Математическое моделирование возрастных особенностей параметров состояния функциональных систем организма учащихся Югры Филатова, Диана Юрьевна

Введение к работе

Актуальность работы. Принципы системного изучения деятельности важнейших регуляторных и функциональных систем организма (ФСО), впервые обозначенные И.М. Сеченовым и И.П. Павловым, а затем в деталях разработанные П.К. Анохиным и его учениками К.В. Судаковым, Н.А. Фудиным, В.Г. Зиловым (1993-2010) и др., до сих пор не потеряли своей актуальности и являются исходной научно-теоретической основой при исследовании динамики функционального состояния и адаптационных реакций организма человека в различных условиях жизнедеятельности. Как известно, системообразующим фактором, определяющим целесообразное адаптивное поведение организма и избирательное подключение в его комплексное реагирование тех или иных частных механизмов, является полезный результат деятельности организма как целостной системы. По вполне понятным причинам полностью познать закономерности функционирования таких интегрированных и иерархических биосистем, как организм, только путем изучения его частных механизмов практически невозможно. Однако, при использовании определенных методических подходов, параметры работы отдельных ФСО могут составить образ поведения организма как целостной системы. В частности, такая возможность предоставляется в условиях формального, с биофизических позиций, описания поведения сложных биосистем в фазовом пространстве состояний и при создании новых математических моделей таких систем.

В рамках биофизического подхода чрезвычайно важно определить иерархические уровни организации процессов управления как отдельными ФСО человека, так и их комплексами в общей системе регуляции гомеостаза. Биофизическим следствием развития теории ФСО П.К. Анохина является проблема изучения некоторых глобальных интегративных механизмов управления всеми ФСО человека, которая, как нам представляется, должна базироваться на некоторых общих принципах работы ЦНС, как высшего уровня регуляции функций организма. В настоящее время это направление в биофизике сложных систем и теории ФСО получило название теории фазатона мозга, которая впервые была представлена в работах В.В. Скупченко. В соответствии с данной концепцией, центральным регулятором ФСО является некое корпоративное объединение центральных нервных структур, обеспечивающее интегрированное управление моторными и висцеральными функциями, условно называемая фазатоном мозга (В.М Еськов, В.В. Скупченко, 1993-2009). Согласно фазатонной модели, нарушение баланса между фазическим и тоническим системокомплексами нейрорегуляции функций может быть причиной возникновения не только двигательных, но и вегетативных нарушений, приводить к усилению патологических процессов в организме.

Особенно важно контролировать эти явления в детском организме, поэтому разработка объективных методик, позволяющих определять степень риска возникновения подобных негативных эффектов, прогнозировать развитие донозологических форм состояния организма детей и подростков – это актуальная задача современной физиологии, биофизики и биокибернетики. Наиболее актуальна она в отношении детей школьного возраста, качество здоровья которых существенно зависит от адекватности учебной нагрузки умственным способностям, психофизиологическому статусу и фактическому уровню физиологических резервов организма учащегося. Несоответствие адаптационного потенциала ФСО школьников и интенсивности учебной нагрузки приводит к возникновению состояний предболезни с последующим переходом в серьезные патологии, риск которых наиболее высок среди молодых жителей территорий с тяжелыми климатическими условиями, в т.ч. Югры.

Использование современных биофизических подходов при регистрации параметров деятельности ФСО, в первую очередь системы кровообращения как наиболее чувствительной к неблагоприятным воздействиям, у детей школьного возраста может служить основой для выработки новых стратегий в образовательной системе и создания эффективных здоровьесберегающих технологий.

Цель исследования: в рамках дальнейшей разработки и развития синергетического подхода в биофизике сложных систем с использованием аппаратных исследований и математического моделирования выполнить анализ параметров квазиаттракторов сердечнососудистой системы организма учащихся Югры в многомерном фазовом пространстве состояний.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Обосновать, разработать и внедрить метод моделирования параметров сердечнососудистой системы (ССС), включая вариабельность сердечного ритма (ВСР), в многомерном фазовом пространстве состояний в практику биофизического и физиологического мониторинга учащихся Ханты-Мансийского автономного округа – Югры.

