Методи системного аналізу фізіологічних процесів

Нові інформаційні технології в медицині та екології.
Праці VII міжнародній конференції та дискусійного наукового клубу. 1999 р 31 травня -11 червня. Гурзуф-С.155-158.

Методи змістовного аналізу фізіологічних процесів

А. А. Генкин

Фізіологічні коливання принципово відрізняються від класичних коливань тим, чт для них енергетична характеристика не грає настільки домінуючого значення як для коливань, що розглядаються у фізиці і техніці. Тому зусилля, витрачені на аналіз частотно-амплітудного спектру ЕЕГ, ЕКГ та інше, не привели до розуміння тимчасової організації фізіологічних процесів і вирішення важливих діагностичних завдань.
Особливість фізіологічних коливань - зв'язок різних фаз одиничних циклів активності з різними функціональними станами; циклічний процес - це не просто зміна наростання і убування одного фактора, а послідовна зміна якісно різних станів.
Змістовний аналіз фізіологічних процесів може бути забезпечений тільки такими методами, які зможуть описати цю якісну неоднорідність тимчасової динаміки основних життєвих проявів організму: вдих-видих, систола-діастола, скорочення і розслаблення гладкої мускулатури, зростання і спадання електричних коливань мозку та ін [1] .

Найбільш важлива медико-біологічна інформація про тимчасову динаміці процесу міститься не в знанні про амплітудно-частотному спектрі і не у виявленні в часовому ряді різних повільних компонент, а в отриманні знань про те, як попередня фаза процесу обумовлює подальшу, а вона в свою чергу обумовлює наступну за нею.
Отримати таку інформацію, залишаючись в просторі миттєвих значень процесу дуже важко, якщо взагалі можливо [1].

В основі наших методів, спрямованих на аналіз тимчасової організації фізіологічних коливань, лежить розчленовування початкового процесу на дискретні послідовності характеристик одиничних коливань. З загальнотеоретичної точки зору виходять тимчасові ряди слід розглядати як елементи системного цілого у часі, яким і є вихідний фізіологічний процес.

Завдання аналізу полягає як в описі динаміки кожного з елементів, так і в оцінці взаємозв'язку між ними.

Ми пропонуємо для кожного коливання вимірювати амплітуду (v _g) і тривалість (t _g) висхідній хвилі, амплітуду (v _d) і тривалість (t _d) низхідній хвилі.

До цих характеристик додаються період l = t _g + t _d і асиметрія длительностей фаз D = t _g - t _d. У результаті безперервний процес s (t) представляється у вигляді сукупності дискретних послідовностей характеристик одиничних коливань:

Залежно від поставлених завдань ці характеристики можуть усереднюються за певну епоху аналізу, так що кожне їхнє значення буде ставитися не до одного коливання, а подавати відповідні параметри за секунду, дві секунди, 5 секунд, ітд.
Таким чином, інформація про динаміку одного фізіологічного процесу представляється у вигляді векторної функції цілочисельного аргументи:

n = 1, 2, ..., N (*)

де n - номер послідовних характеристик одиничних коливань, а Т - інтервал усереднення.
Подібним чином можна розглядати елементи поодиноких коливань не тільки для різних відведень одного процесу (наприклад, ЕЕГ), а й для істотно різних процесів (наприклад, ЕЕГ і дихання; систолічний, діастолічний артеріальний тиск і пульс при моніторингу та ін.)

Експериментальні дослідження характеристик одиничних коливань ЕЕГ при різних фізіологічних станах (спокій, увагу, розумова активність, сонливість і сон, гіпноз, стрес) і при деяких захворюваннях (нарколепсія, епілепсія, дебільність, шизофренія) показали високу інформативність аналізу характеристик одиничних коливань для вирішення різних психофізіологічних і клінічних завдань. І, що ще більш істотно, цей підхід виявив наявність в головному мозку закономірного просторового розподілу дискретних рівнів асиметрії длительностей фаз та інших характеристик одиничних коливань і роль цих рівнів у механізмах нейрофізіологічної регуляції (градієнтні механізми).
У фізіологічному плані не менш цікавий непараметрический підхід, коли відмовляються від аналізу самих значень характеристик одиничних коливань і обмежуються аналізом особливостей динаміки їх зростання і зменшення.

