Введение к работе
Актуальность работы. История изучения функциональных систем организма (ФСО) человека и млекопитающих насчитывает не один десяток лет и это направление, в целом, является приоритетным направлением в общем развитии биофизики, физиологии особенно с использованием методов теории хаоса и синергетики (ТХС) и моделирования в изучении функций организма человека (П.К. Анохин, 1966-1973, К.В. Судаков, 1970-1999). Особая роль теории ФСО принадлежит в развитии новых подходов к оценке состояния нормы и патологии, использовании методов ТХС в биологии и медицине (А.А. Хадарцев, Н.А. Фудин, В.М. Еськов, 1998-2007).
Приоритет трудов академика П.К. Анохина в области теории ФСО в настоящее время общепризнан в мировой науке и, в частности, в области физиологии и биофизики. В рамках таких подходов становится возможным изучать и анализировать состояние гомеостаза человека, находящегося в различных экологических условиях, в том числе при адаптации к особым условиям Севера РФ. Работами П.К. Анохина и его учеников (К. В. Судаков, Н.А. Фудин, В.Г. Зилов 1969–2004), дано обоснование глобальных механизмов целостной деятельности организма человека путем интеграции частных физиологических механизмов в единую функциональную систему организма. Это обеспечивает саногенез или направленные адаптационные процессы при резких изменениях экофакторов среды в условиях саногенеза и патогенеза.
В рамках биофизического подхода с позиций теории ФСО становится возможным изучение иерархически взаимодействующих частных регуляторных механизмов, которое направленно на достижение полезного результата деятельности ФСО, в частности, при адаптационных реакциях. При этом биофизическая трактовка в рамках компартментно-кластерного подхода (ККП) и компартментно-кластерной теории биосистем (ККТБ) динамики поведения ФСО в фазовом пространстве состояний позволяет описывать и норму, и патологию в организме человека. Впервые данный подход разрабатывается группой ведущих специалистов в области биофизики сложных систем (В.М. Еськов, А.А. Хадарцев, Н.А. Фудин, О.Е. Филатова, 1994–2007) в рамках ТХС. Например, в рамках такого подхода параметры состояния нервно-мышечной системы (НМС) и кардио-респираторной системы (КРС) могут быть описаны в рамках ККП и ККТБ с помощью моделей в фазовом пространстве состояний путем анализа параметров аттракторов, внутри которых происходит движение вектора состояний организма человека (ВСОЧ).
Такие подходы в развитии теории ФСО П.К. Анохина позволяют по новому описывать глобальные механизмы управления всеми ФСО в условиях изменения сезонной и суточной динамики. Каков механизм взаимодействия КРС и НМС (как представителей базовых ФСО человека), каковы механизмы скоординированных изменений показателей этих ФСО в условиях действия экофакторов Севера РФ – эти вопросы являются весьма актуальными в изучении и развитии современной теории ФСО, а использование ККП и ККТБ для их описания и прогнозирования является новым подходом в биофизике естествознании в целом.
Отметим, что в рамках ТХС становится возможным описание динамики поведения ФСО и гомеостаза в целом в условиях управления со стороны некоторого центрального регулятора, обозначаемого как фазатон мозга (ФМ). Такой подход был впервые представлен в работах биофизиков и медкибернетиков на рубеже XX и XXI веков (В.В. Скупченко, В.М. Еськов, 1988-2007 гг.).
Изучение роли ФМ в регуляции КРС и НМС человека, проживающего на Севере РФ, является весьма важной проблемой развития теории ФСО и медкибернетики. Определенным аспектам решения указанных проблем с позиции ТХС посвящается настоящая работа.
Исходя из изложенного выше целью настоящей работы явилось изучение в рамках теории хаоса и синергетики эффектов влияния экологических факторов Севера РФ на показатели кардио-респираторной системы испытуемых (в частности, учащихся), проживающих в Югре с учетом сезонных и суточных колебаний показателей вектора состояния организма человека.
Данная цель определила постановку и решение следующих задач:
-
Разработка и внедрение программных продуктов, обеспечивающих мониторирование основных показателей КРС у жителей Югры.
