ed7cec22_biokibernetika

Чтобы перейти от количества препарата в крови m к его концентрации C(t), разделим обе части уравнения (40) на объем V, в котором распределяется препарат:

Отсюда следует, что для достижения постоянной концентрации препарата c* скорость его введения должна равняться

c*, определяемая ее членом e k5t , не зависит от скорости его введения. Она задается только константой выведения k5 . Из этого следует, что для быстрого достижения постоянной концентрации препарата в крови c* нужно сочетать непрерывное введение его с начальным разовым введением нагрузочной дозы mH . В этом случае уравнение (41) запишем в виде:

31

Тогда из (44) и (45) получим:

Q c*V m*H , k5

где m*H - нагрузочная доза, необходимая для создания постоянной концентрации препарате в крови мгновенно. Таким образом, для мгновенного создания концентрации c* препарата в крови нужно ввести нагрузочную дозу mH , а затем продолжить введение препарата со скоростью Q c*Vk5 . Этот вывод, полученный при рассмотрении модели,

был подтвержден экспериментально.

Более сложные фармакокинетические модели учитывают влияние всасывания препарата, его метаболизм, перенос и накопление в органе - мишени и т.д.

3. Биологическая кибернетика.

3.1. Классификация биокибернетики. Особенности биокибернетических систем.

Биологическая кибернетика – это научное направление, в котором идеи, методы и технические средства кибернетики применяются к биологии. Биологическая кибернетика изучает организацию и управление в биологических объектах главным образом с точки зрения происходящих при этом процессов восприятия, передачи и переработки информации. Биологическую кибернетику можно разделить на теоретическую и практическую. Основная задача теоретической биокибернетики – изучение общих вопросов управления, получения, хранения, переработки и передачи информации в живых системах. Практическая биокибернетика занимается моделированием структуры и поведения биологических систем. Частью этого направления является конструирование искусственных систем, воспроизводящих деятельность отдельных органов, их внутренние связи и внешние взаимодействия. Биологическая кибернетика изучает специфические для животных общие принципы и конкретные механизмы целесообразного саморегулирования и активного взаимодействия с окружающей средой. Биологическая кибернетика изучает явления жизни с точки зрения происходящих в живых системах:

1)процессов самоорганизации систем;

2)информационных процессов;

3)процессов управления.

Биологические кибернетические системы – это сложные и очень сложные, вероятностные, открытые системы, обменивающиеся с внешней средой веществом, энергией и информацией Биологические кибернетические системы имеют ряд специфических особенностей, характеризующих жизнь, а именно: способность к росту и размножению, самообновлению и эволюции. Кроме того биокибернетические системы отличаются от других кибернетических систем:

Вариабельностью элементов. В частности биологические системы отличаются вариабельностью элементов даже в аналогичных системах, что проявляется,

например, индивидуальными отличиями в деталях строения и физиологических параметрах однотипных организмов.

 Высокой динамичностью. Для них характерны непрерывные изменения функционального состояния, что обусловлено необходимостью постоянного приспособления к изменяющимся условиям внешней среды. С этим связано непрерывное регулирование, происходящее на всех уровнях и во всех звеньях системы в процессе жизнедеятельности организма.

32

Сложностью. Они имеют сложную структуру с большим количеством подсистем и составляющих их элементов с разнообразными связями между ними. В порядке возрастания сложности и соподчинения условно выделяют следующие

уровни биологических систем:

а) субклеточный, б) клеточный, в) тканевый,

г) уровень органов и функциональных систем, д) организм как целое, е) биоциноптический уровень.

Надежностью, обеспечиваемой высокоразвитой способностью к регенерации при различных повреждениях, а также постоянным самообновлением структурных элементов системы.

Биологическую кибернетику подразделяют на медицинскую, физиологическую, психологическую, нейрокибернетику. Кроме того выделяют еще одно направление, появившееся сравнительно недавно – бионику.

Медицинская кибернетика – направление кибернетики, изучающее проблемы организации и управления в медицине и здравоохранении. Она занимается моделированием заболеваний и использованием моделей для диагностики, прогнозирования и лечения.