Тобто поряд з вектор-функцією φ (n) розглядається вектор-функція

(**)

а х - значення будь характеристики v, t _g, t _d, l або D
(Тут і надалі v = (v _g + v _d) / 2. В результаті такого перетворення вихідний процес s (t) відображається в послідовності, що складаються з 1 і 0.

s (t) → φ (n) → ψ (n)

Нижче наводиться фрагмент результату перетворення (**) для 25 послідовних секундних інтервалів реального електричного процесу мозку (ЕЕГ, тім'яно-потиличний відведення, після виконання арифметичного тесту):

В результаті перетворення (**) кожному n відповідає вектор-стовпець (n), складений з 1 і 0. Кожна компонента вектор-функції (рядок) відображає динаміку станів (зростання-1 або убування-0) однією з характеристик одиничних коливань. Такі стани (1 або 0) будемо називати ψ-станами першого порядку. Їх динаміці відповідають матриці (2х2) частот переходу 1 в 0 і 0 в 1.

Так, для п'яти компонент процесу (***)

Вивчення матриць ψ-станів першого порядку призвело до нових кількісним заходів - інформаційної масі і індексам гомеостатичного рівноваги. Ці заходи дозволили зрозуміти системоутворюючу роль середнього рівня асиметрії длительностей фаз ЕЕГ і виявити глибоку закономірність просторово-часової організації нейрофізіологічних процесів.

Якщо розглянути будь-які два тимчасових ряду, наприклад, перший (v) і четвертий (l), то для будь-якого n можливі чотири стану другого порядку:

Спільна тимчасова динаміка v і l процесу (***) представляється у вигляді послідовності: ψ ₁ ψ ₃ ψ ₃ ψ ₁ ψ ₃ ψ ₁ ψ ₃ ψ ₄ ψ ₃ ψ ₁ ψ ₂ ψ ₂ ψ ₄ ψ ₂ ψ ₄ ψ ₁ ψ ₄ ψ ₃ ψ ₄ ψ ₁ ψ ₃ ψ ₃ ψ ₁ ψ ₂ ψ ₄
Інформація про цю динаміці (в даному випадку динаміці взаємних відносин амплітуди v і періоду l, усереднює за послідовні секундні інтервали) полягає в матриці (4х4) частот переходу

y _i → y _j (i = 1,2,3,4; j = 1,2,3,4)

Якщо абсолютну частоту переходу y _i → ψ _j (i = 1,2,3,4; j = 1,2,3,4) позначити через ψ _ij,, то можливі 16 різних частот переходу:

А для всіх попарних сполучень по 2 для динаміки п'яти станів першого порядку формується 10 різних ψ - матриць другого порядку.

Вивчення ψ-матриць другого порядку для електричних процесів мозку виявило фундаментальні закономірності їх тимчасової організації. Одна з найбільш цікавих - майже симетричність матриць ψ-станів другого порядку. Це властивість зустрічається настільки регулярно, що можна говорити про закон збереження тимчасової симетрії електричних процесів мозку.

Література.

1. Генкин А.А., Медведєв В.І. - Прогнозування психофізіологічних станів. Питання методології та алгоритмізації. М. Наука. 1973.

Бібліографія основних публікацій в яких використовуються характеристики одиничних коливань ЕЕГ та інших процесів

