analysis of BDS on some standard disturbing impulse. There are considering in the context compartment-claster theory biosystem.
Key words: synergism, compartment-claster theory
УДК 658.347
САНОГЕННЫЕ РЕАКЦИИ ПРИШЛОГО НАСЕЛЕНИЯ СЕВЕРА РФ С ПОЗИЦИИ ТЕОРИИ ФАЗАТОНА МОЗГА
И.Ю. ДОБРЫНИНА, Ю.В. ДОБРЫНИН, В.М. ЕСЬКОВ,
Т.Н. КОВАЛЕНКО, М.Ю. КОВАЛЕНКО, С.Ю. ПИКУЛИНА*
Введение. Понятие нормы и патологии, здорового или больного состояния организма человека продолжает уточняться и подвергаться новым трактовкам. В рамках кибернетического подхода особый смысл в описании нормы и патологии приобретает компартментно-кластерный подход (ККП). Организм человека является системой с множеством уровней организации и управления. Согласование функционального состояния организма (ФСО), управление со стороны ЦНС как верхнего иерарха всеми этими ФСО обеспечивает гомеостаз. Центральным регулятором функционально согласованного взаимодействия многоуровневой системы поддержания жизненно необходимых параметров гомеостаза является система на базе ЦНС, обеспечивающая интегрированное управление в норме и при патологии, условно называемая фазатоном мозга (ФМ). Работа ФМ базируется на функционировании нейросетей (НС) мозга, которые могут описываться в рамках ККП и теории синергизма [2, 4].
Медицина, ориентирующаяся на концепцию патогенеза, не дала уменьшения заболеваемости и роста продолжительности жизни людей. Саногенез - процесс, противоположный патогенезу. Интегративная медицина учитывает, что человек исходно целостен, и неправильным является подчинение его целостности, например, дуальным представлением простой суммы психического и соматического. Целостность предопределяется саногене-тическими процессами на основе функциональной и структурной гармонии составных частей целого [4]. Саногенез - динамический комплекс приспособительных механизмов, возникающий при действии чрезвычайного раздражителя. Системы организма имеют в основе золотые пропорции [6]. Отклонение от гармонических отношений или от производных числа п между системными элементами целого может отражать снижение «саногенного потенциала» и стать основой для формирования «дискомфортного синдрома», который характеризуется полимикросимптоматикой [7]. В здоровом организме саногенные механизмы функционируют как обычные физиологические, обусловленные естественными генетическими программами гармонизации ФСО. Функциям нейромоторного, нейротрансмиттерного и нейровеге-тативного системокомплексов в поддержании здоровья человека отводится главное место. Эти системы, как активные структуры, определяют параметры саногенных и патогенных реакций других элементов организма. Имеется пограничная зона перехода саногенных реакций в патогенные, которая связана с понятием барьерных свойств любой системы [2] и характеризуется отклонением в состоянии центральных регуляторных функций, представляемых ФМ в тоническую область (Т) или фазическую (F) [2, 6]. Формирование патологического процесса в рамках ККП рассматривается как универсальный, общий и системный процесс в единстве многообразия и взаимообусловленности функционирования всех ФСО, направленных на удержание стабильности
Сургутский госуниверситет, 628400, г. Сургут, ул. Энергетиков 14, лаборатория биокибернетики и биофизики сложных систем, 8(3462)524713, e-mail: evm@bf.surgu.ru
динамических биосистем. В рамках такого кибернетического подхода сказанное можно представить на фазовой плоскости или в пространстве состояний [2, 4, 6].
У практически здоровых людей наблюдается нейродинами-ческая перестройка и подстройка для сдвига всех фазовых координат х, вектора состояния х (описывает все системы гомеостаза организма) в область притягивающих множеств, т.е. к аттрактору. В рамках описания динамики вектора состояния (т.е. с использованием компартментно-кластерной теории биосистем -ККТБ) и фазовой плоскости (т-мерное фазовое пространство в общем случае) приближенно ситуацию можно представить так.
Рис. 1. Фазовый портрет изменения уровня сухожильного рефлекса (х1) от уровня катехоламинов (х2), где Б - фазическая патология, Т - тоническая патология, N - норма
Например, для двух обобщенных координат, описывающих вектор состояния х и гомеостаз в целом (в качестве х] можно выбрать уровень фазического сухожильного рефлекса, а в качестве х2 - уровень катехоламинов, который искусственно может изменяться под действием Ь-ДОПА (наком, мадопар, синемет) или угнетаться действием нейролептиков. Откладывая по вертикали значения X и по горизонтали х2 , мы получим (рис. 1) картину: N - норма (пересечение двух областей), фазическая патология (Б), тоническая патология (Т), что согласуется со схемой принципиального фазатонного нейродинамического механизма сомато-вегетативного регулирования на организменном уровне (рис. 2).
