КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА: КОНЦЕПЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Представлены концепция и принципиально новый подход к анализу закономерностей естественных флуктуаций состояния человеческого организма под воздействием эндои экзогенных факторов. Концепция включает создание специальной технологии, основанной на комплексе математических моделей, описывающих динамику...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автор:	Grygoryan, R.D.
Формат:	Стаття
Мова:	English
Опубліковано:	PROBLEMS IN PROGRAMMING 2015
Теми:
Онлайн доступ:	https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/7
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Problems in programming
Завантажити файл:

Репозитарії

Problems in programming

id	pp_isofts_kiev_ua-article-7
record_format	ojs
resource_txt_mv	ppisoftskievua/58/bed4ea1317cc573b8633576da2e4c158.pdf
spelling	pp_isofts_kiev_ua-article-72018-09-26T12:59:08Z КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА: КОНЦЕПЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ Grygoryan, R.D. Представлены концепция и принципиально новый подход к анализу закономерностей естественных флуктуаций состояния человеческого организма под воздействием эндои экзогенных факторов. Концепция включает создание специальной технологии, основанной на комплексе математических моделей, описывающих динамику интегральной деятельности целостного организма или функции его структурных единиц – органов с учетом вариаций характеристик составляющих органы клеточных популяций. Такая многоуровневая модель создает предпосылки для имитационных исследований причинно-следственных отношений в организме человекаоператора, выявления последовательности первичных нарушений и регуляторных реакций локального и организменного уровней. Технология может стать дополнительным инструментом в медицине при диагностике состояния и проверки эффективности лечения. PROBLEMS IN PROGRAMMING ПРОБЛЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ПРОБЛЕМИ ПРОГРАМУВАННЯ 2015-06-16 Article Article application/pdf https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/7 PROBLEMS IN PROGRAMMING; No 1 (2003) ПРОБЛЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ; No 1 (2003) ПРОБЛЕМИ ПРОГРАМУВАННЯ; No 1 (2003) 1727-4907 en https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/7/12 Copyright (c) 2015 ПРОБЛЕМИ ПРОГРАМУВАННЯ
institution	Problems in programming
baseUrl_str	https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/oai
datestamp_date	2018-09-26T12:59:08Z
collection	OJS
language	English
topic
spellingShingle	Grygoryan, R.D. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА: КОНЦЕПЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
topic_facet
format	Article
author	Grygoryan, R.D.
author_facet	Grygoryan, R.D.
author_sort	Grygoryan, R.D.
title	КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА: КОНЦЕПЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
title_short	КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА: КОНЦЕПЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
title_full	КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА: КОНЦЕПЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
title_fullStr	КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА: КОНЦЕПЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
title_full_unstemmed	КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА: КОНЦЕПЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
title_sort	компьютерное моделирование физиологических процессов обеспечения деятельности человека: концепция и перспективы
description	Представлены концепция и принципиально новый подход к анализу закономерностей естественных флуктуаций состояния человеческого организма под воздействием эндои экзогенных факторов. Концепция включает создание специальной технологии, основанной на комплексе математических моделей, описывающих динамику интегральной деятельности целостного организма или функции его структурных единиц – органов с учетом вариаций характеристик составляющих органы клеточных популяций. Такая многоуровневая модель создает предпосылки для имитационных исследований причинно-следственных отношений в организме человекаоператора, выявления последовательности первичных нарушений и регуляторных реакций локального и организменного уровней. Технология может стать дополнительным инструментом в медицине при диагностике состояния и проверки эффективности лечения.