Физиологическая кибернетика изучает структурную и функциональную организацию а также регулирование и управление в организмах животных и человека на уровне клеток, органов и их систем в норме и патологии. В физиологических системах наблюдаются все виды регулирования: стабилизирующее, регулирование по заданной программе, прогностическое, оптимальное и адаптивное. Однако наиболее замечательным свойством этих систем является высокоразвитая способность целесообразного саморегулирования, самоорганизации и самосовершенствования.

Нейрокибернетика изучает организацию и управление в нервной системе высших животных и человека преимущественно с точки зрения происходящих при этом процессов восприятия, хранения, передачи и преобразования информации. Информация, поступающая из внешней среды (а также из внутренней среды самого организма) в форме различных раздражений воспринимается нервными рецепторами и кодируется в форме импульсов возбуждения, которые передаются по нервным проводникам. В основные задачи нейрокибернетики входят: 1) изучение свойств нервной клетки (нейрона) и нейронных ансамблей (сетей) и механизма переработки в них информации; 2) моделирование и изучение рецепторных систем (органов чувств); 3) моделирование отдельных функций головного мозга (распознавание образов, образование понятий и эмоций, памяти и т.д.).

Психологическая кибернетика моделирует психику на основе изучения поведения человека. В частности она изучает взаимодействие подсистем мозга при формировании поведения и др.

Бионика занимает промежуточное звено между биологической и технической кибернетикой. Бионика – это наука об использовании моделей биологических процессов и механизмов в качестве прототипов для совершенствования и создания новых технических устройств.

3.2. Системный подход к явлениям жизни.

Живые существа представляют собой многоуровневые сложноорганизованные системы, способные к самообучению, самоорганизации и т.д. Существование биологических систем обеспечивается рядом процессов – обменом веществ, химическими

33

реакциями синтеза и разложения, совокупностью физико-химических процессов, обеспечивающих и передачу информации.

Живые системы можно рассматривать на разных уровнях и в разных плоскостях системного анализа. Организация биологических систем имеет многоуровневый (иерархический) характер. Представим схему уровней организации живого организма, каждый из которых является одновременно и элементом, и системой, образованной из элементов предшествующего уровня.

Элемент биоценоза

Вид

Система организмов

Элемент вида Организм

Система органов

Элемент организма Орган

Система клеток

Элемент органа

Клетка

Система органелл

Система клетки Органелла

Система субмолекулярных структур

Система иерархического управления обладает рядом преимуществ перед системами центрального управления:

1.возможность локальных действий в течение времени отсутствия управляющих сигналов со стороны вышележащего уровня;

2.возможность сочетания оптимальности каждого уровня с оптимальностью всей системы в целом;

3.повышение надежности и гибкости управления.

Степень независимости более мелкой системы от более крупной обеспечивается ее жизнеспособностью при нарушении физических и информационных связей с другими системами. Степень упорядоченности системы зависит от того, насколько деятельность ее элементов и подсистем не противоречат друг другу. Устойчивость системы тем выше, чем больше ее упорядоченность. Но высокая упорядоченность ограничивает способность системы к эволюции. Уровень организации системы – это структура и характер связей, обеспечивающий жизнеспособность системы и влияние ее на внешнюю среду.

Улучшение организации системы, т.е. усложнение системы и улучшение приспособляемости к внешней среде называется эволюцией. Эволюция может происходить на разных уровнях: на уровне изменчивости элементов или путем направленного изменения в сфере управления.

34

Одной из основных особенностей многоклеточных организмов является дифференциация клеток по их функциям (мышечные, половые, эпителиальные и т.д.). Дифференциация обусловлена усилением какой-либо функции за счет других.

Каждая система имеет определенные границы существования. При определенных условиях система может переходить в другое состояние. Переход биологической системы обусловлен влиянием внешних факторов. Система сохраняется, если она обладает приспособительным механизмом, способным противостоять различным влияниям.