тонический моторно-еегетатнвный системокомплекс доламим фазический моторно-вегетативный системокомплекс
гамк
г вне .f
=;—— иеиромоторныи / системокомплясс
вне
1. Активация аэробного гликолиза. Активация анаэробного гликолиоза.
2. Стимуляция синтеза РНК. Ослабление синтеза РНК.
3. Увеличение синтеза белка. Угнетение синтеза белков, углеводов.
4. Активация генетического аппарата и митотической активности клеток. Угнетение генетического аппарата и митотической активности клеток.
5. Снижение интенсивности иммунного ответа. Стимуляция иммунного ответа.
6. Активация анаболических процессов. Активация катаболических процессов.
7. Трофотропный эффект. Эрготропный эффект.
8. Увеличивает концентрацию К+ в крови и его внутриклеточный транспорт. Увеличивает концентрацию Са+ в крови и его внутриклеточный транспорт.
9.Ослабляет коагуляционные свойства крови. Активирует процесс свертывания крови.
10. Повышенные показатели активности парасимпатической ВНС (ПАР) и пониженные показатели СИМ. Повышенные показатели активности симпатической ВНС (СИМ) и пониженные показатели ПАР.
11. Низкая степень синергизма в ФСО и БДС в целом. Высокая степень синергизма в ФСО и БДС в целом.
12. Узкие интервалы устойчивости БДС организма, работа вблизи точек катастроф. Широкие интервалы устойчивости БДС организма.
Рис. 2. Схема принципиального фазатонного нейродинамического механизма сомато-вегетативного регулирования на организменном уровне
Положение центров областей Т или Б может смещаться (нейромоторно-вегетативный баланс). А это значит, что и область N может постоянно изменяться, а ее центр тяжести смещаться в область Т или Б. При этом у человека может преобладать тонический моторно-вегетативный гомеостаз (в комплексе парасимпатическим отделом нервной системы) или фазический моторно-вегетативный гомеостаз (в комплексе с симпатическим
отделом ВНС). Т.к. у пришлого населения Югры в осеннезимний период (8-9 месяцев в году) преобладают показатели зоны Т (левая половина рис.2), то у них исходно наблюдается сдвиг в область РК (рис.2), даже несмотря на наличие нормы или патологии. Отсюда следует специфика проживания человека на Севере - преобладание тонической фазы ФМ над фазическим состоянием, что ведет к хроническим формам патологии.
Адаптация к увеличенным функциональным нагрузкам пришлого населения высоких широт сопровождается высоким риском нарушения и утраты здоровья. Неблагоприятные условия Севера накладывают свой отпечаток на особенности развития патологического процесса. В лаборатории биокибернетики и биофизики сложных систем при СурГУ в течение 9 лет разрабатывается биокибернетический подход в изучении допустимого диапазона нормы (К) и псевдонормы (РК) различных ФСО человека со спецификой его жизни в условиях Севера. Особый интерес в развитии кибернетического подхода при изучении ФСО человека имеется в связи с изучением адаптационных возможностей организма к экофакторам Севера РФ и особенностям динамик патологических процессов в этих условиях. Дисбаланс нейромоторных систем (фазической и тонической), а также нейромедиаторных (катехоламинергической и холинергической) систем приводит к вегетативным дисфункциям (в наших исследованиях - это изменения в соотношениях между показателями симпатической (СИМ) и парасимпатической (ПАР) нервной системой. Классические «фазики» - это индивидуумы с повышенным дофаминергическим и адренергическим тонусом и высоким «саногенным потенциалом». Напротив, у людей с псевдонормой (РК) или у северян-нормотоников активна ГАМКерги-ческая система, для них характерна гипокинезия, повышение показатели ПАР и низкие СИМ [2,4], и соответственно, сниженный «саногенный потенциал». Нарушение в физиологическом равновесии фазической и тонической систем должно сопровождаться изменениями показателей гомеостаза (параметров углеводного обмена, липидограммы, иммунограммы, газового состава крови и кислотно-основного состояния) и, соответственно, вариабельностью «саногенного потенциала», оценка которого является перспективой наших исследований.