2. Выполнить расчет моделей в фазовом пространстве состояний возрастных особенностей параметров, отражающих ВСР и механизмы его регуляции у учащихся Югры.

3. Выявить различия в параметрах квазиаттракторов поведения вектора состояния организма в возрастном аспекте у учащихся разных типов школ г. Сургута.

4. С помощью новых методов системного синтеза провести комплексную оценку нейровегетативного статуса учащихся разных типов школ г. Сургута в разные сезоны года.

Научная новизна работы:

4. 1. Впервые установлена возможность применения метода моделирования в многомерных фазовых пространствах состояний параметров ВСР для изучения возрастно-половых особенностей учащихся средних школ.

   2. Установлены различия в параметрах квазиаттракторов, моделирующих особенности кардиоритма и специфику механизмов его вегетативной регуляции, у детей и подростков Югры (на примере г. Сургута), обучающихся в средних учебных заведениях профильного и непрофильного типов.

   3. Выявлены сезонные особенности ВСР и степени напряженности регуляторных механизмов организма учащихся с последующим их описанием в терминах квазиаттракторов поведения вектора состояния организма (ВСО).

   Теоретическая и практическая значимость работы:

   1. Разработанные оригинальные биофизические методы идентификации параметров вариабельности сердечного ритма могут быть использованы в скрининговых исследованиях детей и подростков, направленных на оценку адаптационных возможностей учащихся разного пола, возраста и подвергающихся различным информационным и эмоциональным нагрузкам.

   2. Новые синергетические подходы и методы дают объективную оценку состояния ССС и регуляторных систем организма и могут быть использованы для диагностики и прогнозирования возможных отклонений в их функционировании у школьников при экстремальных условиях, например при учебных перегрузках или резких изменениях метеорологических параметров среды.

   3. Системный синтез полученных результатов позволяет оценить динамику вегетативного системокомплекса как на уровне больших выборок, так и индивидуально для каждого учащегося.

   4. Использование экспресс–методов оценки вегетативной регуляции функций учащихся обеспечивает быструю диагностику уровня напряженности в ходе учебного процесса у больших групп испытуемых.

   Основные положения, выносимые на защиту:

   1. Использование новых синергетических методов и компьютерных программ для анализа хаотической динамики поведения вектора состояния организма человека обеспечивает количественную регистрацию его движения в m-мерном фазовом пространстве состояний.

   2. Применение новых биофизических методов в рамках теории хаоса и синергетики с использованием компьютерных программ позволяет идентифицировать сезонные изменения параметров ВСР и вегетативного статуса учащихся в многомерном фазовом пространстве состояний.

   3. Расчет расстояний между центрами хаотических и стохастических квазиаттракторов обеспечивает системное понимание динамики изменений параметров ВСР и представление об оптимальной нагрузке учащихся на севере РФ в зависимости от возрастного звена.

   4. Метод расчета расстояний между хаотическими центрами квазиаттракторов параметров вариабельности сердечного ритма обеспечивает выявление существенных различий в степени выраженности хаотичности поведения вектора состояния организма учащихся в сравнении со стохастическим распределением этих параметров.

   Декларация личного участия автора. Автор принимала личное участие в регистрации параметров функциональных систем организма учащихся школ Югры. Автором самостоятельно проведены комплексная оценка ВСР, состояния регуляторных систем организма и анализ параметров вегетативного системокомплекса (по уровню активности отделов вегетативной нервной системы) у детей и подростков, проживающих в дискомфортных климато-экологических условиях Среднего Приобья. С непосредственным участием автора построены математические модели, характеризующие разнородность ответных реакций вегетативной нервной системы у детей г. Сургута обучающихся в школах разного типа.