publisher	PROBLEMS IN PROGRAMMING
publishDate	2015
url	https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/7
work_keys_str_mv	AT grygoryanrd kompʹûternoemodelirovaniefiziologičeskihprocessovobespečeniâdeâtelʹnostičelovekakoncepciâiperspektivy
first_indexed	2025-07-17T09:58:09Z
last_indexed	2025-07-17T09:58:09Z
_version_	1850411366500794368
fulltext	Концептуальное моделирование предметных областей © Р.Д. Григорян, 2003 ISSN 1727-4907. Проблемы программирования. 2003. № 1 57 УДК 681.3 Р.Д. Григорян КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА: КОНЦЕПЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ Представлены концепция и принципиально новый подход к анализу закономер- ностей естественных флуктуаций состояния человеческого организма под воздейст- вием эндо- и экзогенных факторов. Концепция включает создание специальной тех- нологии, основанной на комплексе математических моделей, описывающих динами- ку интегральной деятельности целостного организма или функции его структурных единиц – органов с учетом вариаций характеристик составляющих органы клеточ- ных популяций. Такая многоуровневая модель создает предпосылки для имитацион- ных исследований причинно-следственных отношений в организме человека- оператора, выявления последовательности первичных нарушений и регуляторных реакций локального и организменного уровней. Технология может стать дополни- тельным инструментом в медицине при диагностике состояния и проверки эффек- тивности лечения. Высокий антропогенный риск возникновения техногенных аварий в современных АСУ связан с двумя ос- новными факторами. Во-первых, буду- чи сложной и открытой динамической системой, организм человека-операто- ра (ЧО), находясь под воздействием среды и реагируя на нее, каким-то по- ка неясным образом флуктуирует во времени. Во-вторых, существующая методология медицинского контроля операторов АСУ не располагает спо- собами раннего обнаружения и распо- знавания угрожающих сдвигов харак- теристик ЧО. Поэтому поиск путей повышения надежности ЧО в рас- сматриваемом классе АСУ следует вести как в направлении углубления наших знаний о закономерностях функционирования организма ЧО, так и совершенствования методологии ме- дицинского контроля. Оба указанных аспекта проблемы взаимосвязаны. Главной причиной методологических пробелов является отсутствие теории, способной интегрировать в себе раз- розненные знания о закономерностях функционирования подсистем иерар- хического организма человека с уче- том как саморегуляторных процессов на верхних уровнях организации, так и фундаментальных ограничений, на- лагаемых механизмами биофизическо- го, биохимического и популяционного функционирования в органах, являю- щихся многоклеточными динамиче- скими объектами. В этом сложном взаимодействии необходимо для нача- ла хотя бы выяснить взаимоотноше- ния между физиологическим и психи- ческим уровнями организации дея- тельности ЧО. Непостоянство систем физиоло- гического обеспечения порождает ес- тественный, осознанный или неосоз- нанный дрейф психоэмоционального состояния человека. Это является ско- рее нормой, чем отклонением для каж- дого из нас. Изменения самочувствия людей порождают не только медицин- ские проблемы, но из-за неадекватного реагирования ЧО нередко возникают техногенные аварии с существенными социально-экономическими последст- виями [1, 2]. Традиционно часть этих проблем является предметом изучения специалистов по психологии и гигиене труда. Однако существующая методо- логия решения подобных проблем практически не учитывает накоплен- ные знания о более фундаментальных процессах (пожалуй, за исключением коррелятивных отношений между био- химией крови и некоторыми акцен- туированными психическими состоя- ниями). Между тем есть множество эндогенных предпосылок для неадек- Концептуальное моделирование предметных областей 58 ватного психоэмоционального реагиро- вания. Существенная причина отсутст- вия научно обоснованных методик оценки и коррекции психоэмоцио- нального состояния индивида состоит в кажущейся спорадичности наблюдае- мых флуктуаций. Однако ненаблюдае- мость явных причин дрейфа состояния ЧО во времени скорее свидетельствует о неполноте нашей теоретической ба- зы знаний и об отсутствии адекватных методик наблюдений, чем означает от- сутствие причинной обусловленности. Есть все основания полагать, что меж- ду биофизическими, биохимическими и физиологическими функциями, с од- ной стороны, и психоэмоциональной сферой – с другой, есть причинная зависимость. На наш взгляд, для выяв- ления общих закономерностей этих зависимостей и решения накопивших- ся междисциплинарных проблем ну- жен методологический прорыв, позво- ляющий качественно и количественно анализировать разноуровневые про- цессы в едином организме и обнару- живать их кратковременные и отда- ленные тенденции и последствия. Ясно, что новая методология должна базиро- ваться на знаниях о механизмах есте- ственной адаптации целостного орга- низма к изменениям внутренней и внешней среды. Единственным