В условиях Севера РФ установлен сдвиг показателей ВНС в сторону парасимпатической регуляции (преобладание тонической фазы состояния ФМ над фазическим состоянием). В зимний период у обследуемых лиц, регулярно не занимающихся спортом, только 8-9% имеет выраженные показатели активности симпатической ВНС. Остальные лица - устойчивые парасимпатотоники. У некоторых наблюдается выраженное снижение тонуса периферических сосудов (вазоконстрикция, пульс на фалангах пальцев не регистрируется фотооптическими датчиками). Периферическое кровообращение изменяется под воздействием холода. На начальных этапах охлаждения характер и величина этих сдвигов отражает выраженность защитных терморегуляторных реакций: происходит снижение кровотока в сосудах кожи и увеличение в сосудах скелетных мышц. Кровоток в жизненно важных органах не меняется, а в спланхнической области и в почках может снижаться в зависимости от сократительного термогенеза [5].
Можно предположить, что гипотермия, характеризующаяся снижением кровотока во всех регионах организма, но различной степени выраженности, является в большей степени саногенной реакцией, которая при смещении в область псевдонормы (РК) на фоне дисбаланса нейромоторных систем (фазической и тонической), а также нейромедиаторных (катехоламинергической и холинергической) систем приводит к вегетативным дисфункциям (в наших исследованиях - это преобладание показателей ПАР над СИМ), что в итоге ведет к снижению «саногенного потенциала». В острую фазу адаптации при условии нормального саногенеза доминирует функция симпатической нервной и гипофизарно-надпочечниковой систем, а в фазе устойчивого равновесия организма преобладает тонус парасимпатической регуляторной системы [3]. Сердечно-сосудистая система одна из первых включается в реакцию адаптации при миграции человека на Север и играет важную роль в поддержании гомеостаза саноген-ных реакций организма в новых условиях. В период кратковременного пребывания человека на Севере выявляется мобилизация приспособительных саногенных реакций системы кровообращения, характеризующихся учащением ритма сердечных сокращений, повышением АД, объема сердечного выброса, периферического сосудистого сопротивления, объема циркулирую-
щей крови, ускорением кровотока. Гиперфункция системы кровообращения в периоды частых геомагнитных возмущений, характерных для Севера РФ, ведет к истощению адаптационных механизмов. К этому присоединяются извращения реакций нейроэндокринной регуляции и метаболизма в условиях хронического стресса. Всё это ведет к формированию вначале дизадаптив-ных (область PN на фазовой плоскости [2]) процессов, а затем и к патологии, в которой первое место занимает артериальная гипертония с осложнениями, причинно связанными с ней [2]. Все измеряемые в наших исследованиях с ФСО количественные показатели характеризуют состояние кардио-респираторной системы (КРС) для лиц, как критические, а для основной массы -как адаптационные, но с отклонением от среднеевропейской нормы. Ситуация усугубляется высоким показателем уровня оксигемоглобина (НЬО). Основная масса обследуемых уложилась в интервал 99±0,9%. Это означает отсутствие компенсаторных реакций со стороны КРС на любые физические нагрузки или стрессовую ситуацию.
В норме НЬО укладывается в интервал 93±2,3% (среднеевропейский показатель). Для такого человека стресс или физическая нагрузка поднимает НЬО до 98-99%, и это рассматривается как компенсаторная реакция. Нашим северным пациентам уже нечем компенсировать такие внешние воздействия, т.к. они уже находятся на этом уровне. Показатели состояния нервно-мышечной системы (НМС) у жителей Югории также вызывают тревогу. Обследования по этим показателям 3134 молодых людей (учащиеся, студенты) показали повышенный процент лиц с 10-герцевым компонентом в спектрограмме непроизвольного тремора. А результаты теппинговых обследований выявили значительную вариативность моды, медианы, доверительного интервала теппинга (по амплитуде произвольных колебаний и по частоте). Особый интерес и тревогу за состояние ФСО вызывают данные по обследованию КРС на предмет выявления степени синергизма. Обследования двух групп (молодежь с малыми сроками проживания на Севере и лица >40 лет с более длительными сроками) показали различия в параметрах синергизма по реакциям систем регуляции КРС на резкие перепады температур.
