Физиологиялық функцияларды сызықтық емес-динамикалық талдау
ТҰЖЫРЫМ(АНННОТАЦИЯ))
Жүрек ырғағының (ЖЫ) ең күрделі динамикасы реттеу үрдістерінде вегетативтік жүйке жүйесінің (ВЖЖ) парасимпатиялық бөлімінің әсері басым болған жағдайларға сәйкес келеді. Энтропия мен корреляциялық өлшемділіктің ең жоғарғы көрсеткіштері осының дәлелі болады. Оңтайлы вегетативті қамсыздандыру корреляциялық өлшемділігінің бірақ орташа мәні бар адамдарда анықталды, ВЖЖ тарапынан басқару бұл жағдайда жүрек ырғағының динамикасында «түрліліктің» ұлғаюына немесе оны қандай да бір орташа деңгейде сақтауға бағытталған. Жүрек ырғағының динамикасының бастапқы күрделілігі ең жоғары адамдарда стимулдарға жауап ВЖЖ симпатикалық бөлімінің белсенділігі артуы нәтижесінде тұрақты ырғақты пайда болуымен сипатталады. Бұл өз тарапынан компенсаторлық механизмдерінің екпінділігіне, сәйкесінше функционалдық жүктемеге реакцияның жеткіліксіз вегетативтік қамсыздануына әкеледі.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Известно, что все физиологические функции организма имеют колебательный характер. Оптимальные режимы деятельности являются не среднестатистическими величинами, а непрерывными динамическими процессами, протекающими во времени в сложной сети кооперированных регуляторных механизмов. Дисперсия величин, наряду с изменениями средних показателей физиологических процессов, отражает механизм приспособления организма к меняющимся условиям среды. Считается, что чем больше разброс инвариант, тем легче происходит адаптация. Степень дисперсии может отражать физиологический резерв регуляторов [Данилова, 1992; Агаджанян, 2002; Судаков, 2007; Тулеуханов, 2004, Meesmann, 2000; Kniffki, 2003]. При этом разброс параметров может быть следствием строго периодических колебаний физиологических функций, а также носить асимметричный и изначально хаотический характер (флуктуации). Флуктуации и колебания в поведении системы имеют разную природу.
Различные типы динамического поведения – периодические, нерегулярные, шумоподобные – наблюдаются в физиологических системах регулирования как в условиях нормы, так и при патологии. Хотя изучению биологических ритмов посвящено достаточное количество работ, фундаментальные аспекты их богатой динамической структуры пока еще оценены не в полной мере.
В последнее время для оценки физиологического значения апериодических составляющих активно применяется теория детерминированного хаоса. Математическим аппаратом этой теории является нелинейно-динамический анализ. Уже первые работы в этом направлении показали, что в норме для биологических процессов, даже ритмических, характерно наличие нерегулярной компоненты с высокой степенью сложности [Гласс, Мэки, 1991]. Наличие хаотических составляющих, вероятно, связано с тем, что большое количество степеней свободы дает много функциональных преимуществ, так как повышает пластичность функции и облегчает процесс приспособления организма к постоянно меняющимся условиям среды. Известно также, что при старении, возникновении различных патологий для параметров, характеризующих различные физиолого-биохимические процессы, свойственно проявление четкой периодичности, сопровождающееся снижением степени сложности и хаотичности [Goldberger, 2002].
Вместе с тем, анализ имеющихся литературных данных показывает, что прикладные аспекты теории недостаточно еще обоснованы. Применение нелинейных методов анализа физиологических процессов носит, в основном, исследовательский характер, и они далеки еще от внедрения в практическую медицину. В первую очередь это связано с малым количеством "нормологических" исследований в данном направлении, недостаточной разработкой методики расчета динамических показателей применительно к конкретным физиологическим функциям.