   Апробация работы. Материалы диссертации доложены на: I-м международном съезде физиологов СНГ (Дагомыс, 2005), Региональной конференции молодых ученых «Наука и инновация XXI века» (Сургут, 2007); Международном междисциплинарном симпозиуме «От экспериментальной биологии к превентивной и интегративной медицине» (Судак, 2007); Всероссийской научной конференции «Современные аспекты клинической физиологии в медицине» (Самара, 2008); XV-й международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2009); XI-й международной конференции «Современные технологии восстановительной медицины. Профессиональное долголетие и качество жизни» (Сочи, 2010); IX-й международной научно-практической конференции (Пенза, 2010); международной конференции «Физиологические механизмы адаптации человека» (Тюмень, 2010).

   Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе одно свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ, 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для соискателей ученой степени кандидата биологических наук, и 9 статей в различных научных журналах и материалах отечественных и международных конференций.

   Структура и объём диссертации. Диссертационная работа представлена на 137 страницах машинописного текста. Она оформлена в классическом стиле и состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, главы, содержащей результаты собственных наблюдений, заключения, выводов, списка литературы. Работа содержит 28 рисунков и 20 таблиц. Список используемой литературы включает 153 источника, в том числе 42 на иностранном языке.

   Применение традиционных детерминистско-стохастических методов для обработки параметров ВСР человека, а также анализ спектральных частот мощности сердца, позволяет оценить дисперсию параметров, достоверность полученных результатов и осуществить определенный прогноз. Однако, в настоящее время в мире наблюдается изменение центральной парадигмы естествознания путем перехода от детерминистско-стохастического подхода в изучении различных природных, биологических и социальных процессов к методам теории хаоса и синергетики (ТХС). При этом затрагивается не только естествознание (физика, химия, биология и медицина), на базе которых сформировалась ТХС как научное направление но и различные социальные, экономические сферы деятельности. Центральным звеном этого подхода является разработка новых методов идентификации параметров порядка, т.е. наиболее важных диагностических признаков, и русел-уравнений, законов, по которым развивается динамика исследуемых биологические динамические системы (БДС). Состояния, в которых находятся все БДС имеют стохастическо-хаотическую динамику (например, изменения параметров внутренней среды организма в границах некоторых интервалов), которая подчиняется внешним влияниям (физическим, химическим и др.), также имеющим хаотическую структуру и являющимся возмущающими факторами для регуляторных систем организма.

   В рамках детерминистско-стохастических и новых синергетических подходов и методов в нашей работе использованы результаты мониторингового обследования состояния сердечнососудистой системы (ССС) детей по параметрам ВСР с учетом пола, возраста и сезонов года у учащихся с 1-го по 11-е классы школ двух типов: профильной (МОУ гимназия № 4) и непрофильной (МОУ СОШ № 4) г. Сургута. Всего обследовано 2038 учащихся (мальчиков и девочек). Первичные данные исходно обрабатывались общепринятыми математическими методами с использованием редактора электронных таблиц “МS Excel”. Достоверность различий средних величин оценивали по методу Фишера-Стьюдента, а также вычисляли коэффициенты корреляции элементов матриц (r) по Спирмену. При этом достоверными считались различия с уровнем значимости p<0,05, 0,01 и 0,001.

   Информацию о состоянии параметров ВСР учащихся получали на базе приборно-программного обеспечения «Элокс-001». Состояние механизмов регуляции ССС оценивалось по оригинальным показателям в рамках новых методик, разработанных Самарской и Сургутской научными школами (Калакутский Л.И., Еськов В.М., 2006). Спектральный анализ колебательной структуры ВСР производился с помощью фотооптических датчиков и специализированного программного вычислительного комплекса на базе ЭВМ. Обработка массивов кардиоинтервалов производилась непараметрическим методом вычисления спектральной плотности мощности (СПМ) ВСР (метод Уэлча), с использованием процедуры быстрого преобразования Фурье. При этом рассчитывался и усреднялся набор спектров в получаемых на последовательно смешанных во времени коротких сегментах исходной последовательности ВСР. В автоматическом режиме рассчитывались СПМ для трех стандартных интервалов частот (0-0,04 Гц), (0,04-0,15 Гц), (0,15-0,5 Гц), показатели активности симпатического (СИМ, у.е.) и парасимпатического (ПАР, у.е.) отделов вегетативной нервной системы, индекс напряжения по Баевскому (ИНБ, у.е.), а кроме того. по соотношению спектральных характеристик двух полос поглощения (для гемоглобина и оксигемоглобина) определялся показатель уровня насыщения гемоглобина кислородом (SPO₂, %).

