Введение к работе
1.1. Актуальность. Исследование молекулярных процессов, развивавшихся на электровозбудимых мембранах и. в первую очередь, изучение функционирования мембранных ионных каналов, в настоящее время является важнейшей задачей физиологии нервной клетки, так как дает возможность подойти к выяснению механизмов импульсной активности возбудимой мембраны, что, чз свою очередь, может дать ответ на многие прикладные вопросы нейрофизиологии.
Специфика живого объекта - ограниченное время жизни и присущая всему живому вариабельность - необычайно усложняют задачу исследователя, пытающегося установить его устойчивые, воспроизводимые количественные характеристики. Качественная рзгистрация данных, быстрая обработка результатов и ео экспресс-анализ в ходе опыта - неотъемлемое условие получения надежной информации для выявления механизмов функционирования клетки. Одним из ъвх-ных . методов исследования является моделирование объекта, что дает возможность предсказать динамику почедекия объекта, выяснить его молекулярные характеристики. Гот факт, что в основе Функционирования мембран лежат физические молекулярные процессы, определяет принципиальную возможность использования методов математической физики, для их моделирования.
. многообразие 8адач, стоящих перед экспериментатором, необходимость качественного, точного выполнения всех этапов исследования, сложная и взаимосвязанная последовательность процедур обработки и моделирования требует применения современных средств автоматизации и вычислительной техники.
В силу ряда причин бкрлогические эксперименты до сих пор, относятся к разряду наиболее трудно поддающихся автоматизации. К числу факторов, затрудняющих иирокое внедрение типових, АСНИ в лабораториях биологического й физиологического профиля для проведения лабораторных экспериментов относится, прежде всего, специфичность объектов, требующих в каждом конкретном случае очень узко специализированной.методики исследования. Кроме того, быстрое развитие биологии постоянно ставит новые задачи, тррбукше «вменения как методики эксперимента, так и способов анализа данных. Другими '{актерами, сдерюташими автоматизации.
- 4 -является плохая техническая оснащенность лабораторий. Только в последние годы небольшие лаборатории получили возможность приобретать в собственное распоряжение ычислительную технику. Однако, для создания, обслуживания и постоянного совершенствования систем автоматизации экспериментов необходим штат квалифицированных инженеров и программистов, что не ь^егда доступно для биологических лабораторий.
Отсюда следует актуальность разработки автоматизированной подсистемы моделирования, функционирующей в рамках АСНИ и удовлетворяющей требованиям пользователей, не обладающих профессиональными знаниями в область программирования.
' В данной диссертационной работе еде іана попытка решения
этой задачи. В основу диссертационной работы положены результа
ты, полученные в ходе исследований, проводимых по Координацион
ному плану работ Института физиологии им. И. П. Павлова АН СССР и
ЛИИА АН СССР на 1985-1990 г. по созданию межлабораторной систе
мы автоматизации физиологических исследований и по планам Инс
титута физиологии по теме N 16 "Ме"аниэмы восприятия и поведе
ния".
-
Дело- работы.- создание автоматизированной подсистемы моделирования для изучения молекулярных характеристик ионных каналов мембран нервньк клеток, функционирующей в рамках АСНИ и обеспечивающей повышение эффективности нейрофизиологических исследований.
-
Методы исследований базируются на использовании системного подхода, теории структурного программирования, методов математического моделирования и решения систем дифференциальных уравнений, последних достижений в области программирования и вычислительной техники.
-
Научная новизна. В диссертации разработана структура и создана автоматизированная подсистема моделирования работы мембранных ионных ісаналов. Шдсистема реализована в виде действующего программно-технического комплекса, пои этом:
1.4.1. Разработана структура подсистемы моделирования в виде иерархической организации функциональных модулей, каждый из которых информационно и функционально изолирован и связан лишь входными и выходными данными с модулями смежных уровней.
1.4.2. Рас-работаны алгоритмы быстрой обработки экспериментальных данных. С помощью аппрскенмацпонных методов разработаны алгоритмы получения констант скоростей переходоз нкактивацион-ной воротной системы ионных каналов ив одного состояния в другое, используемые для построения модели системы.
1.4. а Разработана структура и алпаратно-програм/ная реа
лизация подсистемы моделирования,с помоиью которой можно ре
гистрировать и обрабатывать данные в рит^е эксперимента, . стро
ить дадель ииактивационной системы ценного канала исследуемого
объекта.сопоставлять модельные и экспериментальные данные для
оптимизации модели и проверки надежности результатов.
1.5. Практическая ценность.
1. б. 1. В результате преведенній исследований создана подсистема моделирования работы мембранных ионных каналов, удовлетворяющая требованиям пользователей, не профессиональных программистов. Система дает воэмомюсть проводить регистрацию данных, обработку и моделирование в ритме эксперимента, что позволяет в максимально короткий срок проверить правильность выбранной модели, уточнить ее и исоледоьагь изменение характеристик модели в зависимости от различных фармакологических воздействий, С помощью подсистемы моделирования были проведены серии экспериментов, которые позволили в 8-Ю раз сократить цикл нейрофизиологических исследований.
-
Внедрение результатов. Результаты проведенных исследований нашли практическое внедрение в Институте физиологии им. И. П. Павлова АН СССР, где созданная автоматизированная система научных исследований для изучения молекулярных структур элект-ровозбудимнх мембран нервных клеток используется в плановій работах,
-
Апробация работы. Научные результаты и основные поло-знення диссертации докладывались и обсуждались на 8-ой Всесоюзной конференщм яо планированию и автоматизации экспериментов в научных исследованиях (Ленинград. 1S86); 21 Всесоюзной шкоге "Автоматизация научных исследований" (Чолпон-Лтз,1С37); 15 съезде Всесоюзного физиологического общества им. И. П. Шилова (Кишинев, 1Р87); Ленинградской городской конференции «молодых ученых и специалистов "Механизмы регуляции физиологических фуик-
- 6 -ций'ЧЛенинград, 1983); республиканской научной конференции " Автоматизированные системы реального впемони для эргономических исследований" (Гарту, 1088), на Всесоюзной конференции "Ионный транспорт и регуляция функций клетки'Ч Лэникград. 1090).
1.8. публикации по работе. По теме диссертаї ш опубликовано 8 печатных работ.
1.0. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из
введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений.
Содержание диссертации изложено ка 112 страницах, иллюстрирова
но рисунками на 18 стран-цах. Список литературы содержит 151
наименование.