Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из важнейших условий протекания биологических процессов является их компартментно-кластерная обособленность и синергический принцип объединения всех составляющих элементов в единую функциональную систему. Это характерно для всех уровней организации живой материи - от клетки до биосферы. Необходимость познания этой основополагающей закономерности жизни стимулирует интенсивное развитие различных концептуальных направлений современной синергетики (Хакен, 2001; Николис, Пригожий, 2003; Еськов, 2003; Еськов, Хадарцев, 2005; Малинецкий, Потапов, 2006).
В особой степени системный компартментно-кластерный подход (ККП) необходим для понимания функционирования высокоорганизованных систем, в том числе нервных центров. Известно, что локализация большинства из них не ограничивается одной ядерной группой нейронов, а включает в себя несколько пространственно разобщённых, но тесно взаимодействующих между собой клеточных группировок с различными функциональными характеристиками. Благодаря синергизму из них формируется единая корпоративная управляющая система, способная работать как в стационарном, так и в динамическом режимах .
Удачной моделью для системного компартментно-кластерного анализа может служить дыхательный центр (ДЦ) млекопитающих животных. Его структурно-функциональные особенности исследуются на протяжении почти двух столетий. В настоящее время ДЦ по праву считается одним из наиболее изученных нервных центров. По современным представлениям ДЦ - многокластерная система. В его состав входят клеточные популяции дорсального и вентрального респираторных ядер, анатомич е-скими субстратами которых являются, соответственно ядро с олитарного тракта (ЯСТ) и двойное (ДЯ), ретроамбигуальное (РАЯ) ядра ( Cohen, 1979; Сергиевский и соавт., 1993; Bianchi et al., 1995; Ezure, Tanaka, 2000b; Haji et al., 2000; Сафонов, 2006; Меркулова и соавт., 2007). Большое значение в генерации дыхательного ритма отводится пре-Бётцингер комплексу (ПБК) клеток, расположенному в субретрофациальной области продолговатого мозга (ПМ) (Rekling, Feldman, 1998; Koshiya, Smith, 1999; Rybak et al., 2004, 2007). Ряд исследователей (Габдрахманов, 1975; Сергиевский и соавт., 1993) относят к ДЦ также ряд ядер медиальной области (ЯМЗ) ПМ. Несмотря на то, что в ней отсутствуют нейроны с дыхательной мод у-ляцией активности, данный компартмент системы регуляции дыхания э ф-фективно вмешивается в контроль респираторной фун кции.
При всей очевидности успехов в изучении различных аспектов per у-ляции дыхания доминирует аналитический подход. Основанный на идеях детерминизма, он способствует в основном накоплению научных фактов.
Чем больше возрастает их объём, тем сложнее становится исследователям разобраться в сути многочисленных час тных явлений и закономерностей. В связи с этим периодически осуществлялась систематизация имеющихся данных, разработка формально -логических и математических моделей м е-ханизмов контроля дыхательного ритма (Kling, Szekely, 1968; Коган и со-авт., 1969; Кедер-Степанова, Четаев, 1978; Bruce et al., 1979; Честнова, Че-таев, 1979; Сафонов и соавт., 1980; Euler, 1985; Еськов, 1994; Rybak et al., 2004; Сафонов, 2006 и др.). Следует отметить, что большая часть имеющихся в настоящее время моделей носит функциональный характер . В их основу положены механизмы межнейронного взаимодействия в респир а-торной сети (Richter et al., 1992; Duffin, 2003; Koizumi et al., 2008; Fong, Jeffrey, 2008), пейсмекерные свойства дыхательных нейронов (Onimaru, 1995, Smith et al, 1997, Rekling, Feldman, 1998; Butera et al., 1999b). В ряде из них использован гибридный подход, учитывающий оба системообр а-зующих фактора (Funk & Feldman, 1994; Rybak et al., 2007; Ben-Таї, Smith, 2008).
Существенным недостатком всех известных нам моделей ген ерации и регуляции дыхания является то, что при их разработке игнорируются кибернетические, общебиологические принципы функционирования сложных живых систем. В частности, ни в одной из этих моделей не представлен синергический принцип функционирования многокомпонентной системы ДЦ.