мето- дом, способным эффективно опериро- вать столь сложными процессами, яв- ляется метод математического модели- рования с последующими компьютер- ными имитационными исследования- ми. Анализ проблем, выявленных при создании и исследовании более про- стых моделей, ограниченных феноме- нологическим описанием функций на уровне отдельных подсистем сопря- женных физиологических систем ор- ганизма человека [3—10], заставил нас искать специфические пути решения стоящих перед нами задач. Целью на- стоящей публикации является озна- комление читателей с теми проблема- ми и перспективами, которые сопря- жены с созданием и эксплуатацией по- добного рода моделей. Основные требования к модели и ее структура Основные требования к разраба- тываемой модели обусловлены про- странственно-временными характери- стиками моделируемых процессов. Нас интересуют изменения функциональ- ного состояния человеческого орга- низма, возникающие как реакция на первичные изменения физико-хими- ческих характеристик среды существо- вания. Поэтому модель должна вклю- чать в себя представления как о внеш- ней и внутренней среде организма, так и о тех его структурно-функцио- нальных единицах, изолированное или интегральное функционирование кото- рых обусловливают его наблюдаемые характеристики. Внешняя среда – это независимая динамическая переменная с множеством параметров, на измене- ния которых способны реагировать ор- ганизмы. Внутренняя среда организма представляет собой совокупность структурных единиц в виде органов, объединенных общей гуморальной средой и специфическими (нервными) связями между отдельными компонен- тами. Следовательно, характеристики внутренней среды обусловливаются как деятельностью ее структурных компонентов, так и непосредственным влиянием внешней среды. Мы отдаем себе отчет в том, что ни существующий уровень фактиче- ских знаний, ни методология компью- терного моделирования не адекватны той реальной сложности задачи, кото- рая возникла бы, если бы мы попыта- лись промоделировать субклеточные биохимические процессы на молеку- лярном уровне. Поэтому разумным нижним уровнем для моделирования следует принять структурные и энерге- тические интегральные эффекты, про- исходящие в отдельной единице жиз- ни – клетке в процессе ее функцио- нирования. При этом под функциони- рованием будем иметь в виду лишь реа- гирование клетки на внешние факторы. Для ясности подчеркнем, что внешними для каждой клетки являются все ос- тальные клетки данного организма, а Концептуальное моделирование предметных областей 59 также прямые стимулы, поступающие из внешней и / или внутренней среды. Учет в модели клеточной струк- туры органов означает, что всякие адаптивные или иные изменения ин- тегральной функции органа не могут быть интерпретированы иначе, как результат изменений производитель- ных характеристик его клеток и коли- чества самих производственных еди- ниц. В связи с тем, что адаптация к изменившимся условиям предполагает изменения потребляемых организмом энергии и субстратов, верхний про- странственный уровень моделирова- ния должен охватить процессы обмена субстратами между организмом и внешней средой. Данные допущения налагают определенные ограничения на область моделируемых явлений. Некоторые из этих ограничений будут оговорены специально. Итак, основные задачи модели- рования и требования к модели можно сформулировать следующим образом: — моделируются процессы взаи- модействия организма человека с внешней средой, необходимые для жизнеобеспечения. В это взаимодейст- вие должен быть включен обмен ве- ществ на заданном отрезке времени; — модель должна адекватно опи- сывать краткосрочные реакции цело- стного организма на функциональные перестройки активности его подсис- тем, возникающие в процессе деятель- ности человека; — для того чтобы можно было выявлять долговременные адаптацион- ные сдвиги, модель должна охватывать описание процессов метаболизма. При этом нужно различать процессы, раз- ворачивающиеся на макроуровне (ор- ганизм – внешняя среда), от тех, ко- торые имеют место на микроуровнях (популяция клеток в отдельном органе) вследствие изменения соотношения притока и расхода биосинтетических субстратов. Требования к структуре модели. Изменения метаболизма организма предполагают адекватные изменения поступления извне источников био- синтетических процессов. Следова- тельно, модель структурно должна со- держать входы и выходы таких под- систем, как пищеварительная и выде- лительная системы, система доставки кислорода и удаления углекислого газа. Представление в модели транспортной системы крови необходимо как для имитации изменений деятельности са- мой сердечно-сосудистой системы (ССС), так и опосредованной роли ССС в процессе гуморальной регуля- торной интеграции компонентов орга- низма. Внутреннее перераспределение потоков исходных субстратов в соот- ветствии с актуальными потребностя- ми различных органов (клеточных по- пуляций) осуществляется посредством перераспределения объемных скоро- стей крови к