Введение к работе
Актуальность темы. Изучение функциональных систем организма (ФСО и особенно кардио-респираторной системы - КРС) человека и принципов их динамической регуляции должно производиться с учетом состояния психических функций. Такой подход является содержательным направлением развития биофизики сложных систем, в частности, биофизики анализаторов и регуляции КРС. В физиологии, в психофизиологии использование биофизических методов и математического моделирования в изучении функциональных особенностей организма человека, позволяет формализовать описание биосистем. Все это лежит в основе развития новых научных подходов в оценке состояния организма человека (А.А. Хадарцев, Н.А. Фудин, В.М. Еськов,1998-2011) и используется при разработке новых методов в биофизике сложных систем. К последним несомненно, относится и метод многомерных фазовых пространств в изучении сложных систем (complexity).
В рамках подобных исследований становится возможным изучать и анализировать состояние общего гомеостаза индивида, находящегося в различных экологических условиях. Работами П.К. Анохина и его учеников (К. В. Судаков, Н.А. Фудин, В.Г. Зилов 1969–2010) представлены научные обоснования механизмов и элементов целостной деятельности организма человека путем интеграции частных физиологических и психофизиологических механизмов в единую функциональную систему, что обеспечивает гомеостаз в норме или направленные адаптационные процессы при резких изменениях условий среды. Моделирование подобных процессов является прерогативой биофизики сложных систем, так как речь идет о многокомпонентных векторах состояний ФСО описывающих их, в том числе и психофизиологических функций человека.
В контексте биофизического анализа сложных систем с позиций теории ФСО и математического моделирования становится возможным интегрирование взаимодействующих частных регуляторных механизмов, которое направленно на достижение полезного результата деятельности ФСО при различных адаптационных реакциях (особенно в условиях изменяющихся экологических факторов среды). При этом, биофизическая трактовка в рамках компартментно-кластерного подхода (ККП) и компартментно-кластерной теории биосистем (ККТБ) динамики поведения ФСО человека, биофизических и психофизиологических параметров человека в фазовом пространстве состояний позволяет описывать и норму и отклонения от нормы (патологические состояния), возникающие в организме человека при неблагоприятных условиях проживания.
Впервые данный подход был разработан в рамках теории фазовых пространств и теории хаоса группой специалистов в области биофизики сложных систем применительно к биомедицинским системам (В.М. Еськов, А.А. Хадарцев, Н.А. Фудин, 1994–2011). Теория хаоса и самоорганизации (ТХС) позволяет описывать механизмы управления психофизиологическими параметрами человека с учетом природно-климатической характеристики окружающей среды (Еськов В.М., Карпин В.А., Филатова О.Е., 2003-2012). При этом механизм влияния среды обитания на параметры психофизиологических функций учащихся, а так же механизм скоординированных изменений таких показателей в условиях действия экофакторов Севера и Юга РФ являются весьма важным элементом в биофизики сложных систем при изучении гомеостатических систем. Использование ККП и ККТБ для описания и прогнозирования состояния психофизиологических параметров учащихся открывает новые возможности в познании сложных механизмов психофизиологических функций человека (В.М Еськов, 1994-2013, М.А. Филатов 2003-2013).
Отметим, что ККП дает возможность описания динамики поведения параметров психофизиологических функций человека и гомеостаза в целом в условиях управления со стороны некоторого центрального регулятора, обозначаемого нами как фазатон мозга (ФМ). Это было впервые представлено в работах биофизиков и биокибернетиков на рубеже XX и XXI веков (В.В. Скупченко, В.М. Еськов, 1985-2011 г.) и нашло дальнейшее развитие в многочисленных трудах отечественных и зарубежных специалистов в области синергетики и биофизики сложных систем (Г.Р. Иваницкий, Е.Е. Фесенко, А.Б. Рубин, Д.С. Чернавский, 1992-2012).
Изучение роли ФМ в регуляции психофизиологических функций человека, проживающего в условиях Югры, является весьма важной проблемой теоретической биофизики. Это направление связано в первую очередь с теоретическим пониманием различий и одновременно общности в изучении сложных функций организма человека (complexity). Само познание человека как complexity наталкивается на ряд математических трудностей именно из-за нелинейного взаимодействия многих сложных систем образующих организм (на что еще в 40-х годах указывал W.Weaver). Исследование этой сложности должно производится как в рамках детерминистского подхода (моделей), стохастического (изучая параметры функций распределения), так и теории хаоса и самоорганизации, анализируя динамику параметров квазиаттракторов (КА) вектора состояния организма (ВСО).
