Исследование роли синхронизации в формировании временной структуры физиологического процесса Путилов Аркадий Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. СИНХРОНИЗАЦИЯ КАК СРЕДСТВО ВРЕМЕННОЙ САМООРГАНИЗАЦИИ

1.1. Теория .динамических систем и синергетика 32

1.2. "Теории организации" 33

Глава 2. ПОНЯТИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

2.1. Компоненты временной структуры биологической системы 36

2.2. Формализация понятия биологической синхронизации 39

Глава 3. ОБЩИЕ ФОРМЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

3.1. Краткий обзор общих форм биологической синхронизации 45

3.2. Пример кратнопериодической синхронизации 55

МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

Общая задача 61

Анализ временной структуры биологического процесса (гл. 4) 63

Выявление дис- и квазисинхронизации (гл. 5) 65

Выявление и аппроксимация экссинхронизации (гл. 6) 67

Глава 4. АНАЛИЗ ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

4.1. Выявление кратнопериодической синхронизации 73

4.2. Оценка упорядоченности и организованности процесса 74

Глава 5. ВЫЯВЛЕНИЕ ДИС- И КВАЗИСИНХРОНИЗАЦИИ

5.1. Выявление диссинхронизации 76

5.2. Выявление квазисинхронизации 77

Глава 6. ВЫЯВЛЕНИЕ И АППРОКСИМАЦИЯ ЭКССИНХРОНИЗАЦИИ

6.1. Выявление экссинхронизации 79

6.2. Аппроксимация экссинхронизации 80

ЭМПИРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

Общая задача 86

Временная структура двигательной активности позвоночных (гл. 7) 88

Диссинхронизация физиологических колебаний у человека (гл. 8) 90

Экссинхронизация физиологических колебаний у человека (гл. 9) 92

Глава 7. ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ПОЗВОНОЧНЫХ

7.1. Материал и методики 95

7.2. Результаты и обсуждение 98

Глава 8. ДИССИНХРОНИЗАЦИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ У ЧЕЛОВЕКА

8.1. Материал и методики ИЗ

8.2. Результаты и обсуждение 114

Глава 9. ЭКССИНХРОНИЗАЦИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ У ЧЕЛОВЕКА

9.1. Материал и методики 124

9.2. Результаты и обсуждение 126

ОБЩЕЕ ОБСУЖДЕНИЕ 139

ВЫВОДЫ 145

БЛАГОДАРНОСТИ 147

ЛИТЕРАТУРА 148

• Теория .динамических систем и синергетика
• Компоненты временной структуры биологической системы
• Краткий обзор общих форм биологической синхронизации
• Выявление кратнопериодической синхронизации
• Выявление диссинхронизации

Введение к работе

Актуальность темы. Ключевой проблемой биологии является познание механизмов организации и самоорганизации живых систем (Берталанфи, 1969; Анохин, 1971; Хакен, 1980). Временной аспект этой проблемы изучает биоритмология (Халберг, 1964; Романов, 1980). Было отмечено, что важнейшей чертой физиологической организации является система связей, главная функция которой не возбуждение и поддержание колебаний, а их согласование по частоте и фазе (Питтендрай, 1964).

Такое согласование достижимо во многом благодаря замечательной особенности колебательных процессов - тенденции к синхронизации (резонансу³⁵). Она определяет возможность пространственно-временной самоорганизации крайне разнообразных типов систем, в том числе систем живой природы (Гудвин, 1966, 1979; Блехман, 1971; Романовский и др., 1971, 1984; Винер, 1983).

Трудно указать такую область современной науки о жизни, которая не имела бы дела с резонансными явлениями. Однако они в большинстве своем остаются вне поля зрения биоритмологии из-за недостатка средств унификации, формализации и обобщения словесных описаний и моделей. Прогрессу исследований по проблеме временной организации живых систем могли бы способствовать теоретически обоснованные статистические методы анализа различных форм синхроноза и десинхроноза.

Особо следует отметить необходимость разработки общих подходов к изучению интегральной природы физиологических колеба-

Термины синхронизация и резонанс используются в работе как синонимы. ний. Как правило, несложно обнаружить согласование между синхронизатором (задатчиком времени) и наблюдаемым биоритмом, или между несколькими такими биоритмами. Но каждый из них обычно является результатом согласования ряда более элементарных колебаний. Изучение этой формы синхронизации затруднено тем, что физиологические процессы в большинстве своем сло-жноорганизованы и трудночленимы. Достоверное описание их внутренней временной структуры с помощью известных в биоритмологии алгоритмов нередко оказывается невозможным.