Одним из важных приспособительных механизмов является сохранение постоянства внутренней среды - гомеостазис (гомеостаз) организма. Он основывается на принципе отрицательных обратных связей. При нарушении гомеостаза организм стремится его восстановить. В 1968 году была выдвинута идея гомеокинеза, развивающего идеи гомеостаза. В живых организмах практически все процессы носят колебательный характер. Поэтому предполагается, что живой организм есть сложно организованная система нелинейных колебательных структур или осцилляторов различной природы.

Гомеокинез – постоянство внутренней среды в этих условиях – обеспечивается в результате воздействия на колебательные процессы в осцилляторах. С точки зрения гомеокинеза значение процессов управления в живых организмах состоит в поддержании осцилляторной деятельности основных неустойчивых элементов системы так, чтобы амплитуда колебаний не была ни очень большой, ни очень маленькой.

3.3. Регулирующие системы организма.

М.М.Амосов выделяет в организме четыре регулирующие системы,

Регулирующие системы взаимосвязаны, причем каждая эволюционно более молодая развивается на основе более старых и остается под их регулирующем воздействием, хотя и в свою очередь может оказывать на них влияние через обратные связи. Чем моложе система, тем ýже ее специализация и тем быстрее она развивается.

Первая регулирующая система – гуморальная неспецифическая – охватывает все клетки организма, объединенные путем обмена веществ через внутреннюю среду организма (кровь, лимфа, различные тканевые жидкости). Регулирующая функция клеток заключается в том, что в процессе жизнедеятельности путем изменения интенсивности

35

синтеза ферментов, регулирующих соответствующие химические реакции, они поддерживают постоянство внутренней среды организма.

Вто же время каждая клетка представляет саморегулирующуюся систему, в которой все внутренние процессы управляются регулирующими подсистемами (органоидами клетки) по программам, записанным в молекулах ДНК и РНК. Внутриклеточные процессы, особенно происходящие в специализированных клетках, объединенных в органы и ткани, составляют основу жизнедеятельности всего организма в целом.

Вторая регулирующая система – гуморальная специфическая. Она представлена сложной, построенной по иерархическому принципу сетью эндокринных желез, возглавляемой гипофизом. Действующим агентом в ней являются гормоны, которые вырабатываются железами постоянно или под действием нервных импульсов из вышележащих регулирующих систем, под действием гормонов других желез или, наконец, «снизу» под влиянием изменения состава крови.

Регулирующие воздействия второй системы направлены главным образом на активность внутренних органов. Система имеет тесные прямые и обратные связи как с первой системой, так и с вышележащими – третьей и четвертой. В основном деятельность внутренних органов регулируется через эти связи. Однако некоторые органы в этом отношении являются относительно независимыми, так как имеют собственные регулирующие подсистемы в виде местных нервных узлов (например, сердце) или эндокринных воздействий ( почки, печень).

Третья регулирующая система – нейровегетативная. Она представлена главным образом вегетативной (парасимпатической и симпатической) частью центральной нервной системы и имеет иерархическую структуру, состоящую из местных сплетений, сегментарных узлов, главных центров в подкорковой части и коры головного мозга, оказывающей регулирующее влияние на нижележащие образования. Активным началом в ней являются вырабатываемые в клетках нервные импульсы и медиаторы, действующие местно на соответствующие органы и системы. Основным элементом действия этой системы является рефлекс. Рефлекторные пути, как правило, заложены от рождения и через них осуществляются безусловные рефлексы.

Соподчиненная сложная структура организма позволяет формировать сложную иерархию рефлексов, управляющих внутренними органами по заложенной в регулирующей системе программе. Кроме того, третья регулирующая система через посредство высших вегетативных центров корректирует гомеостаз всех важнейших систем организма. Третья регулирующая система тесно связана со второй, и часто они совместно регулируют определенную функцию организма (например, кровяное давление). Органы, объединенные в функциональную систему, могут иметь на этом уровне также и местные регулирующие механизмы.

Четвертая регулирующая система – нейроанимальная (или нейросоматическая).