ним. Блок-схема базовой модели, спо- собной охватить описанный выше комплекс процессов жизнеобеспечения в динамике, изображена на рис.1. Двойная пунктирная линия в верхней части этого рис. 1 обозначает потенци- Рис. 1. Концептуальная структурно- функциональная схема базовой модели взаимосвязанных систем организма чело- века для моделирования адаптивных процессов жизнеобеспечения в условиях непредсказуемых изменений характери- стик внешней среды или регуляторных «заданий» на различные структурно- функциональные подсистемы человека Концептуальное моделирование предметных областей 60 альную возможность моделирования ситуации, когда организм неподвижен и функционирует исключительно бла- годаря гуморальным контурам регуля- ции при фиксированных уровнях ак- тивности головного мозга. Такая мо- дель необходима для исследования об- ширного класса ситуаций с целью ус- тановления предельных возможностей нервного или гуморального звеньев интегральной физиологической регу- ляции. Она также характерна для не- которых терминальных состояний па- циентов. Математическое описание обобщенной модели Исходя из задач моделирования, основой математического описания взаимодействия организма с внешней средой является расписание балансных соотношений обмена субстратов между ними. Формально такое взаимодейст- вие можно свести к двум категориям преобразований. В первую категорию включим ассимиляционные процессы, состоящие в том, что организм берет из среды множество субстратов X{x1, x2, …, xm} и преобразует их в собственное множество субстратов Y{y1, y2, …, yn}. В связи с тем, что оператор этого преоб- разования известен лишь частично, существуют определенные проблемы и ограничения при моделировании. Во вторую категорию отнесем процессы диссимиляции, в результате которых часть субстратов Y{y1, y2, …, yn} распа- дается и возвращается в среду в виде Z{z1, z2, …, zk}. Введя дополнительные обозначения Mx, My, Mz для масс соот- ветствующих субстратов, взаимосвязь между массой организма My и осталь- ными переменными для некоторого отрезка времени τ можно записать так: My (t) = ∫ τ α [Mx (t) – Mz(t)] dt, (1) где константа α характеризует ско- рость обменных процессов. В условиях, когда dMx(t)/dt = 0, не- обходимое для поддержания функций организма взаимодействие со средой приводит к дефекту массы тела. Но для нас не менее важно знание внутрен- них потоков субстратов, следствием которых являются изменения масс от- дельных органов. К сожалению, этот процесс пока известен лишь на качест- венном уровне, поэтому при моделиро- вании неизбежны гипотезы и оценоч- ные суждения относительно количест- венных значений параметров, входя- щих в уравнения для описания рас- сматриваемых процессов. Для описа- ния этого рода процессов нужны ис- ходные рабочие гипотезы. На первых этапах моделирования в качестве ра- бочей гипотезы будем полагать, что ор- ганы забирают из артериальной крови необходимые субстраты с интенсивно- стью, пропорциональной их актуаль- ному метаболизму. Другая базовая ги- потеза состоит в том, что все процессы в клетках обратимы. Иначе говоря, клетка всегда находится под воздейст- вием двух противоположных сил: ее собственная потребность в ассимиля- ции субстратов находится в противо- речии с такой же потребностью всех остальных клеток – потребителей данного субстрата в организме. По- скольку описание химических преоб- разований даже на уровне отдельной клетки представляется чрезвычайно сложной вычислительной задачей, для решения которой используется не- сколько параллельно соединенных су- перкомпьютеров, необходимо найти более приемлемый способ моделирова- ния интересующих нас процессов. Этот поиск еще не завершен, но неко- торые подходы уже исследуются и бу- дут описаны в отдельной публикации. Здесь же заметим, что они привязаны к той структуре представления внут- ренних взаимосвязей в модели орга- низма человека, которая была приве- дена на рис. 1. Органная структурированность модели позволяет посредством описа- ния транспортной функции кровооб- ращения в замкнутой сердечно- сосудистой системе (ССС) заданные потоки субстратов из среды в орга- низм распределить по органам в соот- ветствии с их актуальными запросами. Концептуальное моделирование предметных областей 61 Пока рассматриваются проблемы адап- тивных перестроек в соответствии с гипотезами, описанными в [11]. Со- гласно им, в самом общем случае суть адаптации сводится к стремлению от- дельно взятой клетки минимизировать функционал рассогласования E(τ ) ме- жду приходом SI(t) и расходом SO(t) субстратов на некотором отрезке вре- мени τ : E(τ ) = ∫ τ [ SO(t) – SI(t)]dt. (2) Имеется множество параллель- ных путей адаптации с разными харак- теристиками их мощности и скорости, однако все они обязательно требуют структурных перестроек. В настоящее время не все механизмы структурных перестроек одинаково исследованы, тем не менее их можно разделить на две группы. К первой отнесем все процес- сы, связанные с энергообеспечением структурных преобразований, в то вре- мя как к второй – процессы, собствен- но обеспечивающие доставку и удале- ние самих «строительных материалов». Такая условность позволит нам посте- пенно и блочно ввести в модель описа- ние отдельных энергетических и суб- стратных компонентов адаптационного процесса, сохранив моделирующий комплекс функционирующим. Функция сердца представляется в виде генератора потока Q, зависяще- го от наполняющего венозного давле- ния Pv, частоты F и силы k сердечных сокращений: Q(t) = f [Pv(t), F(t), k(t)]. (3) Учитывая, что кардиоцикличе- ская динамика входящих в формулу (3) параметров нас не интересует, вид ап- проксимации нелинейной функции f будем определять как с учетом эмпи- рических квазистатических характери- стик [3—5], так и собственного опыта создания моделей насосной функции сердца [10]. Региональные потоки qi рассчитываются согласно формуле qi (t) = [ )()( tPtP a i a i − ] / Ri(t), (4) где Ri(t) – региональное сопротивле- ния сосудов; )(),( tPtP a i a i – соответст- венно значения артериального и ве- нозного давления в данной ветви, яв- ляющиеся некоей Wi функцией от зна- чения кровенаполнения V[Mi(t),Ni(t)], ненапряженного объема U[Mi(t),Ni(t)] и объемной жесткости D[Mi(t),Ni(t)] сосу- дистого участка. Pi(t) = Wi {V[Mi(t), Ni(t)], U[Mi(t), Ni(t)], D[Mi(t), Ni(t)}, (5) Ri(t) = G i[Mi(t),Ni(t)]. (6) В последних выражениях Mi(t) и Ni(t) соответственно представляют ак- туальный уровень метаболизма и ней- рогенные влияния. При выборе вида функций в формулах (5) и (6) будем исходить из принципа разумной доста- точности и основываться на накоплен- ном опыте моделирования [3, 4, 6, 8, 10]. Помимо этих базовых соотношений модель включает также формальное описание замкнутости ССС. При необ- ходимости изменения суммарного объ- ема крови в ССС вследствие фильтра- ционных процессов они будут также дополнительно включены в модель. В конечном счете местом прило- жения как экзогенных, так и эндоген- ных возмущающих воздействий явля- ется клетка. Будучи экзо- или эндоген- ными для целого организма, эти воз- действия для отдельной клетки муль- тиклеточного организма всегда прихо- дят извне, следовательно, являются эк- зогенными. Поэтому стратегия реаги- рования клетки должна быть генерали- зованной. Дифференциация, последо- вательность и выраженность развития адаптационных реакций обусловлены первичной локализацией угрозы и ве- личиной ее поражающей силы. Приведенные выше теоретиче- ские построения и примеры позволяют представить себе общую стратегию адаптивного реагирования организма на экзогенные или эндогенные угрозы. Ключевым понятием при этом является угрожающий дисбаланс между процес- сами синтеза и распада. Концептуальное моделирование предметных областей 62 В [11] было показано, что каждая клетка функционирует дискретно. В идеале каждая взрослая клетка (вне фаз размножения) стремится к ком- форту. Нетрудно убедиться, что ком- фортным является такой режим функ- ционирования, при котором процессы синтеза и распада уравновешены. В стабильной внешней среде и при от- сутствии проблем с питанием, т.е. на- ходясь в комфортном состоянии, клет- ка может существовать бесконечно долго. Однако реальные условия суще- ствования клетки далеки от комфорт- ного. Имеют место различные наруши- тели комфорта клетки, они всегда по- являются неожиданно. Поэтому, не имея возможностей готовиться к ус- кользанию от них или к их отраже- нию, клетка вынуждена бороться с по- следствиями. Схема, иллюстрирующая последовательность адаптационного реагирования организма на локальное поражение, представлена на рис. 2. Поскольку потенциальное поле подлежащих моделированию ситуаций довольно обширное, а в каждом кон- кретном случае будет своя специфика, имеет смысл обратить внимание на стратегию парирования внешних уг- роз. Чаще всего встречаются локаль- ные поражения, поэтому общая страте- гия самосохранения целостного орга- низма направлена на устранение не- благоприятных последствий повреж- дающего фактора локальными средст- вами. Лишь в случаях, когда локальные защитные механизмы оказываются не- адекватными повреждающим факто- рам, эффект последних распространя- ется шире и происходит постепенная генерализация ответа организма в рамках описанного Селье механизма стресса. Следовательно, предложенные модели должны учитывать локальные саморегуляторные механизмы восста- новления гомеостаза, принцип дейст- вия которых подчиняется общей схеме, изображенной на рис. 2. Заметим, что данная схема отно- сится к начальному этапу борьбы мно- гоклеточного организма с деструктив- ными процессами. Этот этап всегда предшествует более генерализованно- му ответу, известному как общий адап- тационный синдром Селье. Причем ге- нерализация может быть излишней, вообще говоря, она чаще бывает из- лишней, если локальные угрозы устра- няются местными регуляторными ме- ханизмами. К сожалению, нередко анализу начального этапа защиты ор- ганизма от агрессии не уделяется должное внимание, а основной акцент смещается в сторону стресса. Такой подход оправдан с медицинской точки зрения. Но