Целью настоящей работы является методом расчета матриц межаттракторных расстояний оценить влияние экологических факторов среды на параметры психофизиологических функций учащихся школ Ханты-Мансийского автономного округа - Югры.
Данная цель определила постановку и решение следующих задач:
-
С использованием многомерных фазовых пространств создать и внедрить математические модели и программные продукты, обеспечивающие мониторинг психофизиологических функций учащихся школ Югры и сравнить эти результаты с традиционным стохастическим подходом и детерминистским подходом.
-
На основе изучения особенностей изменения параметров (КА) поведения векторов состояния психофизиологических функций различных групп учащихся Югры в условиях широтных перемещений методом многомерных фазовых пространств выявить наиболее важные признаки (параметры порядка – ПП) при сравнении динамики изменения ППФ мальчиков и девочек. Сравнить эти методы с нейросетевыми методами.
-
Исследовать возможность использования матриц межаттракторных расстояний в оценке эффективности влияния оздоровительных мероприятий и изменения параметров окружающей среды при изучении состояния психофизиологических функций учащихся.
Научная новизна исследований:
-
Разработан, апробирован и внедрен в практику работы учебных заведений программный продукт, обеспечивающий регистрацию и анализ состояния ряда психофизиологических учащихся.
-
Построены математические модели динамики параметров квазиаттракторов психофизиологических функций с учетом половых различий в условиях широтных перемещений.
-
Показана эффективность использования матриц межаттрактных расстояний в оценке качества реабилитационных мероприятий на основе влияния широтных перемещений учащихся с севера на юг РФ и обратно.
Научно – практическая значимость:
-
-
Разработанные новые программные продукты для ЭВМ, математические модели, для изучения психофизиологических функций учащихся в рамках системного подхода, могут быть использованы в скрининговых исследованиях качества жизни и учебной деятельности учащихся в условиях проживания на севере РФ. Они обеспечивают получение объективной информации о динамике развития психофизиологических функций каждого ученика и об общей динамики работы всего учебного коллектива (т.е. о работе учеников и учителей).
-
Модели в фазовых пространственных состояниях и компьютерные программы для их получения позволяют идентифицировать основные параметры психофизиологических функций учащихся, находящихся в различных климатических условиях, что в свою очередь обеспечивает количественную и качественную оценку эффективности реабилитационных мероприятий и их влияние на основные функции организма.
-
Разработанные матричные методы оценки показателей психофизиологических функций позволяют внедрять их в практику работы органов управления образования для оценки степени утомления учащихся в ходе учебного процесса, выбирать оптимальную траекторию учебных нагрузок для учащихся по различным видам учебной деятельности и оптимизировать отдых учащихся в период каникул.
Внедрение результатов исследования. Разработанные способы и устройства прошли апробацию и внедрены в ряде ВУЗов и школ города Сургута и Самары. Результаты исследований используются при подготовке студентов в ГБОУ ВПО «Поволжской государственной социально-гуманитарной академии», МОУ гимназии №1 г. Самары, МОУ СОШ №4, 10 г. Сургута и ГБОУ ВПО «Сургутском государственном университете ХМАО-Югры», а также в лекционных курсах и практических занятиях по биофизике, экологии человека и медицинской кибернетики, о чем свидетельствуют акты о внедрении.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: VI-й и VIII-й международной научной конференции «Синергетика природных, технических и социально-экономических систем» (Тольятти, 2009, 2011); XI-й международной конференции «Современные технологии восстановительной медицины. Профессиональное долголетие и качество жизни» (2010); Всероссийской научной конференции «Современные проблемы биологических исследований в Западной Сибири и на сопредельных территориях» (Сургут, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 работа, в том числе: 1 глава в монографии, 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для соискания ученой степени кандидата биологических наук и 14 статей в различных научных журналах, материалах отечественных и международных конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 127 страницах машинописного текста и состоит из «Введения»; главы «Общая характеристика психофизиологического статуса учащихся в условиях влияния климатических параметров Югры»; представляющей обзор научных данных по рассматриваемой проблеме; главы «Объекты и методы исследования», представляющей объект исследования, общие традиционные и оригинальные авторские методы, применяемые в настоящей работе; главы «Результаты исследования и их теоретическое обсуждение», посвящена исследованию в рамках сравнительного анализа психофизиологических функций учащихся севера РФ (Югры), разработке новых методов изучаемых процессов с анализом результатов; «Выводов»; «Приложения». Работа содержит 20 рисунков и 25 таблиц. Библиографический указатель содержит 171 наименования работ, из которых 141 на русском языке и 30 на иностранном.
Похожие диссертации на Матрицы межаттакторных расстояний в оценке влияния природно-климатических факторов среды на состояние психофизиологических функций учащихся Югры
-