   Расчет параметров квазиаттракторов поведения вектора состояния организма учащихся в различных условиях внешней среды проводили с помощью созданной программы, обеспечивающей идентификацию параметров квазиаттракторов поведения вектора состояния биосистем в m-мерном фазовом пространстве, предназначенной для исследования систем с хаотической организацией. Производили расчет координат граней, их длины () и объема m-мерного параллелепипеда (), ограничивающего квазиаттрактор, внутри которого двигался (варьировал) вектор состояния исследуемой системы, а также расстояния между хаотическими центрами и показателя асимметрии хаотических центров. Это давало возможность проследить изменение фазовых характеристик во времени и выяснить скорость изменения состояний системы.

   Метод расчета матриц межаттракторных расстояний в фазовом пространстве состояний (разработан в НИИ Биофизики и нейрокибернетики при СурГУ ХМАО – Югры, проф. В.М.Еськов) заключается в том, что анализ параметров функций (в нашем случае ВСР) проводят в отношении нескольких групп испытуемых, находящихся в приблизительно одинаковых условиях, регистрируя параметры некоторых функций организма каждого человека или группы. Эти параметры образуют наборы (компартменты) диагностических признаков в пределах одной фазовой координаты x_i – из набора всех координат m-мерного фазового пространства с одинаковыми диагностическими характеристиками_. При этом каждый человек со своим набором признаков (компоненты вектора состояния организма данного человека – ВСОЧ) задается точкой в фазовом пространстве состояний (ФПС) так, что группа испытуемых образует некоторый объем , называемый нами квазиаттрактором. При этом разные группы испытуемых образуют разные квазиаттракторы в ФПС и расстояния – (здесь: и – номера групп обследуемых) между хаотическими или стохастическими центрами этих квазиаттракторов формируют матрицу . Эта матрица задает все возможные расстояния между хаотическими или стохастическими центрами квазиаттракторов, описывающих состояние разных групп обследуемых. Полученные расстояния между центрами -го и-го хаотического (или стохастического) квазиаттракторов количественно представляют степень близости (или, наоборот, удаленности) этих 2-х сравниваемых квазиаттракторов в ФПС, что является количественной и качественной мерой оценки функционального состояния человека, находящегося, например, в каких-либо экологических условиях или относящегося к определенной возрастной (либо другой) группе.

   Похожие диссертации на Математическое моделирование возрастных особенностей параметров состояния функциональных систем организма учащихся Югры

   Превращения динитрозильных комплексов железа в организме и их действие на сердечно-сосудистую системуТимошин, Александр Анатольевич

   Моделирование динамики движения вектора состояния организма человека в условиях импульсной гипергравитационной физической нагрузкиКоролёв Василий Викторович

   

   Математическое моделирование трансмуральных особенностей электрической и механической функции миокарда желудочкаВасильева Анастасия Дмитриевна

   Молекулярное моделирование и структурно-динамические особенности эукариотических катионных каналовПопинако, Анна Владимировна

   Параметры хаотической динамики тремора в фазовом пространстве состояний у тренированных и нетренированных девушекБаженова, Анастасия Егоровна

   

   Математическое моделирование динамики апоптоза, индуцированного гранзимом В, и исследование устойчивости фонового состояния системы апоптозаСинцов Александр Владимирович

   

   Экспериментально-параметрические оптические методы определения состояний водных биологических дисперсных системВласова, Ольга Леонардовна

   

   Состояние Na+-Ca2+ обменной системы изолированного сердца крысы при его повреждениях и воздействии некоторых лекарственных веществМаслов, Олег Владимирович

   Хаотическая динамика поведения сложных биомеханических систем в многомерных фазовых пространствах состояний на примере постурального тремораБалтикова, Анастасия Александровна

   Методы построения и реализации систем отбора событий по характерным параметрам пар частиц в конечном состоянии в экспериментах в ГэВ-ной области энергийКуликов Анатолий Владимирович