нас больше должен интере- совать как раз этап борьбы организма с угрозами, когда состояние человека еще не доходит до тех, которые диаг- ностируются в соответствии с нозоло- гической классификацией. Именно та- кая локальная борьба в разных частях организма характерна для нормы и, на наш взгляд, обусловливает флуктуации состояния ЧО. Поэтому целесообразно Рис. 2. Общая схема развертывания локальных механизмов адаптации Концептуальное моделирование предметных областей 63 рассмотреть способ, которым пользует- ся отдельная клетка для минимизации своих потерь от внешнего вторжения. Эволюционно клетка выработала универсальный механизм для этого. Она старается синтезировать столько и тех веществ, сколько и каких утратила. Однако процесс клеточного синтеза является характеристикой ее актуаль- ных производственных возможностей и не привязан к темпу их расхода. Следовательно, в реальных условиях клетка всегда будет отставать. Если частота приложения внешней угрозы такова, что на определенном времен- ном интервале средний темп расхода превышает средний темп синтеза, то возникает явная угроза деструктивных процессов в клетке. Если действие внешнего фактора продолжается слишком долго, клетка может исто- щиться и погибнуть. Единственным способом противодействия подобной угрозе представляется наращивание темпов синтеза. Темп синтеза в клетке пропор- ционален температуре, количеству и производительности ее актуально ак- тивных митохондрий, количеству глю- козы, минералов и аминокислот в ин- терстициальной среде, кислороду. По- следние пропорциональны локальному кровотоку, количеству гемоглобина в крови, а также интенсивности легоч- ной вентиляции. Локальный кровоток зависит от давления крови и просвета капилляров. Для интенсификации восстано- вительных процессов клетка нуждает- ся в выделении большей энергии. Ли- митирующим фактором высвобожде- ния энергии макроэргов является ко- личество кислорода. Его недостаток приводит к увеличению доли анаэроб- ного процесса с накоплением недо- окисленных продуктов обмена веществ – лактата. Для удаления лактата включается первый контур адаптации клетки к неблагоприятным условиям: расширяются прекапилляры для уве- личения притока крови, а с ней и ки- слорода. Так как этот механизм ло- кального действия, а его природа хи- мическая, он имеет незначительную инерционность. Однако и мощность его тоже невелика. Увеличение облас- ти клеток, находящихся в неблагопри- ятных экологических условиях (недос- таток кислорода), повышение концен- трации лактата приведут к расшире- нию еще большего количества прека- пилляров. Поскольку перфузионное давление определяется давлением в резистивных сосудах – артериолах, снижение суммарного регионального сосудистого сопротивления приводит к снижению перфузионного давления в капиллярах и исчерпанию возможно- стей этого компенсаторного механиз- ма. Дальнейшая компенсация возмож- на несколькими путями. А. Увеличение системного арте- риального давления. Способ достиже- ния этой тактической цели состоит в повышении производительности серд- ца и увеличении тонуса сосудов. Су- ществует несколько путей для перево- да ССС на повышенный энергетиче- ский уровень. Во-первых, задействуя хеморецепторы. Известно, что практи- чески во всех сосудистых областях те- ла имеются специфические рецепторы, повышающие свою активность при из- менениях химизма крови. Примеча- тельной особенностью хеморецептор- ных рефлексов является то, что они вызывают генерализованное повыше- ние артериального давления независи- мо от локализации рефлексогенной зо- ны. Очевидная защитная функция та- кой реакции состоит в том, чтобы пу- тем интенсификации кровообращения вымыть продукты метаболизма с мест их чрезмерного накопления для их по- следующей нейтрализации или выве- дения из организма естественным пу- тем и обеспечить приемлемую эколо- гическую среду. Хотя прямых данных, указывающих на то, что и в этом слу- чае гуморальный контур должен по- тенцировать действие хеморецептор- ных рефлексов, нам пока не удалось найти в литературе, есть основания полагать, что либо сам лактат, либо его производные активизируют секрецию катехоламинов в надпочечниках. Во- Концептуальное моделирование предметных областей 64 вторых, в случае обширной дилятации капилляров падение системного арте- риального давления активизирует ком- пенсаторную барорефлекторную реак- цию, направленную на рост артериаль- ного давления. В-третьих, сокращение сосудов таких органов, как селезенка и печень, выполняющих также функции депо крови, высвобождает в сосуди- стое русло дополнительный объем кро- ви, повышающий артериальное давле- ние крови. Б. Увеличение легочной венти- ляции. Этот способ реализуется выбо- ром оптимального соотношения глуби- ны и частоты дыхания. Основными пу- тями регуляторной перестройки функ- ции легких тоже остаются нервный и гуморальный контуры. Приведенные выше два меха- низма адаптации являются достаточно быстродействующими, участвуют в по- вседневной деятельности. В [11] было показано, что, сколь