Несмотря на то, что функционирование ДЦ как и любой другой системы невозможно без движения информационных потоков, изучению данного вопроса в нейрофизиологии дыхания не уделялось должного внимания. Имеются лишь отдельные предположения (Сергиевский и соавт., 1975; 1993; Сафонов, 2006), что циклически организованные дыхательные процессы возникают из стохастических взаимодействий. Для нормального состояния такой системы необходим постоянный приток к её компонентам определенной суммы афферентных сигналов. Кроме ритм о-образующей функции афферентация оказывает на деятельность ДЦ корригирующее влияние, способствуя формированию приспособительных респираторных реакций в различных условиях жизнедеятельности организма. Однако, роль, место и синергетика компонентов системы регуляции дыхания в реализации афферентных влияний до настоящего времени не получили чёткого определения. Считается (Cohen, 1979; Lipski, 1979; Kalia,1980; Miffin, 1997; Paton, 1998;Ezure, 2002; Гордиевский, 2005; Меркулова и соавт., 2007), что основной афферентной станцией ДЦ является ДДГ. При этом остаётся непонятным, каким образом в реализации афф е-рентных влияний участвуют остальные компоненты системы контроля дыхания и по каким механизмам в регуляцию респирации вовлекаются многочисленные неспецифические факторы.
В большинстве имеющихся функциональных моделей регуляции дыхательного ритма и паттерна системный ККП, несмотря на свою универсальность и эффективность, не получил должного применения. Его использование часто ограничивается лишь описанием соотношения структуры и функции. Однако это совершенно недостаточно для обобщения имеющихся многочисленных научных фактов, формализации и идент и-фикации компартментов и кластеров системы регуляции дыхан ия, синергетики их взаимоотношений в формировании приспособительных дых а-тельных реакций организма (Walter, 1985; Еськов, 1994, 2003; Еськов, Ха-дарцев, 2005).
В связи с этим целью настоящей работы явилось комплексное изучение с позиции ККП, синергизма ядерных компонентов и нейронных с е-тей дыхательного центра в реализации афферентных влияний. Данная цель определила постановку и решение следующих задач:
-
Разработать адекватные методы идентификации синергизма комп о-нентов системы регуляции дыхания.
-
Осуществить системный анализ функциональной организации специфических и неспецифических афферентных входов и особенностей движения потоков информации в системном комплексе компа р-тментов дыхательного центра.
3. Осуществить идентификацию, системный анализ и разработку фе
номенологической модели структуры респираторных нейронных се
тей, обеспечивающих реализацию афферентных влияний.
-
Оценить физиологические механизмы синергизма компонентов дыхательного центра в приеме, интеграции и реализации афферентных сигналов.
-
Исследовать явления полного синергизма в условиях вариаций ма р-ковских параметров интегральной активности эфферентных драйвов системы регуляции дыхания при воздействиях на специфические и неспецифические афферентные входы.
-
Разработать компартментно-кластерную модель системных механизмов реализации специфической и неспецифической афферент а-ции в компартментно-кластерной системе регуляции дыхания.
Научная новизна. Впервые на основе ККП осуществлён системный анализ физиологических механизмов синергизма структур ДЦ в реализации афферентных влияний. На основе разработанных алгоритмов и программного продукта идентифицировано явление полного синергизма ко м-понентов СРД при воздействиях на специфические и неспецифические афферентные входы. Выявлены общие системные и модально -специфические особенности поступления и реализации в структурах ДЦ висцеральных и соматических афферентных сигналов. Установлена сен-
сорная, интегративная и эффекторная роль различных типов ДН и РН. Изучена динамика информационных потоков, роль, место и синергизм компартментов системного комплекса ДЦ в реализации афферентных влияний. Впервые также изучены стационарный и динамический режимы функционирования СРД и их изменения симуляцией притока информации и других экспериментальных воздействиях. Разработаны оригинальная схема универсальной нейронной сети и компартментно -кластерная модель механизмов включения афферентных сигналов в регуляцию респираторной функции организма. Обоснованы положения, способствующие новому пониманию механизмов формирования адаптивных реакций дыхательной функциональной системы.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в использовании базовых концепций теории БДС и ККП, методов феноменологического и математического моделирования в изучении системных механизмов реализации специфических и неспецифических афферентных влияний в регуляции респираторной функции организма. Результаты экспериментального исследования и их теоретического анализа во многом могут способствовать пониманию не только синергической природы формирования адаптивных дыхательных реакций, но и уточнению ряда принципов функциональной организации физиологических центров. Они также представляют интерес для теоретической и практической нейрокиберне-тики и нейрофизиологии, могут быть включены в соответствующие разделы учебных курсов высших учебных заведений по синергетике, физиологии нервной и вегетативных систем. Рекомендации по использованию базовых принципов ККП, предложенные в работе, при внедрении в теоретическую и практическую медицину позволят сформулировать и использовать универсальный алгоритм диагностики и коррекции различных нарушений дыхания.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Полученные в ходе диссертационного исследования закономерности и феномены полностью укладываются в базовые аксиомы конце пции БДС и подтверждают эффективность ККП в познании системных механизмов функционирования ДЦ.
