Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный уровень развития науки и техникп предъявляет растущие тре^оваї. ,т к оценке возможностей функционирования вестибулярной системы в сложных условиях. Как в теоретическом, так и в прикладном аспектах эти исследования в перспективе служат одной цели — сохранить работоспособность оператора в необычных или экстремальных ситуациях. Это становится особенно актуально в связи с освоением и использованием 'новой транспортной техники (космической и авиационной).
Понимание истинных механизмов первичной рецепции имеет большое значение для правильного выбора метеков вестибулярной стимуляции и интерпретации реакции на нее при медицинском отборе людей для работы в условиях измененной гравитации (современная авиация и космонавтика), условиях повышенных нагрузок на.вестибулярный аппарат (транспортные средства, условия работы с повышенным вибрационным фоном).
В связи с указанным большим прикладным значением, а так же увеличивающимся количеством накопленных морфологических и экспериментальных данных, требующих интерпретации, возрастает роль моделирования физических процессов, отвечающих за 3 ункциоиирование вестибулярного аппарата. Немаловажная роль принадлежит здесь математическим методам.
Основные проблемы вестибулярной рецепции могут быть поняты на примере изучения рецепции в одном из отделов вестибулярного аппарата — отделе полукружных каналов, специализирующемся на восприятии угловых ускорений. При этом в свете известных экспериментальных данных (Hillman ПК, McLaren J.W." 1979), свидетельствующих о незначительной "еханической деформации купулярной мембраны в ответ на физиологически адекватные угловые ускорения, остается аыуальным поиск альтернативных молекулярных механизмов рецепции непосредственно не связанных с сопутствующими механическими деформациями.
Цель работы. Исследовать методом математического и числен-
ного моделирования возможность функционирования механизмов вестибулярне"' рецепции на основе диффузионных процессов в пористых структурах вестибулярного клеточного эпителия.
Основные задачи работы:
-
Оценить современное состояние математического моделирования отдела полукружных каналов вестибулярного аппарата. Провести сравнительный анализ существующих моделей. . ч
-
Основываясь ;:а известных результатах морфологических исследований о свойствах купулы и чувст. ительных ^элос-к^вых клеток, биохимических исследований о свойствах эн-долимфы, развить физические представления о первичной рецепции в купуло-эндолимфатической системе, основанные на диффузии эндолимфы в пористой структуре купулы.
-
В рамках этих физических представлений предложить корректную математическую модель процесса рецепции и способы ее теоретического и численного анализа.
-
Создать программные средства, реализующие алгоритм численного аналііза математической модели.
-
Сопоставить результаты математического моделирования с известными экспериментальными физиологическими данными, отражающими передаточные свойства вестибулярного аппарата, с результатами моделирования на других известных моделях.
Научная новизна работы. Предложено дальнейшее развитие альтернативных физических представлений о механизмах рецепции в купуло-эндолимфатической системе (КЭС), основанных на диффузионных процессах (впервые высказанных G. Schmaltz в 1925 году).
Впервые на математической модели проверена обоснованность таких механизмов и их работоспособность. Поставлена задача математической физики, которая в отличие от известных моделей
КЭС основана hf уравнениях, описывающих конвективную диффузию в микроканалах купулы, и не требует ее механических деформаций.
Впервые теоретически оценен коэффициент диффузии нитевидных молекул эндолимфы.
Разработан итерационный математический алгоритм решения нестационарной ."адачи конвективной диффузии и исследован вопрос о его сходимости.
Впервые получеы амплитудно-частотные характеристики диф-фузионоого механизма рецепции как устройства преобразования информации, демонстрирующие его нелинейные и инерционные свойства..
Разработанная модель применена для исследования передаточных свойств КЭС и сравнительного анализа с известными экспериментально-физиологически:'и данными о ее функционировании.
Практическая ценность.* Результаты диссертации позволяют по-новому трактовать процессы вестибулярной рецепции, не связывая их, по-крайней мере для уровня слабых сигналов, с прямыми механическими деформациями цилий волосковых клеток. Понимание истинных механизме первичной рецепции имеет большое практические значение для правильного выбора методов вестибулярной стимуляции и интерпретации реакции на нее в биологических экспериментах по изучению функции вестибулярного аппарата при медицинском отборе людей для работы в условиях измененной гравитации (современная авиация и космонавтика), условиях повышенных нагрузок на вестибулярный аппарат (транспортные средства, условия работы с повышенным вибрационным фоном), при разработке методов купирования вестибулярных дисфункций.
Методы исследования. При получении результатов диссертационной работы использованы методі., математической физики, гидродинамики, статистической физики, функционального анализа, численного моделирования на ЭВМ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсу-
ждались на XII и XVI Международных конгрессах по гравита-. ционной физиологии (Ленгліград 1990, Reno 1995), на семинаре кафедры механики pi процессов управления С-Петербургского технического университета (С.-Петербург, 1995), на семинаре отдела общей сенсорики Института физиологии им. И.П. Павлова РАН (С.-Петербург, 1995).
Структура и объем работы. -Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 105 наименований. Работа изложена на 130 страницах, содержит 15 рисунков.