Цель исследования - разработка общего подхода к анализу физиологических колебаний, основанного на концепции биологической синхронизации. Главными задачами являются: I) создание метода количественной оценки степени совершенства временной структуры физиологического процесса; 2) разработка новых алгоритмов биоритмологии и 3) их применение для изучения трудноразличимых форм синхронизации и десинхронизации физиологических функций человека и животных.

Научная новизна и теоретическая значимость работы. Показано, что наряду с исследованием наблюдаемых физиологических колебаний как таковых возможен более глубокий анализ резонансных явлений, лежащих в их основе. Сформулированы проблемы концепции биологической синхронизации и предложены пути их решения. Уточнен ряд хронобиологических понятий: биоритма и биорезонанса, хроноструктурной упорядоченности и организованности, временной структуры в узком и широком смысле. Даны формальные определения биологических колебаний и биологической синхронизации. Выделены общие формы последней, в том числе недостаточно изученные. Продемонстрирована возможность получения с помощью аппарата прикладной статистики достоверной информации о "скрытых" формах синхроноза и десинхроноза. Разработана процедура количественной оценки упорядоченности и организованности биологического процесса. Создана модель дез-и реинтеграции такого процесса. Предложены новые алгоритмы -"статистики резонанса". Апробирован ряд хронофизиологических показателей и параметров, методик сбора, унификации, первичной обработки и аппроксимации биоритмологических данных. Показано, что разработка проблем биологической синхронизации способствует постановке новых и модификации старых задач и методов исследования функциональной организации человека и животных. Выявлены филогенетические различия в степени упорядоченности и организованности временной структуры двигательной активности позвоночных. На ряде примеров статистически обоснована гипотеза о том, что суточный "профиль" физиологической переменной определяется не только 24-часовым ритмом, но и досуточными ритмами с периодами, кратными 24 ч. Обнаружена связь между степенью рассогласования средне- и высокочастотных биоритмов человека. Определены особенности десинх-ронозов, обусловленных сезонной изменчивостью временной среды и перелетом через менее чем 4 часовых пояса.

Практическая значимость работы. Предложенный подход к определению и анализу общих форм биологической синхронизации расширяет возможности изучения резонансных режимов, характеризующих те или иные функциональные состояния организма. Новые методы описания временной структуры процессов живой природы могут способствовать решению самых разнообразных прикладных проблем хронофизиологии и хронопатологии. В ряде случаев разработанные алгоритмы дают возможность уменьшить объем репрезентативной выборки или ускорить обработку материала.

Предложен количественный критерий биоритмологической информативности физиологического показателя, регистрируемого различными способами. Результаты исследования использованы при разработке методов оценки и прогноза хронофизиологической адаптации.

Апробация работы. Материалы исследования были доложены и обсуждены на I и 2 Всесоюзных симпозиумах по проблемам оценки и прогнозирования функциональных состояний организма в прикладной физиологии (Фрунзе, 1980 и 1984); на областной конференции молодых ученых-медиков и специалистов практического здравоохранения Сйомень, 1981); на Всесоюзной конференции по хронобиологии и хронопатологии (Москва, 1981); на совместном пленуме проблемных комиссий "Адаптация человека" и "Медицинская курортология" (Новосибирск, 1982); на I Всесоюзной школе по проблеме "Физиологическая кибернетика" (Москва, 1982); на 3 Всесоюзной конференции по поведению животных (Москва, 1984) и на выездном пленуме Центрального совета Всесоюзного физиологического общества им. И.П.Павлова (Томск, 1984).

По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе "Рекомендации по прогнозированию и профилактике десинхроно-зов". Получены свидетельства на 10 рационализаторских предложений.

На защиту выносится следующее положение. Статистические методы, учитывающие резонансную природу физиологического процесса, позволяют оценивать степень совершенства его временной структуры и обнаруживать "скрытые" формы синхронизации и де-синхронизации биоритмов.

Объем и структура работы. Результаты исследования изложены на 168 страницах машинописного текста. Иллюстративный матери- ал представлен 10 таблицами и 10 рисунками (на 23 страницах). Список литературы (21 страница) включает 104 отечественных и зарубежных источников, в том числе 46 на иностранных языках. Работа состоит из введения, трех частей по три главы каждая, общего обсуждения и выводов. В первой (теоретической) части изложен понятийно-концептуальный аппарат исследования. второй (методической) части - математический аппарат. Третья (эмпирическая) часть содержит анализ фактического материала.

Теория .динамических систем и синергетика

Несмотря на простоту объектов, исследуемых теорией динамических систем, в них наблюдаются такие разнообразные явления как автоколебания и стохастические колебания, установившиеся и неустановившиеся режимы, резонансы первого и более высоких порядков, стохастическая синхронизация и детерминированный хаос. Причем автоколебания и синхронизмы являются наиболее ярким проявлением устойчивости динамических систем (Неймарк, 1978).