бы быстрыми ни были адаптивные перестройки функ- ций, структурные изменения всегда предшествуют им. Организм использу- ет разные механизмы адаптации, раз- личающиеся как быстродействием, так и мощностью. Образно говоря, имеется глубоко эшелонированная оборона, и пока мы рассмотрели лишь первый. Наряду с достоинством у него есть также недостаток – он маломощен. Если, несмотря на активизацию ука- занных механизмов, негативный эф- фект на уровне клеток продолжает иметь место, вступают в силу адапта- ционные механизмы следующего эше- лона, более известные под названием структурной адаптации. Структурная адаптация сводится к построению но- вых производственных единиц, к уве- личению производительности каждой из них. Эти защитные механизмы представлены ниже. В. Увеличение производства ге- моглобина. Этот механизм относится к более медленным адаптационным про- цессам, для эффективного развития которого требуется от нескольких дней до месяцев. Г. Увеличение гладкомышечного слоя сосудов и массы сердечной мыш- цы, ее васкуляризации. Последняя приведет к росту сократительной спо- собности миокарда. В свою очередь утолщение стенок артерий изменяет чувствительность расположенных в них механорецепторов. В сочетании с адаптационными сдвигами в нейронах продолговатого мозга рабочая точка для уровня среднего артериального давления сдвигается в сторону больше- го давления. Д. Изменение водно-электроли- тического соотношения в пользу боль- шего объема плазмы крови. Е. Разрастание новых капилля- ров в пострадавшей области. Процесс этот достаточно инерционен, но без него регуляторные системы будут ис- пытывать напряжение. Таким образом, складывается определенное представление о страте- гии и тактике адаптивного реагирова- ния организма на кислородный недос- таток. Эта стратегия состоит в после- довательной активизации параллель- ных регуляторных контуров, направ- ленных на восстановление нарушенно- го комфорта клеток. Тактика реализа- ции состоит в использовании тех ме- ханизмов, которые доступны к данно- му моменту времени и к которым на- рушенная функция проявляет большую чувствительность Сказанное схематически пред- ставлено на рис. 3, где стилизованно показаны функциональные зависимо- сти между входными и выходными пе- ременными в каждой последователь- ной цепи данного контура обратной связи. Главная особенность приведен- ной схемы в том, что в центре регуля- торных процессов поставлена симво- лическая клетка. Естественно, иниции- руя регуляцию по местному признаку, каждая клетка стремится решить свои эгоистические потребности. Суммар- ный регуляторный эффект складывает- ся из локальных векторов потребно- стей и усилий каждой вовлеченной в этот процесс клетки. Концептуальное моделирование предметных областей 65 Рис. 3. Структурно-функциональная схема гомеостатического регулятора для достижения комфортных условий метаболизма клеток путем адаптивных перестроек в параллельных контурах иерархических регуляторов. Обозначения: CA – катехоламины; SN – симпатический эфферентный нерв; Br – барорецепция; F, k – частота и сила сокращений сердца; T – тонус сосудов; R – сопротивление сосудов; Pa и Pv – артериальное и венозное давления крови; Q – кровоток; L – лактат; Gl – глюкоза; Lip – липиды; Pr – протеины. Пустые прямоугольники обозначают различия в относительном вкладе каждого канала в интегральный процесс. Хотя детально был проанализи- рован только энергетический аспект системной регуляции нарушенного го- меостаза клетки, он показывает, на- сколько сложны взаимодействия в ие- рархически устроенном многоклеточ- ном организме. Наряду с необходимо- стью отслеживания энергетического гомеостаза, каждая клетка должна также активизировать свои регулятор- ные функции для адекватного отраже- ния других угроз со стороны клеток, постоянно стремящихся взять у своих соседей необходимые субстраты для удовлетворения собственных потреб- ностей. Несмотря на интенсивные иссле- дования, у цитологов и биохимиков до сих пор нет моделей, способных ис- черпывающе описать все этапы био- химических превращений, начиная с огромного количества исходных, отно- сительно несложных субстратов и за- вершая образованием свойственных каждой клетке специфических биоло- гических макромолекул. Некоторые ас- пекты этого процесса, связанные с вод- но-электролитическим гомеостазом, исследованы лучше и разработаны раз- личной сложности математические мо- дели [4, 8, 9]. Другие же известны в самых общих чертах. С детальным опи- санием клетки как биохимического преобразователя связываются большие надежды в медицине. Знание сущест- венных этапов этих превращений по- зволило бы заменить современные тех- нологии грубого противодействия бо- лезнетворным агентам с помощью мас- сированного лекарственного воздейст- вия на действительно эффективные управляющие воздействия, в основе Концептуальное моделирование предметных областей 66 которых лежат отдельные звенья про- цессов регуляции, на которые доста- точно повлиять тонким адресным при- менением специфических