Системный компартментно-кластерный анализ и синтез в биомедицинских исследованиях параметров организма человека на Севере РФ

Статья

Раздел VI

РЕДАКЦИОННЫЙ ПОРТФЕЛЬ

УДК 612.28

СИСТЕМНЫЙ КОМПАРТМЕНТНО-КЛАСТЕРНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ В БИОМЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ПАРАМЕТРОВ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА НА СЕВЕРЕ РФ

В.И. АДАЙКИН, И.Ю. ДОБРЫНИНА, В.М. ЕСЬКОВ, С.И. ЛОГИНОВ*

В настоящее время группой сургутских и тульских медицинских кибернетиков разработаны новые методы и представления в рамках компартментно-кластерного анализа и синтеза биосистем, которые базируются на теории хаоса и синергетики. Эти методы и подходы открывают новую страницу в изучении биологических динамических систем, к которым относятся как биосистемы организма отдельного человека, так и целых сообществ. При этом установлено, что вектор состояния организма человека (ВСОЧ) на Севере РФ по динамике движения отличается от динамики ВСОЧ для человека средней полосы РФ. Это отличие фиксируется и в размерах и др. параметрах аттракторов ВСОЧ в фазовом пространстве состояний, и в уровне коэффициента синергизма, в особенностях протекания патологии и т.д.

Именно синергетический подход в рамках нового направления (синергетического) в клинической кибернетике обеспечивает идентификацию и параметров порядка, и русел для ВСОЧ в условиях саногенеза или патогенеза. Новая трактовка понятий и методов требует нового осмысления соответствий между старыми подходами (детерминистским и стохастическим) и новым, синергетическим подходом. Именно об этом и пойдет речь в настоящем сообщении. Причем мы не только представляем теорию и методы, но и применяем их для изучения особенностей саногенеза в условиях Севера РФ. А то, что такие особенности существуют, нами установлено на примерах изучения саногенеза человека в условиях проживания на территории Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО-Югры). Жители подвергаются действию экофакторов среды, которые также имеют хаотическую динамику. Суперпозиция хаотической динамики экофакторов и сложной синергетической системы управления биологических динамических систем (БДС) человека ведет к необычной динамике поведения ВСОЧ для жителей Югры.

Соотношение между синергетикой и компартментно-кластерным анализом и синтезом в теории саногенеза и патогенеза. Как уже отмечалось в ряде публикаций [1-4, 6] вторая половина XX века закончилась возникновением новой парадигмы в естествознании. На смену классическому детерминистскому подходу, в котором каждая переменная имела определенный физический (химический, биологический и т.д.) смысл и определялась первоначально из явной феноменологии, приходит другой подход, основанный на понятии хаоса и синергетики. Сначала этот подход возникал из термодинамики неравновесных систем, которой активно занимался в 40-60-х годах нобелевский лауреат Илья Пригожин, заложивший основы синергетики [5].

Однако постепенно ученые в области теории хаоса и синергетики перешли от рассмотрения чисто физических и технических задач к задачам медико-биологического профиля. Именно здесь возникло особое понимание сложности и неустойчивости многих процессов, происходящих в живой природе. Представления Л. фон Берталанфи об изоморфизме БДС (логических гомологиях) переросли в науку синергетику, основы которой закладывал и И.Пригожин, и Г.Хакен в 50-60х годах 20-го столетия.

Только в живых объектах мы имеем огромное многообразие форм (морфология) и видов взаимодействия на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях. И все эти взаимодействия обеспечивают хаотичность и одновременно определенную стабильность для клетки многоклеточного организма, популяций и биосферы в целом. Как это все происходит, по каким законам и правилам? На этот вопрос однозначного ответа мы дать не можем даже сейчас, хотя синергетика уже