На настоящий момент не ясны механизмы генеза хаотических составляющих в колебаниях физиологических процессов. Так, относительно апериодических изменений сердечного ритма имеется мнение о наличии интра- и экстракардиальных механизмов, хотя большинство исследователей склоняется к мнению, что основным источником нерегулярности является вегетативная нервная система. Однако, недостаточно еще изучено каким образом влияют на сердечный ритм сегментарный и надсегментарный отделы симпатической нервной системы, а также соотношение адрен- и холинергической регуляции при различных функциональных состояниях и на различных этапах развития человеческого организма - по мере созревания и деградации нервной системы.
Актуальность проблемы связана также с возможностью применения нелинейных методов для анализа переходных процессов. Известно, что от характера переходного процесса во многом зависит то новое состояние, в котором оказывается биологическая система в результате воздействия факторов эндо- и экзогенного характера, т.е. зависят адаптационные возможности организма. Изучение динамики физиологических функций в этом периоде является альтернативой анализу амплитудно-частотных характеристик, который не может быть использован по причине нестационарности и нелинейности процесса.
Требует своего обоснования и роль хаотических составляющих в процессах адаптивной саморегуляции функций. Для этого представляется целесообразным использовать эксперименты с инструментальным биоуправлением с обратной связью по параметрам сердечного ритма и ЭЭГ. Такой подход позволяет проследить механизмы формирования устойчивых сдвигов в активности регуляторных систем, которые носят адаптивный характер и приводят их в качественно новое состояние.
Цель работы
Исследовать нелинейные механизмы адаптивной саморегуляции физиологических функций и показать преимущества нелинейных методов анализа в оценке различных функциональных состояний.
Задачи исследования
1. Разработать методику расчета показателей нелинейной динамики сердечного ритма и биопотенциалов головного мозга.
2. Выявить механизмы влияния вегетативной нервной системы на нерегулярную составляющую кардиоритма.
3. Исследовать взаимосвязь между нелинейными процессами в системе регуляции сердечного ритма и приспособительными возможностями сердечно-сосудистой системы
4. Определить характер вовлеченности симпатического и парасимпатического отделов ВНС в регуляцию нелинейной динамики сердечного ритма на различных этапах индивидуального развития человека.
5. На основе анализа сложности и регулярности динамики СР исследовать различные стратегии в механизмах адаптивных реакций вегетативной нервной системы.
6. Исследовать «хаотическую» составляющую нейродинамических процессов головного мозга в различных возрастных группах и при различных функциональных состояниях.
7. Провести анализ взаимосвязи адаптивной саморегуляции функций организма со степенью хаотичности физиологических процессов.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Обоснование направления исследования. Анализ ритмов сердцебиения, дыхания, давления крови, ЭЭГ и других процессов свидетельствует о существенных отличиях указанных процессов от периодических. Исследование нерегулярных, апериодических колебаний физиологических процессов сдерживалось, во многом, отсутствием должного математического аппарата для описания нелинейных систем, к которым относятся многие, в том числе и биологические, системы. В настоящее время описание фундаментального явления детерминированного хаоса проводится в рамках нелинейной динамики – науки, изучающей структуру и свойства эволюционных процессов в нелинейных динамических системах. Нелинейно-динамический анализ биологических систем позволяет глубже понять механизмы и принципы их функционирования, более тонко описывать различные состояния и пути переходов между ними. Показано, что наличие детерминированной хаотической компоненты характерно для нормальной жизнедеятельности практически любого живого объекта от отдельной клетки до целого организма. В то время как появление патологических изменений в функционировании физиологических систем приводит к снижению фрактальной размерности и степени нерегулярности динамики системных параметров.
Несмотря на большое количество методов анализа нелинейной динамики физиологических процессов, достоинства одних и недостатки других пока еще не очевидны. Диагностическая и прогностическая ценность показателей недостаточно исследована, и не удивительно, что нелинейные методы являются далекими от того, чтобы быть использованными в клинической практике. К тому же в настоящее время не решены значительные методологические проблемы вычисления нелинейных показателей.