Неразрывная связь автоколебаний с синхронизацией легко обнаруживается на примере хорошо известной двумерной модели "хищник-жертва", т.е. системы из двух дифференциальных уравнений. Периодические решения (предельные циклы А.Пуанкаре) означают, по сути дела, согласование динамики численности двух видов.

Поразительный факт высокой устойчивости синхронизированных (резонансных) состояний и их широкое распространение стимулировали создание общей теории синхронизации динамических систем (Блехман, 1971).

Универсальна лишь тенденция к синхронизации, тогда как при наличии сильных десинхронизирующих факторов она может и не установиться (Блехман, 1981). Широкое распространение резонан-сов, по-видимому, отражает общую закономерность: при синхронизации энергетические характеристики систем достигают своих экстремальных значений, силы действуют эффективнее и удерживают объекты в устойчивом режиме (Белецкий, 1981). Таким образом, резонансам принадлежит особая роль в обеспечении оптимального функционирования динамической системы.

Необходимо учитывать, что биологические объекты являются стохастическими системами, далекими от термодинамического равновесия. Теория диссипативных структур (Гленсдорф, Пригожий, 1973) и синергетика (Хакен, 1980) позволяют обосновать ряд важнейших биорезонансных закономерностей, трудноуловимых при рассмотрении простых объектов в рамках детерминистической теории.

В сложных диссипативных структурах автоколебания и резонанси намного более вероятны и разнообразны. Синхронизация обеспечивает возможность регуляции скорости возрастания энтропии; наличие множества метастабильных резонансных режимов служит препятствием к быстрому достижению системой термодинамического равновесия. Флуктуации, вызывающие неустойчивость внутренней и внешней среды, не препятствуют, а, наоборот, нередко способствуют упорядочению динамического поведения многокомпонентного объекта за счет временной самоорганизации отдельных элементов (Гленсдорф, Пригожий, 1973; Хакен, I960).

Компоненты временной структуры биологической системы

В постановке задачи было указано, что обычно при определении системы (например, колебательной системы) выделяется множество (колебания) и лишь после этого выявляются отношения (в т.ч. резонансные). Можно, однако, воспользоваться другим подходом, предложенным автором параметрического варианта общей теории систем А.Й.Уемовым (1973): от свойства к отношению, обладающему этим свойством, а затем - к объектам, на которых это отношение может быть интерпретировано.

Применительно к данному случаю, отправной точкой всех рассуждений должно стать теоретически и эмпирически обоснованное положение о том, что на любом уровне биологической организации синхронизация оказывается универсальным системообразующим отношением (фактором). Иными словами, очень многие множества вряд ли можно было рассматривать как системы, если бы их элементы-колебания не демонстрировали резонансных свойств. Именно тенденция к синхронизации определяет возможность увидеть в колебательном биообъекте систему. Она является интегратив-ным (целостным, эмерджентным) свойством, т.е. свойством, не наблюдаемым при разобщенном рассмотрении элементов-колебаний.

В то же время биологическая синхронизация обнаруживает сложный, недетерминированный (вероятностный) характер. Живые существа, в отличие от более простых колебательных систем неодушевленной природы, не могут быть четко представлены как синхронизированные либо рассинхронизированные. Невозможно полное согласование динамики всех их многочисленных подсистем и элементов. Внешние и внутренние флуктуации постоянно нарушают стабильность биологических резонансов. Изменения функционального состояния сопровождаются переходом от одних режимов синхронизации к другим, т.е. приводят к временной десинхрони-зации. С учетом этих обстоятельств, не позволяющих абсолютизировать резонансные тенденции, биологические системы можно определить как относительно синхронизированные. Такое определение подчеркивает один из наиболее фундаментальных признаков живых существ - наличие организации. Оно оказывается более глубоким по сравнению с простой констатацией колебательной природы биологических процессов и объектов, указывает на их резонансное происхождение.

Каково же соотношение между принципами ритмичности и синхронности? Вряд ли можно сомневаться в том, что практически любые доступные наблюдению биологические процессы являются интегральными, т.е. возникают в результате согласования многих более элементарных событий. Индивидуальность ритма отрицается его синхронизацией с другими ритмами данного хроност-руктурного уровня живой системы, но организующийся таким образом коллективный процесс, как правило, есть не что иное, как индивидуальный ритм вышележащего уровня. Таким образом, можно говорить о диалектическом единстве принципов биологической ритмичности и синхронности, о возможности "снятия" одного другим.