развивается пятый десяток лет [5, 9]. Однако в этом многообразии существуют общие закономерности, обеспечивающие такую удивительную устойчивость и надежность биосистем. Эта загадка кроется в двух базовых свойствах любой биологической системы. Во-первых, любая биосистема имеет огромную степень запараллеливания своих структур, подсистем, элементов. Во-вторых, все эти подсистемы и микроструктуры работают по принципам самоорганизации и кооперации между собой, т.е. в рамках изоморфизма, о котором так много писал Л. фон Берталанфи [6,7]. В природе практически ничего нет единичного. Любой орган состоит из множества клеток, любая популяция состоит из многих индивидуумов (экземпляров). И как только численность таких элементов, входящих в сообщество, начинает приближаться к единице, так надежность системы, ее жизнеспособность начинает резко ухудшаться. Риск выжить или погибнуть у одной клетки или у одного организма очень велик. Вот почему сейчас за счет увеличения численности представителей вида Homo Sapiens (HS) на сегодняшний день количество превосходит в качество, накапливается полезная информация (наука!), повышается устойчивость выживания всего человечества, расширяется ареал его обитания (космос!). Такое понимание базовых гносеологических принципов в биологии и медицине начало происходить не только с появлением работ И. Пригожина и его коллег, но и с появлением работ Германа Хакена. Именно этот ученый впервые в биологии сформулировал ряд положений, которые существенно отличались от существовавших до него правил и понятий. Принципы организации живой природы Г. Хакен изложил в виде некоторой таблицы, которая сделала настоящий методологический переворот в биологии и медицине и до понимания которой в ее массовом аспекте мы еще не дошли и вряд ли дойдем в ближайшие годы [5-6, 9].

Последнее объясняется тем, что и в биологии, и в медицине продолжает господствовать факториальный, феноменологический подход, основанный на детерминистском восприятии природы, а в лучшем случае - на использовании некоторых стохастических методов познания биосистем. Вместе с тем подходы, развиваемые И. Пригожиным, Г. Хакеным и их последователями, в корне отличаются от таковых, принятых в современной биологии и медицине. Рассмотрим этот тезис более наглядно.

В одном из своих фундаментальных трудов «Принципы работы головного мозга» [9] Г. Хакен определил существенное различие между традиционным детерминистским подходом и новым, активно развивающимся синергетическим. Эти различия проявляются опять-таки в виде реализации двух основных принципов, указанных выше, но они относятся к различным биологическим системам. Последние должны иметь столь высокий уровень запараллеливания и самоорганизации (кооперации), что бы хаос бытия любой биосистемы не привел бы ее к фатальному концу и изоморфизм в эволюции любой клетки (организма) был бы неизбежен, как и сама смерть любого организма. В основе таблицы различий между синергетическим и детерминистским подходами лежат ответы на кардинальные вопросы естествознания. Например, сколько элементов (молекул, клеток, организмов в популяции) нужно вывести из строя (изъять, уничтожить) что бы биосистема вышла из строя? В детерминистском подходе бывает достаточно вывести из строя один элемент и система уже не будет работать. Например, в ЭВМ достаточно вывести из строя один транзистор, одну микросхему, один резистор, и цифровая ЭВМ прекратит работу. Это классический пример последовательно организованной системы, когда гибель одного элемента прерывает цепочку событий. В силу этого принципа человечество, ученые так старательно изучали работу отдельных элементов биосистемы, морфологию частей различных организмов, составляли морфологические атласы, что бы понять принципы работы всей системы. Это все сейчас противоречит основному принципу системного анализа и синтеза, т.к. познание системы как целого нельзя осуществить только путем анализа ее частей (блоков).

* СурГУ

В.И. Адайкин, И.Ю. Добрынина. В.М. Еськов и др.

В рамках старого традиционного подхода очень важно было знать структуру объекта, чтобы детерминировано говорить о его функциях. Однако Г. Хакен говорит о другом. В его таблице соответствия (табл.) мы видим, что в синергетике надо работать не с отдельной клеткой, а с их совокупностью (органом, ФСО). Вместо жесткой программы (алгоритма) мы должны обеспечить самоорганизацию элементов. Вместо последовательной обработки сигнала мы должны использовать и принципы запараллеливания, но и не отвергать последовательную обработку информации. Однако самое главное в синергетике (и это то новое, что она дала принципиально) - это исследование поведения биосистем вблизи границ потери устойчивости. Именно в таких областях мы говорим о возникновении бифуркаций рождения циклов. Причем возникающие частоты колебаний то2,...топ могут по неизвестным причинам резко увеличивать свое количество. В пределе может быть п^-ад и мы говорим в этом случае о возникновении хаоса в биосистеме (это второе классическое определение поведения БДС в хаотических режимах).

