Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физические методы в задаче управления функциональными процессами головного мозга: состояние проблемы и анализ путей решения 20
1.1. Функциональные системы организма. Особенности механизмов регуляции при управлении процессами головного мозга 20
1.2. Биотехнические системы в лечебном процессе 27
1.3. Функции головного мозга: классификация и выходные показатели функционального состояния 32
1.4. Применение электрического тока для коррекции функциональных состояний головного мозга 36
1.5. Требования к организации функциональных исследований головного мозга 50
1.6. Методы неинвазивной функциональной диагностики 55
1.7. Выводы 74
Глава 2. Обоснование метода управления функциональными процессами головного 76
2.1. Морфофункциональные особенности вегетативной нервной системы 76
2.2. Обзор материалов по исследованию последствий воздействия на ганглии вегетативной нервной системы 81
2.3. Исследование информационных характеристик функциональных изменений в организме при воздействии физическим полем на вегетативную нервную систему 86
2.4. Выводы
Глава 3. Электромагнитное излучение головного мозга как индикатор его функционального состояния 138
3.1. Физические особенности электромагнитного излучения биологических тканей 138
3.2. Электрические свойства биологических тканей 144
3.3. Радиояркостная температура слоистого объекта 151
3.4. Функциональная организация регуляторных процессов мозга 162
3.5. О взаимосвязи флуктуации электромагнитного излучения и динамики межклеточного транспорта жидкости в тканях мозга 170
3.6. Выводы 185
Глава 4. Разработка информационно-энергетических принципов управления функциональными процессами головного мозга 187
4.1. Информационные особенности открытых динамических систем 187
4.2. Минимизация информационных потерь в функциональных системах 191
4.3. Область определения информационного функционала 201
4.4. Разработка алгоритма и способов технической реализации управления функциональными процессами головного мозга 208
4.5. Формирование физического поля для управления активностью симпатической нервной системы 215
4.6. Техническая реализация поля электрических импульсов тока в аппаратах типа «СИМПАТОКОР» 219
4.7. Методика динамической коррекции активности симпатической нервной системы 225
4.8. Выводы 227
Глава 5. Развитие методов неинвазивного мониториинга функциональных изменений 229 головного мозга
5.1. Теория контактных СВЧ радиометрических измерений собственного электромагнитного излучения биологических 230
5.2. Новые подходы к технической реализации систем для мониторирования функциональных процессов головного мозга 240
5.3. Радиофизический комплекс для функциональных исследований головного мозга 249
5.4. Разработка программно-алгоритмического обеспечения для анализа биомедицинских сигналов радиофизического комплекса МРТРС 255
5.5. Выводы 296
Глава 6. Применение биотехнической системы в лечебном процессе 298
6.1. Медицинские испытания аппарата «СИМПАТОКОР-01» 299
6.2. Медицинские испытания радиофизического комплекса МРТРС 303
Заключение 306
Выводы 308
Список литературы 309
Приложение 341
- Функции головного мозга: классификация и выходные показатели функционального состояния
- Обзор материалов по исследованию последствий воздействия на ганглии вегетативной нервной системы
- О взаимосвязи флуктуации электромагнитного излучения и динамики межклеточного транспорта жидкости в тканях мозга
- Формирование физического поля для управления активностью симпатической нервной системы
Введение к работе
к.т.н., доцент Самородов А.В.
Актуальность проблемы
Несмотря на то, что в соответствии с Уставом (Конституцией) Всемирной организации здравоохранения здоровье относится к стратегическому потенциалу любой страны, в России в настоящее время сложилась крайне тревожная ситуация: в последнее время ежегодно умирают свыше двух миллионов человек, из которых 600 тысяч - люди до 60 лет. В структуре заболеваемости и смертности населения прогрессируют социально зависимые и профессионально обусловленные дефекты здоровья, в которых доминирующими являются сердечно-сосудистая и онкологическая патологии. Большая часть смертей от болезней системы кровообращения приходится на ишемическую болезнь сердца и сосудистые поражения мозга, основными причинами которых являются различные виды стресса и экологические загрязнения, приводящие к синдромам дезадаптации, а затем и к хроническим заболеваниям.
Адаптация к изменяющимся условиям достигается перестройкой функциональных систем организма в рамках определённого физиологического коридора и обеспечивается системой регуляторных механизмов. Если резервные возможности организма недостаточны для решения этих задач, происходит нарушение адаптационного механизма.
В соответствии с современной Концепцией развития здравоохранения и медицинской науки в Российской Федерации эта проблема должна решаться методами восстановительной медицины, которая, в первую очередь, адресована к лицам, имеющим функциональные нарушения, отличительной чертой которых является их обратимость.
