WWW.GOLKOM.RU   Добавить в Избранное


БИБЛИОТЕКА ПРИРОДЫ
информационный портал

Главная  Новости  Каталог  Книги  КМЭ  Форум

ТУ  Гербарий  Golkom-Balance  Golkom-Post

 
Регистрация:

Краткая медицинская энциклопедия


А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Кибернетика биологическая и медицинская

Перейти к следующей статье 'КИСЛОРОД'Перейти к предыдущей статье 'КИБЕРНЕТИКА'КИБЕРНЕТИКА биологическая и медицинская (дополнение к ст. "Кибернетика", БМЭ, изд. II, т. 12).

Биологическая и медицинская кибернетика имеют два направления: теоретическое и прикладное.

Теоретическое направление изучает общие закономерности управления и саморегуляции в живом организме, находящемся в непрерывном сложном взаимодействии со средой. Кибернетический подход к исследованию функциональной деятельности живой системы, не дублируя исследований, проводимых в руслах физиологии, биофизики, биохимии, медицины и других наук биол. комплекса, опирается на них и дополняет их. Фундаментальным методологическим принципом при этом является принцип системной организованности, согласно которому любой живой организм можно рассматривать как систему, способную к саморазвитию и регуляции как внутренних соотношений между органами и функциями, так и соотношений целостного организма с внешней средой.

Важным средством теоретических исследований в области биол. и медицинской кибернетики служит метод моделирования (см. т. 18). В его основе лежит представление о живом организме как высокоорганизованной системе, процессы управления в которой характеризуются количественной мерой. Зная, например, взаимоотношения между нервной системой и эндокринными органами, можно построить на электронной вычислительной машине (ЭВМ) модели их связей. Функционально-формализованный характер кибернетического моделирования проявляется в том, что рассматривается не сама сложная динамическая система, какой является живой организм, а некоторые характеристики ее поведения в определенной среде. Так, предложена гипотеза о трехуровневой системе биол. управления, согласно которой низший уровень обеспечивает гомеостазис (см. т. 7), следующий уровень обеспечивает приспособление первого к изменениям внутренней среды организма, а третий управляет первым и вторым на основе переработки информации из внешней среды, поступающей через рецепторы с вариабельной чувствительностью (С. Н. Брайнес).

При кибернетическом моделировании широко используется модель по типу "черного ящика", когда неизвестно внутреннее содержание исследуемой системы, а ее поведение в определенной среде описывается зависимостью параметров входа, то есть информации из среды, и выхода, то есть ответных реакций системы. Эта зависимость обычно исследуется статистическим путем, методом "проб и ошибок". Например, при выборе оптимального способа лечения можно построить модель паталогический процесса (см. Модель заболевания экспериментальная, т. 18) в виде "черного ящика", изучая изменения его выходных параметров при различных лечебных воздействиях на входе. При этом критерием оптимальности, по мнению Н. М. Амосова, следует считать быстрейшее приведение структуры патологического "черного ящика" к нормальной структуре с учетом естественных ограничений, накладываемых природой на функциональные показатели организма. Применительно к биологии и медицине моделирование может быть основано как на вероятностном, так и на детерминированном подходе к исследуемому объекту или процессу. Пат. процесс часто можно представить в виде "порочного круга" (см. Circulus vitiosusj т. 34), например при гипертонии, когда вслед за функциональными изменениями обычно возникают анатомические нарушения, усугубляющие в свою очередь функциональные. Для того чтобы переключить этот процесс с "порочного круга" на нормальный, нужно научиться определенным образом воздействовать на общие регуляторные механизмы данного процесса. Рассматривая причинно-следственные связи между отдельными звеньями паталогический процесса как меняющиеся во времени под влиянием общих и местных регуляторных механизмов, то есть осуществляя детерминированный подход, мы соответственно должны строить лечебные мероприятия. Метод кибернетического моделирования исключительно важен для биологии и медицины, хотя он и предполагает некоторое упрощение и неполноту изучения свойств и закономерностей организма. Значение и возможности моделирования возрастают с повышением в процессе эволюции структурной и функциональной целостности организма.

Деятельность организма можно рассматривать с точки зрения кибернетики на различных уровнях - молекулярном, субклеточном, клеточном и др. Идеи кибернетики можно использовать при исследовании деятельности органов и их систем, при изучении поведения организма, его высшей нервной деятельности (ВНД), а также при изучении популяций, биоценозов и биосферы в целом. Причем, если раньше ученые обычно пытались отыскать в организме то, что можно было упростить, исследовать изолированно, то кибернетика предполагает изучение биологических объектов с учетом их весьма сложной организации, рассматривая все взаимосвязанные компоненты не просто как сумму отдельных частей, а как единое целое. При кибернетическом подходе к явлениям жизни главное внимание уделяется тому, как передается, хранится и перерабатывается различного рода информация (см. т. 36), а не только тому, как передается энергия, превращаясь из одной формы в другую.