Она представлена преимущественно анимальной частью центральной нервной системы (ЦНС): кора головного мозга, подкорковые и стволовые отделы, спинной мозг и периферические нервные стволы. Механизм действия системы нервно-рефлекторный.

Эта регулирующая система управляет преимущественно двигательным аппаратом – мышцами. Регулирование на четвертом. высшем уровне обеспечивает выполнение сложных двигательных актов, а у человека также поведения и воздействия на окружающие предметы (трудовая деятельность).

Вверхнем этаже системы – в коре головного мозга – запрограммированы модели поведения в виде последовательностей (алгоритмов) элементарных двигательных актов. Такими программами являются инстинкты (пищевой, оборонительный, половой), а у человека еще программа социального поведения. Сравнивая инстинкт с программой, можно считать рефлексы, с помощью которых он осуществляется, иерархией подпрограмм, вплоть до частных функций мышечных клеток.

36

Н.М.Амосов считал, что все элементы и системы организма, начиная с клетки и заканчивая ЦНС, работают по определенным программам (алгоритмам). Эти программы заложены в элементах и подсистемах организма. Причем на более низких уровнях организации эти программы имеют предопределенный характер, а на более высоких они могут в значительной мере изменяться по содержанию и последовательности действий в зависимости от состояния организма и внешних воздействий. Эта способность достигает наивысшей степени у головного мозга, который, как писал В.В.Парин, «…является наиболее совершенной из (всех) самоорганизующихся систем».

Одним из элементов реализации программ деятельности в нервной системе является рефлекс. Основные программы - программы жизнеобеспечениявырабатывались организмом в процессе эволюции, закреплялись в ЦНС и передавались по наследству. Это программы безусловных рефлексов (пищевой, оборонительной, половой и т.д.). Более высокоразвитые организмы вырабатывают программы в течение всей жизни в порядке приспособления к изменяющимся условиям и закрепления приобретенного опыта головным мозгом. Это условно-рефлекторные реакции.

Однако условный рефлекс далеко не исчерпывает всей программы деятельности головного мозга, в котором создаются новые программы, продиктованные какими-либо текущими обстоятельствами или потребностями момента. Реакция головного мозга в этих условиях зависит не только от поступающей информации, но и от всего предшествующего, сохраняющегося в памяти опыта. Получив новую информацию, головной мозг не только осуществляет и координирует цепь ответных условнорефлекторных реакций организма, но и сопоставляет полученную информация с какимито заранее установленными и сохраняющимися в памяти критериями и в зависимости от результата сопоставления принимает соответствующие решения. Так формируется сложная цепь рефлексов, составляющих поведение высших животных и человека.

3.4. Понятие и биоритмах.

Биологическими ритмами называются равномерные чередования во времени различных состояний организма, биологических процессов или явлений. Но не всякое повторяющееся явление может быть названо биоритмом. Биоритм - это самоподдерживающийся и, в известной мере, автономный процесс.

Периодичность в протекании жизненных процессов является одной из основных особенностей жизни. Периодически, т.е. регулярно повторяющиеся изменения обнаруживаются в клетках и субклеточных структурах, в органах и системах, в деятельности и поведении организмов, а также в состоянии, поведении и численности целых популяций. Периодичность является такой же основной чертой жизни, как возбудимость живых тканей, гомеостазис в организме или способность адаптироваться к окружающей среде и условиям жизни. Периодичность в протекании жизненных процессов может целиком зависеть от внешних (экзогенных) факторов или иметь только внутреннюю (эндогенную) природу. А может быть следствием сочетания тех и других воздействий.

Периодические изменения в состоянии организма имеют важное биологическое значение. Доведение всех функций до максимума лишь в определенные фазы каждого периода экономичнее, чем стабильное непрерывное поддерживание такого максимума. За всякой активностью должно следовать ее снижение для восстановления и отдыха. В фазах ритма может проявляться предупредительное регулирование. Так уровень обмена веществ, температуры тела, сердечной деятельности, снижающийся у человека в течение ночи, начинает повышаться во вторую половину ночного сна, подготавливая организм еще до пробуждения к дневному бодрствованию.