Ключевое значение в регуляции функциональных процессов в организме человека принадлежит вегетативной нервной системе (ВНС), которая обеспечивает поддержание гомеостаза внутренней среды организма и различные формы психической и физической деятельности. Однако в современном здравоохранении методы коррекции нарушений ВНС не получили достаточного развития. Причиной этого является, с одной стороны, то, что вегетативная стигматизация, сопутствующая какому-либо патологическому процессу, часто воспринимается как обязательный его компонент, присущий и клинической симптоматике наблюдаемой болезни, и ее патогенезу, а с другой – отсутствие эффективных немедикаментозных систем коррекции функциональных нарушений и методов мониторирования этих процессов в реальном времени.
Сформулированная академиком Ю.В. Гуляевым и Э.Э. Годиком гипотеза о параметрической модуляции собственных физических полей человека биохимическими и биофизическими процессами организма, позволяет рассматривать это направление как перспективное для мониторинга функциональных изменений головного мозга. Однако до настоящего времени не создано доступных неинвазивных технических систем для исследования этих процессов. Для головного мозга – это, в первую очередь, метаболические и гуморальные процессы. Недостаточно изучено влияние на них изменений ВНС.
Указанные выше обстоятельства дают основания считать, что тематика исследований, представленная в диссертации, является актуальной для современного здравоохранения и медицинского приборостроения как в научном, так и прикладном аспектах.
Цель работы
Целью работы является разработка теоретической базы и развитие новых технических, методических и программно-алгоритмических подходов для создания приборов, систем и изделий медицинского назначения, обеспечивающих организацию вегетативной регуляции для адекватного управления функциональными процессами головного мозга.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Научно обосновать организацию биотехнической системы (БТС) для адекватного управления функциональными процессами головного мозга с помощью физического поля, при которой мишенью воздействия является вегетативная нервная система.
-
На основе современных технических решений разработать комплекс базовых технических систем и изделий медицинского назначения для аппаратно-программной реализации биотехнической системы.
-
Провести модельные и экспериментальные исследования информационных особенностей биомедицинских сигналов и изменений на организменном, органном, молекулярном и клеточном уровнях биологических объектов в задаче вегетативного управления функциональными процессами головного мозга с помощью поля электрических импульсов тока.
-
Получить алгоритмические и программные решения, обеспечивающие мониторирование изменений ВНС и функциональных процессов в тканях головного мозга в режиме реального времени.
-
Разработать методический материал для адекватного управления функциональными процессами головного мозга.
-
Провести верификационные экспериментальные и клинические исследования БТС.
Методы исследования
Поставленные задачи решались с использованием теории биотехнических систем, системного анализа, математического и физического моделирования, СВЧ радиометрии, методов анализа биомедицинских сигналов на основе теории случайных процессов и математической статистики, организации и планирования эксперимента.
Научная новизна работы заключается в разработке БТС нового типа.
Результаты, полученные впервые:
-
Принципы организации нового типа БТС, в котором для адекватного управления функциональными процессами головного мозга в качестве мишени воздействия физическим полем используют ВНС.
-
Теоретически обоснованный метод фазовой коррекции, формирующий необходимые условия для минимизации информационных потерь открытой динамической системы, а также структура оригинального алгоритма для реализации этого метода в задаче управления функциональными процессами головного мозга с помощью воздействия физическим полем в проекции шейных ганглиев симпатического отдела ВНС.
-
Теоретическое обоснование принципов организации, структуры и параметров низкочастотного вращающегося пространственно-распределенного поля электрических импульсов тока (ФВП), предназначенного для управления функциональными процессами головного мозга.
-
Базовые технические решения аппаратной реализации БТС для управления активностью симпатической нервной системы.
-
Гипотеза о природе флуктуаций собственного электромагнитного излучения глубинных структур головного мозга в диапазоне частот от 650 до 850 МГц: для этого диапазона излучения флуктуации преимущественно отражают динамику транспорта жидкости в межклеточных и внутриклеточных пространствах ткани мозга. Результаты верификационных исследований на пациентах-добровольцах, которые подтвердили справедливость этой гипотезы для заданных условий.
-
Получены новые результаты в теории контактной сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотермометрии, обеспечивающие при мониторировании функциональных изменений головного мозга инвариантность результатов измерения радиояркостной температуры головного мозга к различным дестабилизирующим факторам. В отличие от известной схемы K.M. Ludeke, которая корректирует влияние на результат измерения согласования антенны-аппликатора с телом, в предложенных решениях дестабилизирующими факторами являются еще и изменения потерь в антенне, кабеле, соединяющим ее со входом радиометрического приемника, и в СВЧ элементах схемы термобаланса входного тракта приемника. В этих решениях результат достигается или за счет параметрической компенсации, или с помощью формирования нескольких режимов авторегулирования, для реализации которых применяется перестройка структурной схемы термобаланса либо управление потерями управляемого аттенюатора, включенного в тракт схемы термобаланса.