-
Анализ и моделирование возрастной динамики изменения показателей кардио-респираторной системы учащихся на основе исследования параметров ВСОЧ.
-
Изучение сезонных особенностей состояния кардио-респираторной системы учащихся Севера РФ в аспекте изменения параметров аттрактора в движения ВСОЧ.
-
Исследование эффектов суточных изменений показателей КРС у разных групп методами анализа и синтеза.
Научная новизна исследований.
-
Впервые разработан и внедрен в практику работы учебных заведений ХМАО программный продукт, обеспечивающий регистрацию и исследование состояния КРС по анализу параметров аттракторов поведения показателей ФСО в многомерном фазовом пространстве состояний.
-
Выполнен анализ и построены математические модели сезонной и суточной динамики изменения показателей КРС человека, проживающего в условиях Севера РФ.
-
Получены новые данные о состоянии КРС у жителей Югры в зависимости от сезонов года.
-
Получены новые данные о состоянии КРС у человека в условиях сменного труда путем анализа параметров аттракторов фазового пространства состояний.
Научно – практическая значимость. Разработанные новые программные продукты на базе ЭВМ, модели, способы и устройства для изучения суточной и сезонной динамики показателей КРС в рамках ТХС, могут быть использованы и уже используются в скрининговых исследованиях качества жизни и работы человека в условиях Севера РФ. Они также обеспечивают получение объективной информации о динамике развития физиологических функций каждого ученика и об общей динамике работы всего коллектива (т.е. о работе учеников и учителей). Алгоритмы и компьютерные программы позволяют идентифицировать основные функции организма учащихся в различных климатических условиях, что в свою очередь обеспечивает количественную классификацию и идентификацию показателей функций организма. Разработанные комплексные методы оценки показателей состояния вегетативной (симпатической и парасимпатической) нервной системы (ВНС) позволяют внедрять их в практику работы органов управления образования для оценки степени утомления учащихся в ходе учебы, выбирать оптимальную траекторию учебных нагрузок у учащихся по различным видам учебной деятельности.
Внедрение результатов исследований. Разработанные способы и устройства прошли апробацию и внедрены в ряде ВУЗов городов Самары, Сургута, Ханты-Мансийска. Результаты исследований используются при подготовке студентов в Самарском государственном педагогическом университете, МОУ гимназии № 4 г. Сургута и Сургутском государственном университете, ИПК РРО г. Ханты-Мансийска, а также в лекционных курсах и практических занятиях по биофизике, экологии человека и хронобиологии, о чем свидетельствуют акты о внедрении.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на кафедральных семинарах и в НИИ Биофизики и медицинской кибернетики при Сургутском государственном университете и Самарском педагогическом университете; на открытой окружной конференции “Наука и инновации XXI века” (Сургут, 2005, 2007); на XIV международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2005), на региональной конференции «Экологическое образование и здоровый образ жизни» (Сургут, 2005); на 2-ом международном форуме «Нейронаука для медицины и психологии» (Судак, Украина, 2006); на открытой окружной конференции «Спасти и сохранить» (Сургут, 2006), на открытой окружной конференции «Менделеевские чтения 2007» (г. Тобольск, 2007).
Личный вклад автора. Автором лично выполнены все исследования показателей кардио-респираторной системы разных групп людей. С непосредственным участием автора разработаны методы оценки параметров аттракторов, внутри которых происходит движение вектора состояний организма человека. Автором самостоятельно осуществлена статистическая обработка материалов, их интерпретация и анализ данных. В диссертационной работе использованы результаты исследований, выполненных и опубликованных в соавторстве с долей личного участия автора 50-70 %.
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 14 печатных работах, в том числе две работы в рекомендуемых ВАК изданиях. Их перечень приведен в конце автореферата, кроме того, автор принимал участие в создании программы количественной оценки показателей памяти человека.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав (Теоретическая часть, Материалы и методы, Результаты исследований и их обсуждение), заключения, выводов, списка литературы (174 источников, в том числе 143 отечественных и 31 иностранных) и приложения. Работа изложена на 14.. страницах, содержит 14 таблиц и 27 рисунка.