Периодические колебания жизненных процессов происходят в широком диапазоне частот. Ритмы электрической активности нервной системы и мышц протекают с периодом порядка 0,1 – 0,001 сек. Дыхательные движения имеют период, измеряемый несколькими

37

секундами. Фазы ночного сна сменяют друг друга с периодом около 1 – 1,5 часа. Суточный ритм по существу изучен для всех процессов, разыгрывающихся в организме человека. Наряду с этим есть ритмы с периодом в несколько дней, известен месячный ритм и сезонные колебания в течение года. Имеются указания на наличие у человека ритмов физической и творческой активности с периодом в несколько лет.

Наличие широкого спектра биоритмов вызвало потребность в их классификации. Распространение получила классификация по частотам, т.е. величинам обратным длине периода ритмов. Наиболее полный частотный классификатор дается Н.И.Моисеевой и В.М.Сысуевым (1981 г.). Они выделяют 5 классов биоритмов.

Накопленный за последние годы огромный фактический материал привлек внимание медиков различных специальностей. Стало очевидным, что ритмичность физиологических процессов необходимо учитывать как при постановке диагноза, так и при лечебных воздействиях. Сформировалось направление медико-биологических исследований под общим названием «Хрономедицина». В рамках хрономедицины изучаются закономерности ритмической организации функций здорового и больного человека с последующей разработкой оптимальных схем распределения во времени лечебных и профилактических воздействий на организм. Это направление включает такие разделы как хронопатология, хронофармакология, хронотерапия и т.п.

Хронопатология – это нарушения ритмичности в организме с появлением болезни. Меняется период ритма, например, ускоряются сокращения сердечной мышцы, увеличивается частота дыхания и т.п. Изменяется и амплитуда, как это происходит, например, с температурой при некоторых заболеваниях.

Современная диагностика немыслима без знания биологических ритмов. Поэтому она становится хронодиагностикой. Как заметил известный советский педиатр проф.

38

В.А.Таболин, «физиологические показатели одного и того же человека, снятые в полдень и глубокой ночью, различаются в такой же степени, как могут различаться показатели физического развития атлета и малого ребенка». Поэтому врачей всех специальностей интересует норма состояния физиологических, биохимических и других функций в разные часы суток, отдельные дни месячного цикла и в различные сезоны. Отклонения от этой нормы основных ритмических показателей функционирования организма приобретают важное диагностическое значение для распознавания ранних проявлений патологического процесса.

Так как известно, что реакция организма на раздражитель во многом зависит от фазы ритмических процессов, то в хронофармакологии и хронотерапии выделяют две важные проблемы. Первая заключается в выяснении характера влияния лекарственных средств в зависимости от их применения в той или иной фазе биоритма. Вторая относится к изучению применений ритмической структуры организма, возникающих при применении лекарств. Разработка этих проблем позволяет дать рекомендации о дозах лекарств, времени их введения в течение суток (недель), схемах комбинации нескольких лекарственных препаратов и предотвращении токсического эффекта.

3.5. Понятие о функциональной системе П.К.Анохина.

П.К.Анохин разработал концепцию о том, что основным элементом деятельности животного или человека в любом приспособительном, в частности поведенческом, акте является функциональная система. Функциональная система представляет собой определенный комплекс анатомо-физиологических образований, объединенных в процессе выполнения некоторой функции, полезной для организма (потребности). Полезность для организма конечного результата действия функциональной системы является основным критерием (условием) ее образования.

Функциональная система – это динамическая саморегулирующая система, состоящая из центральной (управляющей) части и периферической (исполнительной) (см. рис.12). Обе части связаны между собой замкнутой цепью информационных потоков. От управляющей части к исполнительной направлен поток эфферентных возбуждений (команды к действию). А в обратном направлении – поток обратной афферентации, т.е. сигналы от соответствующих периферических рецепторов о результатах выполняемых действий (обратная связь).

Рис.12.

39