Изучение нейромоторного, нейровегетативного (ВНС) и нейромедиаторного гомеостаза позволяет описывать норму и формирование патологических систем. Подобные клиникопатофизиологические теоретические обобщения, фактически предлагают новую нейродинамическую модель структурнофункциональной организации системы моторновегетативной регуляции двигательных и др. функций человека. В этой системе тоническая моторная система выступает в комплексе с парасимпатическим отделом ВНС, а фазическая моторная система образует комплекс с симпатическим отделом ВНС. Обе эти системы образуют иерархическую систему - ФМ. Внешние управляющие воздействия способны изменять координаты Т и Б фазового пространства или существенно изменять динамику ФМ (рис. 1). При этом смещается не только центр тяжести любой из трех областей (Б, N Т) но и изменяются границы и размеры этих областей, их положение на фазовой плоскости. Реально организм осуществляет с помощью ФМ постоянные движения в фазовом пространстве вблизи аттрактора (оптимального или не очень), который обеспечивает динамический комплекс приспособительных реакций ФСО и жизнедеятельность в целом. Адаптационные реакции саногенеза (например, к экофакторам среды) осуществляются при переходе в область Б, а дизадаптационные патогенетические - в область Т.
В рамках такого кибернетического подхода перспективным является разработка системы методов внешних воздействий (управляющих внешним драйвом), которые создают «раскачку» ФМ и ФСО и возвращают показатели ФМ и ФСО в среднестатистические области нормы N повышая саногенный потенциал организма. Таким образом, диапазон достаточных саногенных реакций (в рамках ККП) - это такие интервалы изменений параметров ФСО и организма в целом, при которых обеспечивается состояние гомеостаза, которое характеризуется равновесным стационарным режимом функций организма, который должен удерживаться достаточно долго с нужными девиациями. Такая динамика соответствует нормальному состоянию ФМ, и всех ФСО, изменяющих свои параметры в допустимом диапазоне нормальных (^ или псевдонормальных (Р^ значений [2].
Вывод. Саногенные реакции в рамках ККП обеспечивают динамический комплекс интервалов изменений параметров ФСО, при которых возникает такое состояние гомеостаза, которое характеризуется равновесным стационарным режимом всех функций организма. Необходимые девиации стационарного режима должны удерживаться достаточно долго, что соответствует нормальному состоянию ФМ и всех ФСО, им управляемых. Дисбаланс нейромоторных и нейромедиаторных систем приводит к вегетативным дисфункциям с низкой степенью синергизма ФСО и БДС организма на фоне узких интервалов диапазона саногенных реакций, приводящих к нестабильности БДС и доминированию патологических процессов.
Литература
1. Акимова Е.В. и др. // Тер. архив.- 2000.- Т.72.- №4.-С.44-46.
2. Еськов В.М. и др. Клинические аспекты кластерной теории фазатона мозга: Монография.- СурГУ, 2004.- 140 с.
3. Казначеев В.П. и др. Современные аспекты адаптации.-Новосибирск: Наука,1980.
4. Кидалов В.Н. и др. // ВНМТ.- 2005.- Т.ХП, № 3-4.-С.5-10.
5. Ким Л.Б. и др. Функции внешнего дыхания, показатели красной крови и проницаемость капилляров у жителей Крайнего Севера / Под ред. В.П. Казначеева.- М: Медицина, 1986.-С. 68
6. Скупченко В.В., Милюдин Е.С. Фазотонный гомеостаз и врачевание. Монография.- Самара: Самарский ГМУ, 1994.256 с.
7. Ушаков И.Б. Качество жизни и здоровье человека.-М.- Воронеж: Истоки.- 2005.- 130 с.
THE SANOGENESIS OF RUSSIAN NORTH CITIZEN ACCORDING TO FASATON BRAIN THEORY
I.Y.DOBRININA, Y.V.DOBRININ, V.M. ESKOV, T. N. KOWALENKO,
M. Y. KOWALENKO, S.Y. PICULINA
Summary
According to compartmental-claster theory (CCT) the regulation of human functional system organism is providing by dynamic complex of Fazaton brain (FB) parameters. As a result of such regulation the homeostasis is probiding by stationary regimes of all human organism function (specially by FB). The deviation of stationary regimes and the state of FB at all must be providing by FB function and all FSO. So the authors expresent the normal interval of FB (N) and pseudonormal interval (PN). The last interval presents the pathological state of organisms.