-
Разработка радиофизического комплекса МРТРС, не имеющего аналогов в мире, которая обеспечивает мониторирование функциональных процессов головного мозга и анализ изменений ВНС.
-
Новый алгоритм базисного вейвлета (модифицированный вейвлет Morlet), который обеспечивает эффективное обнаружение локальных неоднородностей в биомедицинских сигналах при нестационарных состояниях организма, и программный комплекс «Вейвлет-анализ биомедицинских сигналов».
-
Алгоритм для формирования новых медицинских методик, использующих методологию динамической коррекции активности симпатической нервной системы (ДКАСНС) для лечения заболеваний, сопровождающихся функциональными нарушениями вегетативной нервной системы, метаболических и гуморальных механизмов головного мозга, сенсорных и поведенческой функций. Медицинские методики, реализующие этот алгоритм, и результаты их клинических испытаний.
Практическое значение работы:
-
Решена задача оптимизации открытых динамических систем по информационному критерию. Полученные решения, позволяющие уменьшить «информационный беспорядок», позволили сформулировать требования к структурно-информационной организации управления функциональными процессами головного мозга.
-
Сформулированы принципы структурных и технических решений формирования ФВП. Разработаны аппараты типа «СИМПАТОКОР», реализующие эти принципы.
-
Сформулированы принципы структурных и технических решений радиофизического комплекса для исследования изменений ВНС, метаболических и гуморальных процессов головного мозга в режиме реального времени, основными информационными каналами которого являются многоканальный СВЧ радиотермограф и анализатор вариабельности сердечного ритма (ВСР). Разработан радиофизический комплекс МРТРС, реализующий эти принципы.
-
Разработана и применяется в медицинской практике методика ДКАСНС, которая обеспечивает эффективное управление функциональными процессами головного мозга.
-
Разработана модель пространственного распределения радиояркостной температуры тканей головного мозга, которая позволяет выбирать диапазон электромагнитного излучения исходя из требований задачи исследования, а также основные тактико-технические характеристики многоканальных СВЧ радиотермографов.
-
Разработаны новые структурные и технические решения контактных СВЧ радиотермографов.
-
Сформулирована гипотеза о физиологической природе флуктуаций собственного электромагнитного излучения головного мозга в диапазоне частот от 650 до 850 МГц, которые преимущественно отражают медленные изменения объемов жидкости в межклеточных пространствах. Гипотеза используется для интерпретации результатов измерений электромагнитного излучения.
-
Разработан модифицированный базисный вейвлет Morlet и на его основе программный комплекс «Вейвлет-анализ биомедицинских сигналов», который обеспечивает обработку биомедицинских сигналов при нестационарных состояниях организма. Комплекс может применяться для решения других задач, в том числе в технических системах.
-
Опытная эксплуатация радиофизического комплекса МРТРС в условиях Центра организации специализированных видов медицинской помощи «Институт медицинских клеточных технологий», Свердловского областного клинического психоневрологического госпиталя для ветеранов войн и Республиканского клинического госпиталя ветеранов войн республики Марий Эл (г. Йошкар-Ола) показала, что комплекс можно рекомендовать для клинических испытаний.
-
Аппарат «СИМПАТОКОР-01» включен в государственный реестр медицинских изделий России (регистрационные удостоверения 29/03051097/1267–00 от 30.11.2000 и ФСР 2007 / 00757 от 28.09.2007).
-
На основе идей, предложенных автором, разработаны и применяются в клинической практике различные способы реализации алгоритма управления функциональными процессами головного мозга при лечении заболеваний, сопровождающихся функциональными нарушениями головного мозга и ВНС, таких как мигрень, вегето-сосудистая дистония, последствия закрытых черепно - мозговых травм и сотрясений мозга, синдромы гипергидроза и ортостатической гипотензии и постуральной тахикардии, вестибулопатический синдром, фармакорезистентная эпилепсия, состояние алкогольной и наркотической абстиненций, гипертоническая болезнь (в том числе стойкая артериальная гипертензия, резистентная к обычной терапии), восстановление слуховой и зрительной функций, поведенческих функций больных с когнитивными нарушениями головного мозга, а также при реабилитации после инсультов и для эффективной замены инвазивным блокадам.
Положения, выносимые на защиту:
-
Принципы организации нового класса БТС, в которой для адекватного управления функциональными процессами головного мозга в качестве мишени воздействия физическим полем используют ВНС.
-
Доказательная база организации управления функциональными процессами головного мозга с помощью воздействия ФВП в проекции шейных ганглиев симпатической нервной системы (СНС).
-
Метод динамической коррекции активности симпатической нервной системы (ДКАСНС) в задаче управления метаболическими и гуморальными процессами в тканях головного мозга, сенсорными и поведенческой функциями.
-
Новые технические решения аппаратной реализации БТС для управления активностью СНС.