В классическом определении хаоса фигурируют и другие понятия, когда знание начальных параметров системы (при 1=0) не определяет дальнейшее ее развитие и (или) ее конечное состояние. Именно для такого определения вводились методы оценки степени хаотического поведения систем. Например, экспонента Ляпунова или известный энтропийный подход. Однако в хаосе за счет самоорганизации элементов может происходить структурирование, возникновение новых функций системы. Более того, движение системы может происходить в ограниченных объемах фазового пространства состояний [1-4, 6, 8]. В медицине под последним мы будем понимать евклидовы пространства размерностью т, по координатным осям х, которого отложены значения диагностических признаков. Именно с этими признаками (биохимические показатели крови, температура тела, артериальное давление и т.д.) и сталкивается врач в своей работе.

Таблица 1

Сравнение традиционных и синергетических интерпретаций функций мозга

Традиционные понятия Синергетические понятия

1. Одиночная клетка. Сеть клеток.

2. Отдельный элемент. Ансамбль элементов.

3. Клетка, идентифицирующая нашу бабушку. Коллектив клеток, идентифицирующих нашу бабушку.

4. Ведущая клетка. Коллектив ведущих клеток.

5. действия локализованы. Действия делокализованы.

6. Энграмма. Распределенная информация.

7. Запрограммированный компьютер. Самоорганизация.

8. Алгоритм. Самоорганизация.

9. Последовательная обработка информации. Параллельная и последовательная обработка информации.

10. Действие определяется детерминистическими событиями. Действие определяется детерминистическими и случайными событиями.

11. Функционирование устойчиво. Функционирование вблизи потери устойчивости.

Такая трактовка основных понятий синергетики и ее отличие от детерминистского подхода у Г. Хакена основывается на работе нейронных сетей мозга. Это произошло не случайно из-за хаотической организации связей между нейронами и из-за того, что именно нейросети мозга (ЦНС) осуществляет общее управление всеми остальными системокомплексами, основными функциями организма человека. Если будут сбои в работе ЦНС, то наступят сбои в работе всего организма.

Поэтому становится чрезвычайно важным для медиков и биологов понимать работу нейросетей мозга, чтобы понимать работу всего организма человека. С этих позиций и становится понятным важность изучения особенностей церебро-вакулярных патологий, неврологических заболеваний вообще, которые вызывают расстройство в работе многих системных регуляторных функций организма. Это приводит к общей потери синергизма (кооперации) в организме и летальному исходу [4, 6]. Однако, не только эти две причины (хаотичность связей между нейронами и важность работы нейросетей в организации общей системы управления всеми функциями организма, которую мы назвали фазатоном мозга - ФМ) послужили отправным пунктом в изучении синергетики биосистем на основе теории нейросетей мозга. Нейросети являются классическим примером объекта с огром-

ным запараллеливанием и высокой самоорганизацией. Нейросети мозга из-за этих свойств имеют очень высокую надежность.

Уже в расцвете сил человек (20-30 лет) начинает терять огромное количество нейронов, а к старости этот процесс приобретает катастрофические размеры. Но человек не становится идиотом, и известно очень много примеров, когда пожилые люди делали открытия, создавали новые теории и великолепно руководили государством. Все это происходит за счет высокого запараллеливания и самоорганизации нейросетей мозга.

Однако нейросети мозга обладают еще одним (пятым) уникальным свойством. Это связано с тем, что структуры, обеспечивающие конкретные функции, могут быть строго не локализованы. Например, долгое время считалось, что дыхание обусловлено работой небольшого участка мозга в области дыхательного центра (область писчего пера), а хеморецепция осуществляется другими специализированными структурами. Сравнительно недавно мы стали выяснять, что в организацию дыхательной ритмики вовлечены и ряд других структур (комплекс Бетцингера, например), а хеморецепция осуществляется и самими дыхательными нейронами. Самоорганизация дыхательной нейронной сети имеет диффузную (топографически разбросанную) организацию. Дыхательная нейронная сеть не локализована жестко [2, 6, 9].