Краткий обзор общих форм биологической синхронизации

Исходя из свойств динамичности, нелинейности и гетерархич-ности живых объектов можно определить основные особенности их временной организации. Если динамическая система инерционна, то смена одних синхронизированных состояний другими не может происходить мгновенно и должны наблюдаться переходные процессы и состояния. Иначе говоря, тенденция к синхронизации не исключает временного нарушения резонансных соотношений. Эти соотношения не обязательно обозначают равенство частот. Если система существенно нелинейна должно выполняться менее жесткое требование соизмеримости частот (Мандельштам, Папалекси, 1931). Функциональная иерархия определяет многоуровневый характер биорезонанса. Термин гетерархия подчеркивает, что живым системам свойственна не обычная субординация со строго фиксированными доминантными связями, а динамическая регуляция частично автономных колебательных процессов (Либерал, Мак-Кал-лок, 1970; Гудвин, 1979). Значит не исключена возможность практически полного и постоянного нарушения резонансных взаимодействий между отдельными элементами и подсистемами, локального преобладания тенденций, противоположных синхронизации.

Классификационные параметры, необходимые для выделения общих форм биологической синхронизации, должны отвечать ряду требований. Первое из них - универсальность. Иначе эти параметры невозможно использовать как признаки любых типов взаимодействий между любыми типами колебаний. Кроме того, они должны быть логически замкнутыми и некоррелирующими. Это дает возможность путем их комбинации, а также фиксации частотного диапазона, хроноструктурного уровня и понятия нормы получать множество более конкретных форм. Наконец, они должны быть по возможности легко наблюдаемыми, т.е. выбор классификационных параметров не в последнюю очередь определяется возможностью сопоставления дефиниции с заведомо неполными эмпирическими данными. Например, можно было бы говорить о прямой, опосредованной и косвенной синхронизации. При первой осцилляторы взаимодействуют непосредственно (автосинхронизация), вторая предполагает наличие промежуточных осцилляторов близкого типа (эндосинхронизация), при третьей ведомые осцилляторы никак друг на друга не влияют, но связаны с одним и тем же ведущим осциллятором (экзосинхронизация). Однако такие тонкости нужно выяснять специально, и работ, проливающих свет на данный вопрос, крайне мало (о физиологических колебаниях, регистрируемых в циркадианном диапазоне, см.: Ашофф, Вивер, 1984). В связи с этим ниже идет речь о признаках, которые можно установить не только в эксперименте, но и по данным дескриптивных и натурных исследований.

Выявление кратнопериодической синхронизации

Согласно определению белого шума, его F-функция должна быть равномерной с FT = { при любой длине пробного отрезка. Если помимо шума имеется пусть даже слабо выраженный низкочастотный тренд, то Fr { . Это - модель реального биологического процесса, несодержащего периодичностей. При наличии периодичности F -функция должна быть существенно неоднородной. Она достигает пика ( FT і ) когда длина пробного отрезка рав на периоду биоритма либо в целое число раз превышает его. Причем, чем меньше изменчивость параметров колебаний и больше их размах, тем выше пики. Таким образом, последовательно сокращая длину пробного отрезка можно получить своего рода спектр с основными и эквидистантными дополнительными пиками. Последние, однако, располагаются в области низких, а не высоких частот как в истинном спектре. Это обстоятельство позволяет легко удалять дополнительные пики, привносимые спектральным либо дисперсионным анализом, так как они некогерентны. В то же время пики, соответствующие реальным кратнопериодичес-ким колебаниям сохраняются, поскольку их достоверность подтверждают обе процедуры. Помимо этого, в результирующем спектре, пропущенном через такое "двойное сито", учитывается регулярность основных колебаний и уточняется их период.

Выявление диссинхронизации

Ошибка исследователей, применяющих t -критерий для обоснования гипотезы об отличии суточной кривой от прямой линии, параллельной оси времени, заключается в следующем. На основании не априорной, а апостериорной информации из ряда средних значений ("мгновенных" средних) выбираются два экстремальных

Различия между ними считаются достоверными и удовлетворяющими заданному одностороннему уровню значимости d , если квантиль распределения Стьюдента.

Однако привлечение метода парного сравнения для выявления ритма по множеству из Т средних значений показателя является некорректным. Для этого необходимо использовать методы множественного сравнения, например, метод Тьюки: процентная точка распределения стыодентизи-рованного размаха с Т и К - і числом степеней свободы.

Сказанное справедливо также при сравнении кривых на предмет их различия по какой-либо (заранее не заданной) паре средних значений. С учетом сделанных замечаний метод статистического оценивания может применяться для выявления по-разному синхронизированных колебаний (гл. 8).