-
Гипотеза о природе флуктуаций собственного электромагнитного излучения глубинных структур головного мозга в диапазоне частот от 650 до 850 МГц. Результаты верификационных исследований.
-
Новые результаты в теории контактной СВЧ радиотермометрии.
-
Принципы построения и техническая реализация радиофизического комплекса МРТРС.
-
Модифицированный вейвлет Morlet и программный комплекс «Вейвлет-анализ биомедицинских сигналов» в задаче обнаружения локальных неоднородностей в биомедицинских сигналах при нестационарных состояниях организма.
-
Алгоритм для формирования новых медицинских методик, использующих методологию динамической коррекции активности симпатической нервной системы при лечении заболеваний, сопровождающихся функциональными нарушениями вегетативной нервной системы, метаболических и гуморальных механизмов головного мозга, сенсорных и поведенческой функций. Медицинские методики, реализующие этот алгоритм, и результаты их клинических испытаний.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях, съездах, симпозиумах и семинарах: научном семинаре «Биомедицинская техника» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009), 10-й научно-технической конференции «Медико-технические технологии на страже здоровья. МЕДТЕХ-2008» (Тунис, 2008), 4th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering (Москва, 2008), 4-м Всероссийском симпозиуме «Вариабельность сердечного ритма: теоретические аспекты и практическое применение» (Ижевск, 2008), 6-м Сибирском съезде физиологов (Барнаул, 2008), 7-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 2005), 7 th European Neuro-ophthalmology Society (Москва, 2005), 10-й Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2004), 2-й Международной научно-практической конференции «Новые медицинские технологии в охране здоровья здоровых, в диагностике, лечении и реабилитации больных» (Пенза, 2004), 18-м съезде физиологического общества имени И.П. Павлова (Казань, 2000), 19-м съезде физиологического общества имени И.П. Павлова (Екатеринбург, 2004), 3-й Уральской научно-практической конференции «Математические методы в медицине и биологии» (Екатеринбург, 2001), Всероссийской научной конференции «Алгоритмический анализ неустойчивых задач» (Екатеринбург, 2001), Международном симпозиуме «Ишемия мозга» (Санкт-Петербург, 1997), Международном симпозиуме по транскраниальной допплерографии и интраоперативном мониторинге (Санкт-Петербург, 1995), Междисциплинарном рабочем совещании Научного Совета по физиологическим наукам РАН по проблемам мозгового кровообращения (Санкт-Петербург, 1995), Всероссийской научно-технической конференции по микроволновым технологиям «МВТ-95» (Казань, 1995), 11-й Международной конференции по нейрокибернетике «Проблемы нейрокибернетики» (Ростов-на-Дону, 1995).
Реализация результатов
-
Аппарат «СИМПАТОКОР-01» выпускается серийно ФГУП «Производственное объединение «Октябрь» (г. Каменск-Уральский).
-
Аппарат «СИМПАТОКОР-01» эксплуатируется более чем в 200 лечебно-профилактических и научно-исследовательских учреждениях России.
-
На ФГУП «Производственное объединение «Октябрь» проведена технологическая подготовка производства для изготовления опытных образцов радиофизического комплекса МРТРС.
-
Материалы диссертационной работы использованы при выполнении 7 работ на соискание ученой степени кандидата медицинских наук.
-
Автором на основе материалов диссертационной работы:
в 2003 г. разработан лекционный курс «Радиоэлектронные системы в информационных измерительных комплексах» для студентов по направлению 230200 «Информационные системы», обучающихся на кафедре «Радиоэлектроника информационных систем» Радиотехнического института ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»;
в 2007 г. организован научно-исследовательский практикум по направлению 014000 «Медицинская физика» на кафедре «Общая и молекулярная физика» ГОУ ВПО «Уральский государственный университет имени А.М. Горького».
-
По материалам диссертации опубликовано 110 работ: 91 статья, в том числе 11 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ; издано учебное пособие «Основы радиотеплолокации»; автором получено 18 авторских свидетельств и патентов на изобретения по теме диссертации.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 383 страницах машинописного текста, иллюстрируется 118 рисунками, содержит 20 таблиц. Список использованной литературы содержит 325 наименований.
Функции головного мозга: классификация и выходные показатели функционального состояния
Так как головной мозг обеспечивает взаимодействие организма с окружающей средой, то бесконечное множество его функциональных состояний адекватно отражают этот процесс. Выделяют два класса этих состояний или задач: постоянные и временные [90].
К постоянным состояниям (задачам) относятся те, которые обеспечивают гомеостаз организма на разных уровнях его организации: молекулярно-клеточном (молекулярном, субклеточном, клеточном и межклеточном); тканевом, органном, организменном и надорганизменном [38]. Отметим, что в тканях головного мозга формируется не только гомеостаз физических параметров, определяемый балансом процесса фильтрации воды из крови-в ткань мозга под действием гидростатического давления в артериальном отрезке капилляра и абсорбации ее в венозном отрезке капилляра под действием онкотического давления плазмы крови, но и химический гомеостаз внутренней среды мозга [94, 95].