При разрушении некоторых участков такой дыхательной нейросети, другие нейроны (молчащие доселе) начинают работать в ритмическом режиме, т. е. берут на себя функции дыхательных нейронов. В этом и заключается высокая степень синергизма и запараллеливания в работе нейросетей мозга. Аналогичные примеры можно бы было привести не только с регуляцией висцеральных функций, но и с работой памяти, мышления, любых видов действия мозга как центрального регулятора.

Роль компартментно-кластерного анализа в биомедицинских исследованиях. Компартментно-кластерный анализ и синтез имеет свою историю возникновения и развития. Однако он эволюционирует параллельно развитию синергетики, и сейчас наступило время для объединения этих наук. Все базовые принципы синергетики биосистем, представленные Г. Хакеным (табл.) применимы и в компартментно-кластерной теории биосистем (ККТБ). В ККТБ основным элементом является компартмент, т. е. совокупность элементов, которые могут быть морфологически не идентичны, разнородны, но которые выполняют общие функции. Именно этот принцип (работаем не с общим элементом а с некоторой совокупностью, ансамблем, пулом, компартментом, который выполняет некоторую общую функцию) был положен и в основу теории функциональных систем П.К. Анохина.

В этой связи работы П. К. Анохина можно назвать фундаментальными и пионерскими в области синергетики для различных функциональных систем организма человека и млекопитающих. Именно системный принцип и работа на конечный результат (изоморфизм по Л. фон Берталанфи) в синергетике объединяет единичные элементы в систему, которую Г. Хакен назвал ансамблем, П.К. Анохин - ФСО, а в ККТБ мы обозначаем как компартмент или кластер. Под последним мы понимаем объединение компартментов для выполнения определенной функции организма. Мы говорим о компартментно-кластерной организации нейронных сетей дыхательного центра или о кластерной организации работы КРС, НМС, НТС или даже всего ФМ.

То, что все эти теории и подходы (синергетика, ККТБ и теория ФСО П.К. Анохина) возникли почти одновременно и развивались параллельно друг другу - это не случайность, а закономерность. Человечество подошло с разных позиций, с разных наук к пониманию базовой парадигмы естествознания -мир хаотичен по своей природе а биосистемы существуют только за счет запараллеливания и высокой самоорганизации. Последняя может распадаться произвольно, опять организовываться, и в этом заключена большая устойчивость органического мира [1, 2,

5, 9]. Однако, чем привлекательна ККТБ для естествознания и медико-биологических наук в частности? ККТБ - это формализованная, математическая наука с хорошо развитым метематиче-ским аппаратом, она теоретическая наука и может составить основу биологической феноменологической науке. ККТБ вплотную подошла к решению задач количественного определения степени синергизма в биосистемах, к определению интервалов устойчивости БДС, теоретическому описанию и прогнозированию русел, параметров порядка и областей джокеров, что составляет основу синергетики и теории хаоса.

Последние две задачи не решаются формальным образом в рамках некоторых общих правил. Обычно ученые имеют модель процесса, и в рамках исследования модели они уже могут говорить об устойчивости БДС. С синергизмом проблема гораздо более сложная. В рамках же ККТБ такие задачи могут быть

Краткое сообщение

формально (алгоритмизируемо) решены при изучении динамики поведения биосистемы непосредственно. Для понимания механизмов такого решения рассмотрим более подробно основные постулаты и принципы, лежащие в основе ККТБ, ибо без их изучения рассматривать остальные вопросы будет трудно.