-
Физиологические механизмы синергизма компонентов СРД основаны на пространственно-временных особенностях ее афферентных входов, внутрицентральном взаимодействии элементов системного комплекса ДЦ и конвергентных свойствах образующих его нейр о-нов.
-
Реализация специфических и неспецифических афферентных сигналов осуществляется в нейронных сетях с идентичной структурно-функциональной и временной организацией.
-
Каждый компартмент дыхательного центра имеет собственные специфические и общие системные механизмы восприятия, интеграции и реализации афферентных сигналов.
-
Предложенные приёмы математического анализа позволяют идентифицировать степень синергизма структур ДІД в реали зации специфической и неспецифической информации.
-
Разработанные феноменологические и математические модели с и-нергизма компонентов СРД позволяют объяснить природу формир о-вания адаптивных реакций дыхательной функциональной си стемы в различных условиях жизнедеятельности организма.
Апробация работы. Результаты работы доложены на XIII - XVIII съездах Физиологического общества им. И.П. Павлова, I и II Российских конгрессах по патофизиологии. Они ежегодно (1979 - 2005 г.г.) представлялись на внутривузовских конференциях Самарского государственного педагогического университета, периодически обсуждались на научных семинарах Самарского отделения Физиологического общества России, Сургутского, Ростовского и Самарского государственных университетов, международных научных конференциях: «Технология 2000» (г. Тольятти,
-
г.), «Инженерно- физические проблемы новой техники» (г. Москва,
-
г.), на международной конференции «Детермининизм и стохастическое моделирование в биологии» (Болгария, г. София, 1997 г.), на VIII международной конференции по медико- биологической инженерии и компьютингу (Кипр, г. Лемасол, 1998 г.), на международных конференциях по новым информационным технологиям в медицине и экологии -IT+ME'98 (Крым, 1998 г.) и "Датчик" (Крым, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 г.г.), на международной конференции по моделированию (International conference on modeling and simulation. 27 -29 april, Minsk. 2004), на международной конференции (MS'2004, Lyon - Villeurbanne, 5-7 July 2004). Результаты исследования включены в приоритетное открытие «Закономерность изменения синергических взаимоотношений в системах регуляции биологических динамических систем организма млекопитающих под де й-ствием внешних факторов», зарегистрированное (диплом № 248) Росси й-ской академией естественных наук и Международной академией авторов научных открытий (Научные открытия: сборник кратких описаний нау ч-ных открытий, научных идей, научных гипотез - 2004 г. Выпуск 1. Москва, 2004.).
Декларация личного участия автора. Автором лично выполнены эксперименты по изучению особенностей функциональной организации
специфических и неспецифических афферентных входов ДЦ, исследов а-нию роли различных типов ДН и РН и их места в нейронной сети, обесп е-чивающей реализацию висцеральной и соматической информации, выявлению механизмов корпоративной деятельности ядерных образований
ДЦ-
С непосредственным участием автора разработаны методы матем а-
тической и компьютерной идентификации степени синергизма компа р-
тментов СРД в реализации афферентных влияний. Доля личного участия
автора в совместных публикациях составляет 60 - 80%.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 69 работ, в том числе 4 монографии и 19 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для соискания степени доктора биологических н аук.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа содержит 266 страниц машинописного текста. Она исполнена в классическом стиле и состоит из введения, обзора литературы, описания материала и методов исследования, шести глав, содержащих результаты собственных наблюдений, заключения, выводов, списка литературы. Работа содержит 32 рисунка и 26 таблиц. Список используемой литературы включает в с е-бя 345 источников, в том числе 219 на иностранном языке.
