Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование механизмов функционирования нейронных сетей (НС) млекопитающих - одна из фундаментальных проблем естествознания. В рамках общей теории НС возможно объяснение механизмов локомоций, сложных поведенческих актов, психической деятельности индивидуумов. Исследования механизмов поддержания жизненно важных функций ( дыхания, кровообращения), позволяет решать многие задачи обеспечения жизнедеятельности организма, объяснить различные адаптационные, регуляторные реакции на изменения окружающей среды. Познание нейрональных механизмов регуляции висцеральных систем (конкретно, дыхания)- имеет прикладное значение для медицины, физиологии труда и спорта. Теоретические аспекты втой проблемы выделяются в отдельную ветвь общей теории нейронных сетей. Последняя лежит в основе создания различных нейроподобных диагностических систем и нейрокомпьютеров.
Общая теория НС интенсивное развитие получила в последние годы в связи с созданием' соответствующей элементной базы и привлечением различного современного математического аппарата. Особое место здесь занимает коыпартментннй подход, базирующийся на принципах кооперативное составляющих блоков,-т.е. принципах синергизма. В этой связи компартментную .теорию НС с основными задачами структурирования (в.том числе и кластерного), исследования условий возникновения бифуркаций и хаоса можно рассматривать как одно из направлений синергетики.
Настоящее исследование посвящено разработке теории компарт-ментных респираторных НС (РНС), исследованию их организации и функционирования на основе результатов биологических вкспериментов.
Цель и задачи исследования. Разработка общей проблемы созда-
ния компартментной теории РНС требует решения ряда частных задач, характерных для исследований любых НС, обеспечивающих регуляцию хизненно важных функций. В етой связи ставились следующие цели и решались задачи методического и теоретического плана :
1. Разработка биофизических методов и аппаратуры, обеспечивающих
оперативное многоканальное получение биологической информации от
экспериментального объекта с последующей автоматической обработкой
этой информации на ЭВМ.
-
Обеспечение поддержания дыхательных функций организма млекопитающих в условиях искусственных воздействий на регуляторные и функциональные структуры дыхательного центра (ДЦ), которые нередко приводили к остановке дыхания в эксперименте.
-
Разработка эффективных адекватных и неадекватных методов раздражения (стимуляции) или разрушения локальных структур ДЦ.
-
Создание новых способов и устройств, обеспечивающих микроинъекции водорастворимых и малорасгворимых аналогов нейромедиаторов и модификаторов функционального состояния ядер ДЦ.
5. Разработка общей теории разложимых и неразложимых компартмент-
ных РНС и сравнение модельных исследований с данными вкспериментов
на биологическом субстрате.
-
Исследование процессов регулирования в компартментных РНС. Сравнение модельных и биологических данных по прямому и непрямому регулированию дыхательной активности.
-
Теоретическое обоснование и создание программных средств, обеспечивающих автоматическую (с применением ЭВМ) идентификацию структурно-функциональной организации реальных РНС, выбора оптимальных частотных характеристик и оценки сходимости процедуры перехода от
разностных моделей к моделям в дифференциальных уравнениях ^ДУ). Разработка методов диагностики компартментносги и кластерное структуры РНС в целом.
Научная новизна работы. Работа включает три уровня исследований - методический, экспериментальный и теоретический. В методическом плане разработаны новые способы регуляции, восстановления дыхания и управления длительностью инспираторной и экспираторной фазами. Получен новый способ моделирования одышки. Изготовлены и запатентованы новые: устройство регистрации дыхания, устройства для локального раздражения и разрушения дыхательных структур на базе биофизических методов воздействия бегущими вихревыми магнитными полями на объект. Изготовлены и запатентованы новые устройства многоканального съема информации, в частности, многоканальные рефлексо-метр и стимулятор дыхания. Созданы новые способы и устройства, обеспечивающие- микроинъекции биологически активных веществ и оценки скорости их диффузии в неоднородных средах мозга. Выполнено теоретическое обоснование метода' оценки диффузионных процессов в мозге. Разработана общая теория разложимых циклических и циклических с подциклами РНС. Исследованы условия'возникновения бифуркаций в таких РНС и доказана устойчивость периодических решений моделей ком-партментных РНС. В рамках кошартыентного подхода исследованы модели иерархических'(разложимых) НС. Доказаны теоремы существования положительных решений, устойчивости и возникновения осцилляторных решений. Выполнены сравнения экспериментальных и модельных данных, полученных на двухкластерной модели РНС. Предложен ряд общих принципов организации неразложимых и кластерных респираторных нейронных сетей млекопитающих в рамках теории бифуркаций и топологичес-
кого подхода.
Учет влияния супраОульоарных (гипоталамус, моторная зона коры мозга) и внутрибульбарных интегративных структур выполнен в рамках разработанной теории прямого и непрямого регулирования РНС. Последнее осуществляется' через посредство зависимости коэффициентов диссипации и вектора хеморецепторного драйва от функционального состояния перечисленных структур. Приводятся экспериментальные данные, подтверждающие правильность теоретического подхода и выводов.
Выполнено теоретическое обоснование и разработаны программные средства структурной и- параметрической идентификации РНС на базе метода минимальной реализации и "адаптивного идентификатора". Созданы алгоритмы и программы автоматической идентификации компарт-ментносги реальных РНС, идентификации кластерных сетей. Предложена процедура перехода от идентифицированных компартментных линейных моделей квазилинейных РНС к нелинейным моделям. Выполнено теоретическое обоснование выбора оптимального периода квантования аналогового сигнала от реального биологического объекта и оптимальной длительности измерения по марковским параметрам математических моделей РНС. Предложена новая процедура перехода от моделей в виде разностных уравнений к моделям в ДУ, выполнены оценки сходимости таких алгоритмов. Используя автоматический идентификатор, впервые выполнена идентификация пятикомпартыентной циклической РНС.