В рамках ККТБ возможно решать целый ряд принципиальных задач в области теории хаоса и синергетики. Это относится к новым методам идентификации параметров порядка и областей джокеров для БДС. Для рассмотрения этих методов надо представить смысл этих основных понятий. Необходимо понимать, что такое русла, параметры порядка, джокеры и аттракторы поведения ВСОЧ в норме и при патологии. Классический детер-министкий подход, используя феноменологические данные, всегда оперировал с параметрами порядка и руслами. Если детерминистская модель в данных условиях, на данном интервале времени I достаточно удачно описывает и прогнозирует динамику поведения биосистемы, то ее переменные XI должны составлять параметры порядка, а размерность к фазового пространства состояний, в котором определяется ВСОЧ, и будет тем самым искомым подпространством, в котором определяется русло.

Однако такой детерминистский подход не дает возможности идентификации моментов возникновения областей джокеров, т.е. таких условий, в которых ВСОЧ системы х=х()=(хХ2,..., Хк)т может значительно изменять свою размерность, т.е. к^т. Более того, изменение размерности фазового пространства делает уже ненужной исходную модель. Она выбрасывается на свалку, и детерминистская теория перестает работать, русла закончились, параметры порядка стали другие. Для детерминизма это крах, т.к. надо создавать новые модели и новые теории. В этом суть детерминистских ограничений, ограниченность всего детерминистского подхода при исследовании такой высокосинергичной и одновременно хаотичной системы, как организм человека.

Если не ограничиваться рамками одной модели, а говорить, что моделей может быть много и важен только метод, с помощью которого мы идентифицируем это множество моделей, если не ограничивать размерность пространства к в котором строятся эти модели, а говорить что размерность может быть любой, вплоть до очень больших значений т (к<<т), наконец, если не ограничиваться спецификой свойств элементов, образующих биосистему, их морфологическими особенностями, не говорить, что только эти клетки, находящиеся только в этих морфологических структурах могут обеспечить те или иные функции, то мы уже начинаем приближаться к синергетическому подходу. Именно в синергетике все эти требования «если» могут выполняться постоянно.

Бифуркации рождения циклов и переход в область хаоса или странных аттракторов - это для синергетики обычные процессы. Она занимается теорией катастроф, переходом от стабильных или метастабильных состояний в область хаоса или аттракторов. При этом очень важно для синергетики на данном интервале времени t и в данной области пространства <Зу (dv=dxdydz) определиться с параметрами порядка Х1(1=1,...,к), с руслами (правилами поведения XI в фазовом пространстве состояний) и попытаться определить области джокеров, когда динамики поведения вектора состояния системы х=х(1) усложняются, изменяется размерность фазового пространства (переходим от к к т).

Все вышеперечисленные три условия (нет жесткости в самой модели, а есть метод ее новой идентификации, нет ограничения на размерность фазового пространства и не имеет значение морфология и свойства отдельного элемента, входящего в пул, ансамбаль, компартмент) входят составным элементом в базовые принципы построения ККТБ. Именно в рамках компартментно-кластерного подхода можно оперировать детерминистскими моделями (математический аппарат), но работать в рамках базовых принципов синергетики и теории хаоса. Именно ККТБ может являться тем мостом, который перебрасывается из области детерминизма в область хаоса и синергетики. При этом мы имеем динамические модели в пределах заданных погрешностей.

Если БДС находится не в динамическом режиме (переходные процессы, то тогда можно оперировать параметрами аттракторов поведения биосистемы. Это в полной мере относится к динамике поведения ВСОЧ. До недавнего времени считалось, что БДС в стационарном режиме (СР) подчиняется обычным статистическим закономерностям. Для них определялись параметры функции распределения, мода и медиана, дисперсия и пр. Все больше исследователей приводят доказательства хаотического поведения, например, ВСОЧ в фазовом пространстве состояний.