Key words: fazaton brain, compartmental-claster theory
УДК 577.38:681.306
СИНТЕЗ НЕЧЕТКИХ РЕШАЮЩИХ СТРУКТУР ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ С УЧЕТОМ СИНЕРГЕТИКИ ОРГАНИЗМА
Н.А. КОРЕНЕВСКИЙ*
Современная медицинская наука, решая задачи прогнозирования состояния здоровья человека, диагностики ранних стадий заболеваний, задачи дифференциальной диагностики и др. использует в своем арсенале три основных фундаментальных подхода: детерминистский, стохастический и синергетический, которые, не противореча друг другу, могут использоваться для различной степени детализации решаемых задач и практических приложений. Во всех этих вариантах формализация описания объекта исследования ведется путем задания множеств значений переменных х^ /=1, ..., т, ..., п, описывающих состояние элементов, подсистем и систем исследуемого объекта. Учитывая огромную сложность и динамичность биологических объектов, дать полное и точное формализованное их описание на различных уровнях функционирования не представляется возможным.
* 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94 Курский государственный технический университет тел. (4712) 55-45-65
Одним из известных математических аппаратов, способных, по крайней мере, решать задачи прогнозирования и классификации состояний сложных и сверхсложных систем, является аппарат теории распознавания образов в его геометрической интерпретации, когда задача получения формальных аналитических выражений заменяется задачей обучения для классификации с требуемым качеством. В такой постановке различные классы состояний œ/ (/=1,...,L) исследуемых объектов х/ представляются как некоторые геометрические структуры, а задача обучения сводится к тому, чтобы отыскать параметры гиперповерхностей разделяющих искомые классы, например классы: «здоров - болен исследуемыми типами заболевания»; «здоровье - предболезнь»; «предболезнь - различные типы и стадии заболеваний»; «здоров и нет риска в течение заданного времени заболеть - здоров, но в течение времени наблюдения заболеет, если не провести соответствующих профилактических мероприятий».
Геометрическую интерпретацию имеют и задачи медицинской диагностики и прогнозирования, решаемые в рамках синергетического подхода, когда в многомерном пространстве признаков х* (=1,...п) определяют области аттракторов патогенеза и саногенеза; русла как подмножества геометрических образов, определяющих законы поведения многомерных объектов, например, при их переходе между аттракторами; джокеры, как области критических состояний изучаемых объектов.
С точки зрения классической теории распознавания образов и с точки зрения синергетического подхода задачи прогнозирования и медицинской диагностики отличаются тем, что исследуемые структуры классов (аттракторы и русла) могут сильно пересекаться, особенно, если речь идет о ранней диагностике; классы состояний меняют свое положение в пространстве признаков; доступные для измерения признаки могут измеряться в разных шкалах (порядка, наименований, интервалов); число исходных признаков может быть избыточно или недостаточно; природа используемых признаков может быть нечеткой; задача классификации может иметь принципиально нечеткий характер. В таких условиях целесообразнее использовать диалоговые системы распознавания образов, нечеткую логику принятия решений, нейросетевые технологии с четкими или нечеткими решающими элементами [2-9]. Особенно большие надежды возлагают на использование нейросетевых структур, которые с определенными приближениями моделируют работу нейронов головного мозга. Однако при всех положительных сторонах нейросетевых классификаторов выделяют и ряд их существенных недостатков присущих как четким, так и нечетким сетевым структурам [3-4]:
- при обучении сетевая модель может быть настроена на локальный экстремум качества, тогда как существует не достигнутый глобальный экстремум с лучшими показателями качества классификации, а для достижения наилучших результатов рекомендуется экспериментировать с различными типами нейронных структур, причем как экспериментировать заранее не известно;
- полученная в ходе обучения классификация может сильно отличаться от естественной и не пониматься пользователем для которого решается задача и наоборот, получаемые решения могут не выделять классов, переходных зон, аттракторов, русел и других структурных образований интересующих пользователя;
- выходные нейроны сети, даже у нечетких нейронных сетей, указывают на четкое решение, тогда как более естественным (например, в задачах прогнозирования, оценки перехода в состояние предболезнь и из состояния предболезнь в состояние болезнь и др.) является нечеткое решение, свойственное в таких ситуациях человеку;
- при создании систем поддержки принятия решений необходимо решать различные задачи классификации с использованием единой базы знаний, когда целесообразно использовать уже имеющиеся решающие правила различной природы, объединяя их в различные коллективы, что для сетевых нейронных структур является очень трудоемкой задачей, сводящейся к неоправданно затягивающейся процедуре полного переобучения этих структур.
С целью устранения этих и других недостатков, присущих различным подходам к решению задач прогнозирования и диагностики, нами предлагается объединить подходы, основанные на анализе структур многомерных данных (разведочный анализ) и подходы, использующие нечеткую логику принятия решений, включая нечеткие нейронные сети, попутно решая вопрос о приведении различных популярных решающих правил к единой