К этому же классу задач относятся осуществление метаболических процессов, охрана вида, зашита организма от патогенных факторов и удовлетворение потребностей.
В общем случае, подобные задачи не изолированы друг от друга. А.Б. Коган рассматривает головной мозг как многоцелевую систему [61]: система может перестраиваться при изменении задачи или групп задач, решаемых мозгом, но при этом исполнительными звеньями ее являются одни и те же периферические механизмы. В этом случае формируется приоритетная по значимости иерархия решения задач, возможны компромиссные решения возникшей проблемной ситуации,. в том числе и игнорирование цели, хотя это бывает крайне редко.
Временные задачи возникают на какой-то период и исчезают, когда они достигнуты или их исчезновение обусловлено внешними по отношению к мозгу причинами и выступают как конкретные задачи реализации выбранной стратегии достижения постоянных целей.Функциональное состояние головного мозга является объективным отражением деятельности человека (выходные показатели) и системной организацией регуляторных механизмов, участвующих в его обеспечении (внутренние показатели) [20]!. Выходные показатели относятся, к группе интегральных характеристик мозга. Для их получения1 применяется принцип- «черного ящика», когда на вход динамической системы с неизвестными характеристиками подаются известные в статистическом смысле возмущения, а для формирования, оценок показателей системы анализируют ее выходные сигналы.
Для проведения подобных исследований важным этапом, является выбор характеристик входного возмущения (функционально-нагрузочной пробы). Этот выбор зависит от задачи, которую исследователь ставит при изучении функционального состояния мозга: является ли входное возмущение условием, определяющим решение задачи (отягощающим, облегчающим, видоизменяющим) или условием, переключающим исследуемую систему на другие задачи. В первом случае главными, будут физические характеристики возмущения, а во втором - его информационное содержание. Различного рода воздействия при исследовании сенсорных систем человека сигналами, в которых определяющими являются их амплитудно-частотные характеристики, принадлежат к первой группе. Ко второй группе- относятся методики, относящиеся к классу «тестов», при использовании которых должно формироваться адекватное функциональное состояние мозга.
Следующим шагом при организации функциональных исследований головного мозга является выбор метода анализа выходных характеристик системы, в качестве которых Н.П. Бехтерева предлагает применять аналитические, синтетические и функциональные методы [90].
Аналитические методы обеспечивают возможность изучения какого-либо одного свойства функционального состояния. Они подразделяются на прямые и ситуационные. При применении прямых методов непосредственно исследуется какая-либо характеристика системы, а зависимость от других при проведении исследований исключается или предполагается минимальной. К таким методам относятся исследования сенсорных систем, двигательных функций, вестибулярного аппарата и т.п., исследования устойчивости функционального состояния, переходы из состояния активности в состояние торможения и наоборот, а также переходы в другие психоэмоциональные состояния. Ситуационные методы могут быть релевантными или иррелевантными в зависимости от связи ситуации с информационным сигналом. К релевантным методикам относятся те, где ситуация в виде помехи или, наоборот, условий облегчения реализации функционального состояния, органически связана с сигналом и адресуется непосредственно к тем звеньям мозга, которые формируют системный ответ. Релевантные методики, при которых работа мозга происходит в условиях специально организованных входных возмущений, отягощающих его основную деятельность, называются функционально-нагрузочными. К ним относятся различные варианты дозированных нагрузок, имеющих физиологическое обоснование, которые применяются для функциональных исследований в клинических условиях: физические, психоэмоциональные, ортоклиностатические, дыхательные, медикаментозные и другие [15]. Поскольку время является параметром функционального состояния, то исследования в условиях дефицита времени также относятся к группе нагрузочных методик, так как в этом случае это ограничение обусловливает дефицит информации.
При исследовании синтетической деятельности головного мозга применяются элементарно-операционные и структурно-операционные методы. В этом случае, в отличие от аналитических методик, которые используют, как правило, функционально-нагрузочные пробы, главным является постановка цели и метод, которым достигается цель. Кроме того, очень важным является уровень абстрагирования экспериментальных условий от тех, с которыми встречается человек при работе в реальных условиях.
При элементарно-операционных методиках исследуется какая-либо последовательность логически связанных между собой операций. Они могут так же, как и для функциональных методик, быть имитационными (такими являются, например, широко используемая в практике психологического эксперимента методика сложения с переключением и методы решения силлогизмов) и моделирующими, где воспроизводится какой-либо алгоритм реальной деятельности.
Структурно-операционные - это наиболее сложные методики, где исследуется законченный цикл деятельности. К структурно-операционным относятся методы исследования на тренажерах и методы исследования непосредственно на рабочем месте.