стимулято- ров и ингибиторов в микродозах. Часть этих взаимосвязей является предметом наших исследований, конечная цель которых – построение комплексной модели целостного организма человека. Общие требования к программно- моделирующему комплексу Основное назначение создавае- мого комплекса моделей сводится к предоставлению исследователю опре- деленного круга потенциальных воз- можностей для проведения имитаци- онных экспериментов на персональном компьютере. Целью экспериментов яв- ляется стремление предоставить иссле- дователю возможность наглядно уви- деть и понять причинно-следственные соотношения в норме, а также для списка заданных ситуаций. В связи с этим существенны требования к ин- терфейсу пользователя (ИП). Для удоб- ства проведения компьютерных ими- тационных экспериментов и анализа их результатов ИП должен быть доста- точно дружественным и функциональ- ным. Поскольку комплексная модель представляет широкую гамму ситуа- тивных моделей, основная проблема состоит в подготовке нужной модели. Процесс подготовки должен осуществ- ляться в интерактивном режиме взаи- Рис. 4. Общий вид интерфейса пользователя, обеспечивающего подготовку, проведение компьютерных имитационных исследований и анализ их результатов в среде специали- зированного программно-моделирующего комплекса. Приведен пример для исследова- ний поведения гетерогенной популяции клеток Концептуальное моделирование предметных областей 67 модействия пользователя с исходной моделью. Последовательные шаги в направлении сужения круга возмож- ных моделей до выбора типа модели и ввода характеристик ее параметров должны заканчиваться автоматической генерацией искомой модели. По за- вершении этого этапа формируются задания на имитационный экспери- мент и формы представления его ре- зультатов. На рис. 4 приведен пример, иллюстрирующий ход выбора кон- кретной модели, ее параметрическую настройку, а также графическое пред- ставление результатов имитационного эксперимента для анализа. В связи с тем, что для удовлетво- рения своих актуальных потребностей каждая клетка конкурирует со всеми остальными, есть необходимость ими- тационного моделирования склады- вающихся при этом типичных ситуа- ций. Детальное описание создаваемых с этой целью частных моделей будет предметом специальных публикаций. Здесь же дается общая характеристика предложенного подхода, который за- ключается в том, что объектом моде- лирования являются трансформации первоначально гомогенной в функцио- нальном отношении популяции клеток в гетерогенную. Это позволяет охарак- теризовать вариабельность состояния мультиклеточного органа, возникаю- щую вследствие широких изменений распределения во времени производи- тельности клеток разной пространст- венной локализации. А это уже основа для понимания и количественного опи- сания флуктуаций состояния целостно- го организма. 1. Григорян Р.Д., Пономарев А.А. Концепция адаптивного компьютера // Праці І Міжн. наук.—практ. конференції з програмуван- ня. – Київ.: Ін-т кібернетики ім. В.М. Глуш- кова НАНУ, 1998. – С. 468—475. 2. Leathely B.A. Human—computer interaction in safety crytical systems // Qual. and Reliab. Int. – 1995. – Vol. 11, №6. – P.429—433. 3. Guyton A.C., Coleman T.C., Grander H.J. Cir- culation: overal regulation // Ann. Rev. Physi- ol. – 1972. – Vol. 34, №6. – P. 1072—1114. 4. Теоретическое исследование физиологиче- ских систем: Математическое моделирова- ние / Н.М. Амосов, Б.Л. Палец, Б.Т. Агапов и др. – Киев: Наук. думка, 1977. – 245 с. 5. Guyton A.C., Coleman T.C., Manning B.D. Some problems and solutions for modelling overal cardiovascular regulation // Math. Biosc. – 1984. – Vol. 72, №4. – P. 141—155. 6. Kunstaetler R. Intelligent physiologic model- ling: an application of knowledge based sys- tems technology to medical education // 10-th Annu. Amer. Simp. Comput. Appl. Med. Care: Proceedings. – Washington, 1986. – P. 381. 7. Chizeck H.J. Modelling, simulation and control in a datarich environment // Comput. Meth. Progr. Biomed. – 1987. – Vol. 25, №2. – P. 135—146. 8. Инженерная физиология и моделирование систем организма / Под ред. В.Н. Новосель- цева. – Новосибирск: Наука, 1987. – 233 с. 9. Лищук В.А. Математическая теория крово- обращения. – М.: Наука, 1991. – 256 с. 10. Grygoryan R.D., Kochetenko E.M. Informa- tional technology for modelling of fighters medical testing procedures by centrifuge ac- celerations // Selection &Training Advances in Aviation: AGARD Conference Proceedings 588; Prague, May 25—31, PP3, 1996. – P. 1—12. 11. Григорян Р.Д. Симбиотическое усложнение организмов: адаптация и гомеостаз. – Ки- ев, 2003. – 22с. – (Препр./ НАН Украины. Ин-т программных систем; 2003-01). Получено 26.02.2003 Об авторе Григорян Рафик Давидович, доктор биологических наук, заведую- щий отделом Место работы автора: Институт программных систем НАН Украины, г. Киев Тел.: (044) 266 5169

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА: КОНЦЕПЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Репозитарії

Схожі ресурси