Мы все чаще говорим о хаотической динамике в работе регуляторов частоты сердечных сокращений (ЧСС) или о хаотической динамике непроизвольного тремора, о хаосе в биохимических показателях и многих других компонент ВСОЧ. Нами обнаружены очень интересные закономерности, когда для

ружены очень интересные закономерности, когда для человека в норме или при патологии степень разброса х! вокруг среднего резко увеличивается. Точнее сказать при патологии или при сильной степени патологии число измерений, выходящих за пределы трех сигм, резко увеличивается. До недавнего времени, в рамках стохастического подхода на такие артефакты не обращали внимания: результаты, выходящие за пределы 3-х сигм просто отбрасывались. Теперь же их берем за один из признаков хаотической динамики поведения ВСОЧ. Именно увеличение такого артефактного разброса, выхода за пределы трех сигм, нам может говорить о том, что БДС переходит в другой режим, становится другой, более хаотической, теряет степень синергизма.

Такой синергетически-хаотический подход позволяет по-новому оценивать динамику поведения ВСОЧ путем анализа параметров аттракторов, их размер в многомерном фазовом пространстве признаков, координаты их стохастических и геометрических центров, степень отклонения от гауссовского распределения и приближения параметров ВСОЧ к хаотической динамике [3-4, 6]. Все это дает информацию для исследователей, для практических врачей, которые могут исследовать различные ФСО человека в норме и при патологии.

Литература

1. Еськов В.М. и др. // ВНМТ.- 2005 - Т. XII, №1.- С.12-14.

2. Еськов ВМ. и др. Системная трактовка понятия фазатона мозга человека применительно к норме и патологии // ВНМТ.-2005 - Т. XII, №1.- С.14.- 16.

3. Еськов В.М. и др. Системный анализ, управление и обработка информации в биологии и медицине. Часть IV. Обработка информации, системный анализ и управление. Монография.-Тула: Изд-во ТулГУ. 2003.- 203 с.

4. Еськов ВМ. и др. Экологические факторы Ханты-Мансийского автономного округа: Часть II. Безопасность жизнедеятельности человека на Севере РФ.- Самара: Офорт, 2004.

5. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного.- М.: Изд-во УРСС, 2003.- 342 с.

6. Системный анализ, управление и обработка информации в биологии и медицине. Часть VI. Системный анализ и управление гомеостазом организма в норме и при патологии в аспекте компартментно-кластерного подхода. / Под ред. Хадарцева А.А., Еськова В.М.- Самара: Офорт (гриф РАН), 2005.- 157 с.

7. Системный подход в современной науке (к столетию Людвига фон Берталанфи).-М.: Прогресс-Традиция, 2004.-560 с.

8. Скупченко В.В., Милюдин Е.С. Фазотонный гомеостаз и врачевание.- Самара: СамГУ, 1994.- 256 с.

9. Хакен Г. Принципы работы головного мозга.- М.: Регёе., 2001.- 352 с.

УДК616-036.12

ИЗУЧЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕННОСТИ ОСНОВНЫХ ХРОНИЧЕСКИХ НЕИНФЕКЦИОННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ У ЖЕНЩИН УЗБЕКИСТАНА В СВЯЗИ С МОДИФИЦИРУЕМЫМИ ФАКТОРАМИ РИСКА

М.М. МИРСАЙДУЛЛАЕВ, Н.С. МАМАСАЛИЕВ, Н.Д. КАСЫМОВА*

Результаты крупных эпидемиологических исследований подчеркивают, что необходимо не только дальнейшее изучение различных факторов риска развития основных хронических неинфекционных заболеваний (ОХНЗ), но и выяснение роли низких и высоких уровней «главных» факторов риска (ФР) в развитии ОХНЗ и «конечных точек» от них, что будет иметь прямое отношение к планированию мероприятий по первичной, вторичной и третичной профилактике ОХНЗ [1—7].

Цель - изучение распространенности ОХНЗ у женщин г. Андижана в связи с факторами риска при проведении одномоментных эпидемиологических исследований без активного вмешательства отдаленного прогноза больных ОХНЗ.

В числе ОХНЗ учитывали обструктивные болезни легких, хронические гастродуоденальные заболевания и патологии мочевыводящих путей. Т.к. данная работа является частью комплексного эпидисследования, проводимого в Андижанском мединституте, мы изучали ОХНЗ в целом. Такой подход к решению науч-

* Андижанский и Наманганский филиалы РНЦЭМП, Андижанский Государственный медицинский институт, Узбекистан