Обзор материалов по исследованию последствий воздействия на ганглии вегетативной нервной системы
Влияние ВНС на вегетативные функции организма в основном реализуется тремя путями: через ретонарные изменения сосудистого тонуса, адаптационно-трофическое действие и управление функциями сердца, желудочно-кишечного тракта, надпочечников. Центры ВНС, обеспечивающие тонус кровеносных сосудов, расположены в ретикулярной формации продолговатого мозга и варолиева моста. Сосудосуживающие и ускоряющие ритм сердца центры, влияя на СНС, поддерживают основной тонус сосудов, в меньшей мере — тонус сердца. Сосудорасширяющие и тормозящие ритм сердца центры действуют косвенно как через сосудосуживающий центр, который угнетают, так и путем стимулирования заднего двигательного ядра блуждающего нерва (в случае тормозного эффекта на сердце). На тонус сосудодвигательных (вазомоторных) центров влияют баро- и хеморецепторные стимулы, исходящие как из специфических рефлексогенных зон (каротидного синуса, эндокардоаортальной зоны и др.), так и из других образований. Этот тонус находится под контролем вышележащих центров в ретикулярной формации, в гипоталамусе, обонятельном мозге и коре головного мозга. Широко известна вазоконстрикция при раздражении симпатического ствола. Вазодилататорным действием обладают некоторые парасимпатические волокна (барабанная струна, половой нерв), волокна из состава задних корешков спинного мозга и симпатические нервы сосудов сердца и скелетных мышц (их действие блокируется атропином).
Влияние СНС на ЦНС проявляется изменением ее биоэлектрической активности, а также ее условно- и безусловнорефлекторной деятельности. В соответствии с теорией адаптационно-трофического влияния выделяют две взаимосвязанные стороны функционирования СНС: адаптационную, определяющую функциональные параметры рабочего органа, и обеспечивающую поддержание этих параметров посредством физико-химических изменений уровня метаболизма тканей. В основе путей передачи адаптационно-трофических влияний лежат прямой и непрямой типы симпатической иннервации. Имеются ткани, наделенные прямой симпатической иннервацией (сердечная мышца, матка и другие гладкомышечные образования), но основная масса тканей (скелетная мускулатура, железы) обладает непрямой адренергической. иннервацией. В, этом случае передача адаптационно-трофического влияния происходит гуморально: медиатор переносится к эффекторным клеткам током крови или достигает их путем диффузии.
В осуществлении адаптационно-трофических функций СНС особое значение принадлежит катехоламинам. Они способны быстро и интенсивно влиять на метаболические процессы, изменяя уровень глюкозы в крови и стимулируя распад гликогена, жиров, увеличивать работоспособность-сердца, обеспечивать перераспределение крови в разных областях, усиливать возбуждение нервной системы, способствовать возникновению эмоциональных реакций.
В клинической практике давно используются методы, воздействия на ганглии ВНС при лечении различных заболеваний. Так, в [266] описан способ хирургического удаления звездчатого ганглия у больных при непроходящих болях в сердце. При удалении левого звездчатого ганглия снимается синдром длинного интервала QT на электрокардиограмме (ЭКГ), который приводит к смертельной аритмии сердца [264].
В работах Jenkner F.L. приведены результаты экспериментальных исследований изменений в тканях головного мозга при прямой механической стимуляции левого cervicohoracic sympathetic chain, местной анестезии правого звездчатого ганглия пятью миллиграммами 1%-xylocain и стимуляции СНС с помощью кусочков льда, прикладываемых к подошвам обеих ног [251-253]. Показано, что после указанных воздействий наблюдаются значимые изменения реоэнцефалографических сигналов.
Описаны случаи применения блокады звездчатого ганглия при лечении таких заболеваний, как синдром Рейно [215], пальмарный гипергидроз [217], герпетические поражения, роговицы [229], рефлекторная симпатическая дистрофия [225, 226, 322], а также для снятия болевого синдрома при псевдонепроходимости кишечника [221].
При блокаде звездчатого ганглия у пациентов наблюдаются асинхронные движения стенки левого желудочка сердца, как после региональной денервации [299], увеличение кровотока в плечевой артерии, в сонной и позвоночной артериях на стороне блокады [281, 282] и уменьшение кровотока на противоположной стороне [211], такие же изменения происходят в сосудах головного мозга [293], наблюдается увеличение скорости кровотока в сетчатке глаза и уменьшение внутриглазного давления [227], увеличение кровотока в слизистой оболочке носа и увеличение в ней парциального давления кислорода [248], понижение некоторых показателей иммунной системы [267, 308].
В литературе имеются и противоположные данные, свидетельствующие о том, что блокада звездчатого ганглия увеличивает кровоток только в сонной артерии, не изменяя его в позвоночной и в одноименных кровеносных сосудах противоположной стороны [279].