1. Генкин А. А. Про асиметрії длительностей фаз поодиноких коливань ЕЕГ задніх відділів головного мозку здорової людини / / Доповіді АПН РРФСР - № 4 - 1962, c 99-102
2. Генкин А. А. Досліди по статистичного виявлення сигналів ЕЕГ, детермінованих розумовою активністю. / / В сб Проблеми нейроокібернетікі., 1962, Ростов на Дону
3. Генкин А. А. Прімененпіе методу статистичного опису длительностей фаз ЕЕГ до виявлення інформації, супутньої розумової деятельночсті. / / Доповіді АПН РРФСР-№ 6-1962
4. Генкин А.А. Рівень асиметрії длительностей фаз ЕЕГ як показник рівня неспання / / Матеріали IV Всесоюзній конференції з електрофізіології не, 1963, видавництво РГУ
5. Генкин А. А. Про асиметрії длительностей фаз поодиноких коливань ЕЕГ при розумової активності / / Доповіді АН СРСР, т.149, № 6, 1963, с.1460-1463.
6. Моісеєва М.І., Генкин АА Досвід застосування непараметричної статистичної процедури до аналізу ЕЕГ у хворих з порушенням мозкового кровообігу / / Журнал невропатології і психіатрії ім. Корсакова - № 8, 1963
7. Генкин А.А., Захаров В.К., Тарабукін В. І. Автоматичний аналіз тривалості фаз ЕЕГ / / Журнал ВНД - № 3-1964
8.Генкін А.А. До проблеми автоматизації діагностики розумового уітомленія / / Проблеми інженерної психології / Матеріали 1 ленінградської конференцій. Під ред Б. Ломова - Л.1964
9. Генкин А.А., Дзідзігурі Т.Д. Про співвідношення тривалостей скорочення і розслаблення гладкої мускулатури тонкого кишечника / / Фізіологічний журнал СРСР. - № 11.-1964. - C.1077-1084.
10. Genkin AA Dzidzguri TD Relationsip between duration of contraction and relaxation in smooth muscle of the small intestine / / Fed.Proc. Transl.Suppl. 1965. V. 24, № 6, p. 1101-1104
11. Генкин А. А. Біоелектричні процеси головного мозку як імовірнісні ланцюга з вісьмома станами / / Праці ВМА ім. С. М. Кірова т.162, 1964
12. Генкин А.А. Статистичний аналіз ЕЕГ як загальна проблема аналізу коливальних процесів, що протікають у фізіологічних системах / / Математичні методи аналізу електричних процесів мозку Під ред. М.Н. Ліванова і В.С. Русинова. М.: Наука, 1965. - C.75 - 86.
14 Артем'єва О.Ю. Мешалкин Л.Д. Хомський Є.Д. Про періодичних коливаннях асиметрії длительностей восходяшіх та спускаються фаз альфа ритму / / / Математичні методи аналізу електричних процесів мозку / Под ред. М.Н. Ліванова і В.С. Русинова. М.: Наука, 1965. - C. 87 -91.
15 .. Генкин AA Деякі шляхи автоматизації диференціальної діагностики функціональних станів та початкових стадій хвороби / / Кібернетика в клінічній медицині. - Л.: ВМА ім.С.М.Кірова, 1965. - С.20 -25.