Многие системы постоянно балансируют на грани хаоса и порядка. В представлении о явлении детерминированного хаоса мы сталкиваемся со специфическим соотношением категорий “порядок” и “хаос”. Здесь они выступают не в качестве взаимоисключающих противоположностей, но как аспекты единого целого, здесь они неразрывно связаны между собой, и именно эта связь определяет сущность данного явления. В связи с этим представляется, что линейные и нелинейные методы анализа физиологических процессов органически дополняют друг друга и весьма важны для понимания процессов саморегуляции и адаптации в биологических системах, для прогнозирования и профилактики возможных нарушений в их деятельности.
Материалы и методы
Объект исследования. В работе использовались записи 534 кардиоинтервалограмм и 192 электроэнцефалограмм практически здоровых лиц возрастных групп 8-13, 14-17, 18-21, 22-35, 36-55 и более 55 лет в покое и при функциональных нагрузках. Для анализа нелинейных показателей сердечного ритма при некоторых нарушениях сердечной деятельности использовались данные из архива физиологических сигналов для биомедицинских исследований «PhysioBank» - всего 177 кардиоинтервалограмм.
Регистрация электрофизиологических сигналов. Электрокардиограмма регистрировалась в II стандартном отведении в покое (положение «лежа») в течение 5 минут и при функциональных нагрузках, использовался ЭКГ канал энцефалографа ЭЭГ-16S «Медикор» (Венгрия).
Исследования биоэлектрической активности головного мозга проводились при отведении биопотенциалов монополярно через скальп от конвекситальной поверхности мозга с помощью неполяризующихся электродов, симметрично охватывающих лобные, теменные и затылочные области обоих полушарий (Fp1, Fp2, C3, C4, O1, O2).
Аналоговый сигнал ЭКГ и ЭЭГ, получаемый с выхода электроэнцефалографа, преобразовывался в цифровой посредством установленной в компьютере измерительной платы АЦП. Выделение кардиоинтервалограммы и последующий анализ КИГ и ЭЭГ реализованы программно.
Применялись широко распространенные функциональные тесты в виде ортостатической пробы, теста РДО, биоуправления с обратной связью, электроэнцефалографические пробы с открыванием и закрыванием глаз, фотостимуляция и гипервентиляция. Для оценки функционального резерва сердечно-сосудистой системы проводили ортоклиностатическую пробу по методике, предлагаемой А.М. Вейном и соавт. (1991).
Методы анализа вариабельности сердечного ритма. Для исследования линейных показателей вариабельности сердечного ритма была создана программа Puls.KZ (свидетельство о регистрации объекта интеллектуальной собственности №131, выданное 26.04.2006). Программа позволяет получать статистические, геометрические (вариационные), спектральные, авторегрессионые и энтропийные характеристики вариабельности сердечного ритма – всего более 80 параметров, т.е. это наиболее полное отражение всех известных методов анализа кардиоинтервалограммы [Р.М. Баевский и соавт., 2001].
Расчет энтропийных показателей матрицы вероятности переходов кардиоритмов. Для построения матрицы взаимных переходов каждый временной ряд длительностей R-R -интервалов делится на каналы (классовые интервалы) по 50 мс и каждый кардиоинтервал (КИ) временного ряда регистрируемой ЭКГ кодируется (обозначается) номером канала, соответствующего его длительности. Полученный временной ряд преобразовывается в матрицу переходов КИ из i-го канала в (i+n)-канал, где последовательности строк составляют номера каналов предшествующих КИ, а ячейки на их пересечении содержат количество переходов определенного предшествующего КИ к соответствующему последующему.
Из матрицы вероятности взаимных переходов вычисляются: Н(Э) - энтропия части матрицы ниже диагонали (характеризует эрготропные влияния на сердечный ритм), Н(Т) - энтропия части матрицы выше диагонали (характеризует трофотропные влияния на сердечный ритм), Н(Д) - энтропия диагонали матрицы (характеризует стабилизирующие влияния на сердечный ритм), Н(М) – энтропия всей матрицы (характеризует суммарный эффект всех влияния на сердечный ритм), Н(М/Д) – отношение энтропии матрицы к энтропии диагонали, Н(Т/Э) – отношение Н(Т) к Н(Э) (Меницкий Д. Н. и соавт., 1978).