Таким образом, далеко не полный перечень клинических исследований показывает, что звездчатый ганглий играет важную роль в регуляции, в первую очередь, сердечно-сосудистой системы.
Сведений о применении различного вида воздействий на другие ганглии СНС при лечении заболеваний, сопровождающихся функциональными нарушениями в головном мозге, нет. Хотя можно предположить, что это направление далеко неперспективно, так как звездчатый узел связан с другими узлами СНС по нисходящим и восходящим путям. Более подробно эти вопросы рассмотрены в монографии [96].
О взаимосвязи флуктуации электромагнитного излучения и динамики межклеточного транспорта жидкости в тканях мозга
Методы нейрогенной регуляции можно применять и для коррекции физического гомеостаза внутренней среды головного мозга. Необходимость в этом возникает при заболеваниях, сопровождающихся формированием отека в тканях мозга: вазогенным отеком, обусловленным повышением проницаемости эндотелиальных клеток капилляров вследствие опухоли, абсцесса, инфаркта мозга, геморрагии; цитотоксическим (аноксическим) отеком мозга в результате гипоксии, остановки сердца, менингита, энцефалита, болезни Рейно и межклеточным отеком, обусловленным увеличением содержания воды и натрия в перивоентрикулярном белом веществе (так называемая pseudotumor cerebri или доброкачественная внутричерепная гипертензия). В этом случае в качестве информационного параметра, отражающего динамику изменений физического гомеостаза можно использовать церебральное перфузионное давление, которое определяется гидродинамическими характеристиками кровотока вне и: внутри головного мозга [94].
Изменения гидродинамических характеристик процессов в головном мозге являются интегральными оценками изменений адаптивной регуляции в системе кровоснабжения головного мозга и отражают изменения иерархичности и соподчиненности механизмов, обеспечивающих функционирование, этой системы регулирования, в то время как параметры, характеризующие электрическую активность нервных сетей мозга, гемодинамические показатели мозгового кровотока (например, объемная и линейная скорости в сосудах различного калибра, оценки периферического сопротивления, оценки вазомоторной реактивности), а также показатели динамики ликворного процесса характеризуют изменения отдельных механизмов этой системы регуляции.
Чувствительными индикаторами изменений гидродинамических характеристик процессов в головном мозге являются изменения церебрального перфузионного давления СРР и среднего артериального давления MAP. Если церебральное перфузионное давление СРР остается в пределах 60-140 мм рт. ст., то система регулирования мозгового кровообращения не имеет патологических нарушений, следствием которых являются необратимые процессы в тканях мозга. В этом случае у пациента сохраняется адекватная церебральная перфузия: ауторегуляция будет сохранять мозговое кровообращение путем церебральной вазодилатации [113]. При значениях церебрального перфузионного давления СРР меньших 50 мм рт.ст. уровень мозгового кровотока перестает соответствовать метаболическим потребностям мозговой ткани, развивается гипоксия и ишемия головного мозга [179], что, по существу, свидетельствует о нарушении функционирования системы регулирования мозгового кровообращения. Проведенные авторами клинические исследования на группе больных, страдающих мигренью, вегетососудистои дистониеи, головными болями вследствие черепно-мозговых травм, абстинентными синдромами, артериальной гипертензией, дегенеративными заболеваниями зрения, нейросенсорной тугоухостью, подтверждают справедливость подобного заключения,
Из методов, применяемых для неинвазивной оценки церебрального перфузионного давления СРР, нами сделан выбор в пользу методов, использующих транскраниальную ультразвуковую сонографию, которые по сравнению с другими, например, магнито-резонансной и позитронно-эмиссионной томографией, лазерной допплеровской флоуметрией, прямого измерения оксигенации венозной крови в яремной вене, использования теста на смещение барабанной перепонки и т.п., отличается доступностью, простотой процедуры измерения и, достаточной точностью оценок.
В клинической практике церебральное перфузионное давление СРР вычисляют с помощью эмпирических уравнений, предложенных, например, в работах R. Aaslid, М. Czosnyka, Е.А. Schmidt, М. Ursino, С.А. Lodi [299,318,320]. Мы воспользовались уравнением, предложенным в [218] где Vl)uacm - диастолическая и Vm - средняя скорости кровотока в средней мозговой артерии, a MAP - среднее артериальное давление. Оценки, получаемые с использованием уравнения (2.4), при абсолютных измерениях церебрального перфузионного давления СРР практически не уступают по точности другим методам, например, предложенному R. Aaslid [318]: абсолютная разница между истинным значением церебрального перфузионного давления и его неинвазивной оценкой в 95% случаев не превышает ±12 мм рт. ст., а относительные изменения истинного церебрального перфузионного давления СРР и изменений результатов, полученных при неинвазивных измерениях, характеризуется коэффициентом корреляции г 0,8 . Это позволяет применять подобный подход, в первую очередь, для оценки изменений; церебрального і перфузионного давления. церебрального перфузионного давления. Этот метод оценки церебрального перфузионного давления СРР использован нами в методике, которая позволяет корректировать физические параметры внутренней среды головного мозга [197]. В табл. 1 приведены значения церебрального перфузионного давления СРР до и после курса ДКАСНС у пациентов различных нозологических групп.