- Теоретическое и практическое значение работы. Теория компартментных респираторных нейронных сетей и ее экспериментальное обоснование вошли составной частью в общую теорию нейронных сетей и синергетику. Разработанные экспериментальные способы и устройства поддержания и управления дыханием, стимуляции или разрушения от-
дельных структур животного организма, получения информации от биологического объекта нашли применение при проведении лабораторию исследований в институте физиологии им. А.А. Богомольца АН Украины (Киев), РГУ (Ростов-на-Дону), институте физиологии им. И.П.Павлова (С.Петербург), медицинских институтах г.г. Донецка, Луганска, Самары, что подтверждается актами и справками о внедрении в этап учреждениях перечисленных изобретений. Способы и устройства для супердиспергирования водонерастворимых лекарственных форм, рефлек-сометры и стимуляторы нашли применение в клинических учреждения! г.г. Москвы, Самары, Донецка, Луганска.
Таким образом, методы и аппаратура, разработанные при подготовке и проведении экспериментальных исследований, вошли в практику лабораторных и клинических исследований. Подготовлено к изданию (изд."Наука") практическое руководство-(монография) по применению перечисленных разработок.1 Результаты втой работы используются при чтении курса "Биомеханика" в Самарском государственном педагогическом институте.
Разработанные алгоритмы и пакеты прикладных программ по идентификации примитивных, циклических и разложимых матриц, а также программы идентификации математических компартментных моделей РНС в виде дифференциальных уравнений'на базэ разностных уравнений внедряются в практику нейрофизиологических и биофизических лабораторий НИИ и ВУЗов г. г. Киева, Ростова-на-Дону, Самары, С.Петербурга. Подготовлено практическое руководство по использованию разработанных программных средств в лабораторных исследованиях (изд.РГУ). Результаты этого цикла работ представлены в учебных спецкурсах по идентификации линейных и нелинейных динамических систем, которые
читаются студентам физико- математического факультета СГПИ. Общая теория свойств положительных решений систем нелинейных дифференциальных уравнений (с разложимыми матрицами ыежкомпартментных связей) и решения задач прямого и непрямого регулирования в этих системах читаются в соответствующих спецкурсах для студентов математических специальностей СГШ.
Апробация работы. Материалы диссертации неоднократно докладывались на заседаниях лабораторных и кафедральных семинаров ДонФТИ, ДонГУ (г.Донецк), РТУ (г.Росгов-на-Дону), АФ НИИ, ИФ РАН (г.Санкт-Петербург),, СГПИ, СГУ, СГШ (г.Самара), в ряде других НИИ и ВУЗах Россини Украины, на 13 (г.Алма-Ата, 1979). 14- (г.Баку, 1983), 15 (г.Кишенев, 1987), 16 (г.Пущино, 1993) съездах Всесоюзного физиологического общества им.И.П.Павлова, на научных конференциях "Технический прогресс в медицине" (г.Куйбышев,1976), межвузовской конференции ОСМУ (г.Куйбышев, 1977), 1-й Всероссийской конференции по медицинской и биологической кибернетике (г.Москва, 1978), YII конференции физиологов (г.Кутаиси, 1978), 1-й Всероссийской конференции по АСУ в здравоохранении (г.Горький, 1979), конференциях ОСМУ (г.Куйбышев, 1978, 1980, 1982, 1983. 1984, 1985). конференции ВОИР (г.Куйбышев, 1981), на мездународном симпозиуме "Автоволновые про--цессы в биологии, химии, физике" (г.Пущино, 1983), Всесоюзной конференции по новым методам физико-химических исследований в сельском хозяйстве (г.Тюмень, 1984), на международной физиологической конференции (г.Ереван, 1983), Всесоюзном совещании "Синергетика-86" (г.Кишенев, 1986), на всесоюзной школе-семинаре "Психологическая бионика" (г.Харьков, 1988), на II Европейском конгрессе по одаренным детям (Будапешт,1990), на меадународном симпозиуме по нейроин-
форматике и нейрокомпьютерам (г.Ростов-на-Дону, 1992), на межрес-публиканскойной конференции по использованию научно - технических достижений в демонстрационном експерименте (г.Саранск, 1992), на IY и Y-м международных научно-технических совещаниях "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (г.Гурзуф, 1992, 1993), на международном биофизическом конгресе (г.Будапешт, 1993), на рабочем совещании "Нейроинформагика и нейрокомпьютеры" (г.Красноярск, 1993).
По теме диссертации опубликовано 52 научные работы в том чис-
г-
ле- 2 монографии, 23 авторских свидетельства и патента, кроме того получено 15 свидетельств на рационализаторские предложения: Перечень основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, описания биологического объекта, главы "Аппаратура и методы экспериментальных исследований", 4-х теоретических глав, содержащих результаты модельных и биологических экспериментов на. респираторных нейронных сетях с идентификацией моделей, заключения и выводов.
Объем диссертации. Из общего объема 300 стр. текст занимает 218 стр. диссертация содержит 4& рисунка:. Библиография состоит из .55 русских и :'81 иностранных источников.