16. Авраамів С.Р. Генкин АА. Про співвідношення рівня постійного потенціалу глибоких структур мозку та асиметрії длительностей фаз електросубкортікограмми / / В СБ Глибокі структури мозку людини Л. Наука, 1965
17. Генкин А. А. Середній рівень асиметрії длительностей фаз ЕЕГ та швидкість переробки інформації в зорово-Мотрона системі / / Біофізика, т.10, № 5, 1965 с. 868-873.
18. Генкин А.А. Зараковскій Г.М. - Про автоматизації діагностики функціональних станів організму за даними ЕЕГ / / Проблеми інфжереной психології. Під ред Б.Ф.. Ломова. вип.4., Л.1966, с.190-211.
19. Генкин А.А. Мелючева Л. А. Статистики длительностей фаз електросубкортікограмми як індикатори межцентральних регуляцій / / Глибокі структури мозку людини. Ред Н.П. Бехтерева, Л. 1966
20. Генкин А. А. Статистики длітельностецй фаз електроенцефалограми і некотрое механізми довільної активності людини. / / XVIII міжнародний конгрес псіхрологов / Тези доповідей, М .1966
21. Genkin A. A. Snfnisnical characteristics of the phase duration of EE oscillation and some mechanisms of the voluntary activity of man / / EEG correlatrs of f behavior / XVIII World Psychology Congress. М. 1966
22. Bechtereva NP Genkin AA, Moiseeva NI, VVSmirnov Electrographic evidence on participation of deep structures of human brain in certain mental processes (computer ayalysis data) / / EEG and clin. Neuroph -. V.25-suppl.1967.
23. Генкин A. А. Непараметричні опис тимчасових рядів у фізіологічних системах / / 2-а нарада з проблем автоматичного аналізу біологічних мікроструктур і процесів. 28-31 травня 1968 - Пущино, 1968.
24. Genkin AA The statistical analysis of the EEG as general problrm in the analysis in oscillatory processes in physiological systems / / Mathematical analysis of electrical activity of the brain. Harvard Univ. Massachusets.1968. p.65-79
25. Генкин А. А. Данілін В.П. Латаш Л. П. Рівень асиметрії длительностей фаз коливань потенціалу в ЕЕГ хворих нарколепсією (до питання про механізми періодичності нарколептіческіх проявів / / Журнал ВНД -1968-т.18 - № 1, с.97-108.
26. Даллакян ІГ. / / Математичні методи в психіатрії та неврології. Л, 1968, с.108
27. Генкин А.А. . Нейрофізіологічні і статистичні аспекти розшифровки сигналів ЕЕГ / / Всесоюзний симпозіум "Параклінічні методи дослідження". вип.1; Під ред. Е.А. Жирмунской .. - М., 1969 .- С.89 -106.
28. Генкин А.А. Спосіб розрізнення сигналів ЕЕГ при різних видах розумової активності. / / Бюлетень експериментальної біології і медицини. - 1969. - № 4 .- с.120-123.
29. Генкин А. А. Мордвинов Е.Ф. Електроенцефалографічні кореляти гіпнотичного сосотояніе / / Журнал ВНД - т.XIX № 3, - 1969, с.471-477 ..
30. Мордвинов Є.Ф. Генкин А.А. Про возможнеостях прогнозування сугестивності людини за даними спонтанної електроенцефалограми / / Журнал ВНД - т.XIX № 6, - 1969, с.1027-1032 ..
31. Генкин А.А. Розбиття на класи психофізіологічних властивостей, обумовлене взаємозв'язком поведінкових, еле рокоркових і електрошкірний індикаторів / / Докл. АН СРСР. - 1970. - Т.192-№ 6. - С.1363 -1366.
32. Генкин А.А., Василевський М.М. Алексанян З. А. Про особливості регулювання середньої частоти розрядів кіркових нейронів / / Реферати докл. IV Всесоюзній конференції з нейрокіберенетіке. 1979, Ростов на Дону с.31.
33. Генкин А.А .-. Зв'язок коливань асиметрії длительностей фаз ЕЕГ з дихальною ритмікою. / / Докл. АН СРСР. - 1971. - Т. 200. - № 4. - С.1003 -1006
34. Генкин А.А. Медведєв В.І. Про вплив мотивації на середній рівень асиметрії длительностей фаз спонтанної ЕЕГ / / Журнал ВНД 1971 - т.21-№ 1, С.576-584.
35. Крупнов А.І., Небиліцін В. Д. Порівняльна характеристика біоелектрична лобових і затиорчних областей кори головного мозку людини / / Журнал ВНД. Т.21. № 6
36 Небиліцін В.Д. Показники активності і асиметрія хвиль ЕЕГ спокою / / Нові ііследованія в психології та вікової фізіології, 1971, № 1
37. Nebylitsin VD Krupnov AI. Biolectrical correlateds of motor activity as temperament trait / Neuropsychologia 1972. -V.10
C.419-427
38. Генкин А.А., Лебедєва Л.І., Івлєва Л.Ф. Електроенцефалографічні індикатори домінантних станів під час пологової діяльності. / / Фізіологічний журнал СРСР - 1972 - Т.58 - № 8 - С.1207-1211.
39. Хомская Е.Д. Мозок і активація. М. видавництва. МДУ, 1972
40. Генкин А.А., Медведєв В.І. Прогнозування психофізіологічних станів. Питання методології та алгоритмізація. - Л.: Наука, 1973.
41 Логунова Г. І. Особливості середнього рівня асиметрії длительностей фаз ЕЕГ у дітей 3-7 років / Журнал ВНД -1978 - т.. XXVIII, № 1 с.122-127
42 Слотінцева Т. В. Відображення динаміки довільної уваги в показниках форми хвиль ЕЕГ в нормі та у хворих з локальними ураженнями мозку / / Нейрофізіологічні механізми вніманіч. Під ред Є. Д. Хомський. М .1979, с.250-283.
43. Бєлов Д.Р. , Кануніков І.Є., Федорова М. А. Взаємозв'язок електроенцефалограми людини з деякими характеристиками сприйняття / / Біохімічекіе та біофізичні механізми фізіологічних функцій. / Матеріали конференції молодих фізіологів і біохіміків Росії. СПб, 1995, с.19.
44. Ламкін П.Е., Кануніков І.Є., Бєлов Д. Р. Деякі психофізіологічні кореляти зорово-просторових і вербальних логічних здібностей. / / Біохімічекіе та біофізичні механізми фізіологічних функцій. / Матеріали конференції молодих фізіологів і біохіміків Росії. СПб, 1995, с.110.