Формирование физического поля для управления активностью симпатической нервной системы
В плазме крови животных после иммобилизационного стресса увеличилась активность ферментов ЛДГ, ACT, АЛТ относительно этих показателей у интактных крыс, что свидетельствует о повышении проницаемости мембран клеток в результате усиления свободнорадикального окисления и является закономерным в стрессовой ситуации. Увеличение соотношения АСТ/АЛТ позволяет предположить большее повреждение миокарда по сравнению с другими тканями. Состояние животных после иммобилизации на основании двигательной активности, уровня ACT и кортикостерона, содержание которого уменьшается при стрессе почти в 2 раза, можно оценить как истощение или дезадаптацию. Воздействие полями не вызывало нормализации активности ферментов миокарда, что, вероятно, связано с более длительным восстановлением структуры мембран клеток, в отличие от уровня глюкозы. Не наблюдалось в то же время и дальнейшего увеличения активности клеточных ферментов у животных после стресса и действия ФВП.
Было выявлено достоверное увеличение количества МСМ при 254 нм в плазме крови и при 254 нм и 280 нм в эритроцитах после иммобилизационного стресса относительно этих показателей у интактных животных. После воздействия ФВП содержание МСМ в плазме крови и эритроцитах снижалось до уровня интактных животных. В составе МСМ содержится множество регуляторных факторов, продуктов деградации клеток и других веществ, обусловливающих эндогенную интоксикацию организма и образующихся при стрессе. Поэтому воздействие ФВП снижает эндогенную интоксикацию, и, возможно, нарушение функций мембран эритроцитов и других клеток.
Таким образом, на основании восстановления двигательной активности и нормализации уровня глюкозы и МСМ в крови крыс, подвергшихся действию физических полей после иммобилизационного стресса, можно сделать вывод о возможности коррекции избыточного возбуждения нервной системы физическими полями.
Исследование воздействия ФВП в проекции шейных ганглиев СНС при коррекции хронической патологии — ишемии мышцы голени и острой патологии — иммобилизационного стресса показали, что воздействие ФВП: 1. на уровне органа и ткани способствует восстановлению кровоснабжения и структуры мышечного волокна ишемизированной мышцы; 2. на клеточном уровне не усугубляет увеличенную в результате воздействия патологического фактора, стресса или ишемии, проницаемость мембран клеток и мышечных волокон; 3. на молекулярном уровне уменьшает количество продуктов эндогенной интоксикации, которые организм не успевает утилизировать при иммобилизационном стрессе; 4. на организменном уровне вызывает изменение поведенческой реакции, что проявляется повышением адаптации при иммобилизационном стрессе и уменьшением агрессивности животных. 2.4. Выводы. Проведенные в главе 2 исследования показали следующее: 1. По данным моделирования, при воздействии импульсным током в области шеи плотность тока в зоне нервного ствола в зоне анода и катодов и для электродов типа А, и для электродов типа В не зависит от геометрических размеров электродов, а определяется только входным током / . Для электродов типа А плотность тока в зоне нервного ствола составляет примерно 3,5 % от плотности входного тока на электродах и для электродов типа В - 1,6 %. 2. Предложенная схема формирования воздействия в проекции шейных ганглиев СНС (рис. 2.5) позволяет иметь в зоне анода пространственно сосредоточенную токовую структуру, в то время как в зоне катодов - пространственно распределенную. Эта особенность используется нами при обосновании структуры и параметров ФВП, обеспечивающего одновременное воздействие как на миелинизированные, так и на немиелинизированные волокна симпатического ствола в шейной зоне. 3. Пилотные исследования и исследования на группе практически здоровых пациентов-добровольцев показали, что наблюдаемые одновременные изменения БЭА головного мозга, периферического кровотока и ВСР как при воздействии ФВП, так и в режиме последействия могут быть только следствием участия в этих процессах сегментарной и надсегментарной регуляции ВНС. 4. Экспериментальные исследования на лабораторных крысах (на клеточном, тканевом и органном уровнях) позволяют ответить на вопрос: является ли сегментарная и надсегментарная регуляции ВНС следствием изменения активности СНС после воздействия ФВП в проекции ее шейных ганглиев: изменения на клеточном, молекулярном и органном уровнях после воздействия ФВП не только в тканях головного мозга, но и в других органах (например, в мышце голени) может объясняться только запуском этих процессов через механизм изменения возбуждения шейного симпатического ствола, который и является мишенью воздействия при ДКАСНС.
Похожие диссертации на Биотехническая система для адекватного управления функциональными процессами головного мозга