Рассмотрение некоторых примеров использования кибернетики в биологии и медицине начнем с генетики, которая сейчас наиболее тесно связана с кибернетикой, являющейся как бы фундаментом теоретического подхода к генетич. исследованиям. Нуклеотидный код, по-видимому, универсален для всех живых организмов. Наиболее распространен так наз. триплетный код, когда каждая аминокислота определяется известным сочетанием из трех нуклеотидов. Этот код неперекрывающийся и без запятых: триплеты следуют один за другим в определенном порядке без особых разделительных участков и каждый нуклеотид может принадлежать только одному триплету. Исследования позволили расшифровать состав триплетов для всех 20 аминокислот, однако пока еще не установлены все возможные триплеты и не ясна последовательность нуклеотидов в них.

Определенные успехи достигнуты в изучении процессов преобразования информации, закодированной в нуклеиновых кислотах, при синтезе белков. Составлены гипотетические модели этих процессов, экспериментально установлено правило перевода наследственной информации с языка нуклеотидов и генов на язык аминокислот в белках. Показано, что в клетках существует особый вид РНК-гак наз. информационная РНК (мессенджер-РНК, и-РНК), являющаяся передатчиком наследственной информации в процессе синтеза белков. К сожалению, еще не ясен сам механизм регуляции белкового синтеза. Первых успехов в этом направлении добились в последние годы Жакоб и Моно (F. Jacob, J. Monod), показавшие, что существуют особые регуляторные участки ДНК - цистроны-операторы и цистроны-регуляторы. Продуцируемая последними, РНК-репрессор взаимодействует с определенным цистроном-оператором, к которому примыкают в ДНК обычные структурные цистроны. Молекулы и-РНК, которые могут синтезироваться на структурных цистронах, взаимодействуют с рибосомами и служат там матрицей для синтеза белков. Причем, синтез и-РНК происходит только тогда, когда цистрон-оператор не реагирует с РНК-репрессором или вследствие инактивации последнего продуктами цитоплазмы или в связи с отсутствием активатора неактивного репрессора. Конечно, это только первые шаги на пути раскрытия регуляторных механизмов синтеза белков и познания сложных процессов управления внутриклеточным метаболизмом.

Большое внимание уделяется также проблеме развития живого организма. Однако попытки объединить вопросы генетики и эмбриологии пока безрезультатны. В работах по эмбриологии еще не исследованы причины, определяющие упорядоченность, дифференцировку и процессы регуляции в онтогенезе.

В настоящее время вырисовывается кибернетический подход к этой проблеме. Закономерности передачи информации в процессе развития принципиально отличаются от таковых при наследовании. В развивающемся организме основным является не редупликация информации, а ее распределение по клеткам. Наиболее вероятно регулирование такой информации дифференцировками, достигнутыми на предшествующих этапах развития, через обратные связи, воздействующие на состояние клеточных ядер. Для объяснения избирательного включения отдельных участков хромосом при различных дифференцировках применена теория регулирования функций генов, позволяющая на основе ограниченного множества компонентов, связанных обратными связями, построить модели, удовлетворяющие любым типам детерминации клеток и зачатков. Анализ показал, что части развивающегося зачатка глаза связаны системой обратных связей, складывающихся в определенные множества, вследствие чего "движение" их приобретает определенность и порождает новый этап развития.

Вопросы эволюции были впервые рассмотрены с позиций кибернетики И. И. Шмальгаузеном, который отметил иерархичность управления на всех уровнях, выделил основные каналы связи между особями, популяцией и биогеоценозом, определил возможность потери информации и ее искажения и выразил эволюционный процесс в терминах теории информации. С этих же позиций проводятся работы по исследованию механизмов различных форм отбора.

Когда речь идет о сущности жизни, часто обращаются к изучению живой клетки. Последняя, с точки зрения кибернетики,- сложная система, саморегулирующаяся на оптимальный режим работы в условиях непрерывно меняющейся внешней среды.

Большую роль здесь играют регуляция скоростей процессов посредством различных катализаторов, а также подвижность внутренних структурных элементов, передвигающихся в нужном направлении и с нужной скоростью для участия в обмене веществ, причем все эти процессы нежестко детерминированы. Раскрытие структурно-химической организации клетки в целом находится вне сферы кибернетики, роль которой заключается в построении предварительной логической схемы саморегуляции клетки как целого. Главная же роль, как указывает А. С. Спирин, принадлежит дальнейшему усовершенствованию биохимических методов. Из этого вытекает необходимость единства кибернетического подхода и структурных исследований.

Фундаментальное значение в жизнедеятельности организма имеет обмен веществ. И в этой области могут плодотворно реализовываться возможности кибернетики. Основное внимание уделяется при этом хранению информации в молекулах ДНК и передаче ее молекулам белка в ходе процессов биосинтеза. В этом случае кодирование информации осуществляется при помощи определенных молекулярных структур. Для процессов обмена веществ имеет значение также кодирование информации в виде набора стационарных концентраций реагирующих веществ, не зависящее от кода в молекулах ДНК. Изучение связей между этими кодами представляет значительный интерес. Не менее важный вопрос - роль обратных связей в регуляции метаболических и анаболических процессов. Выяснение роли обратных связей в биохимических процессах на молекулярном и клеточном уровнях -"одно из самых существенных принципиальных достижений молекулярной биологии последних лет" (В. А. Энгельгардт).

Экспериментально обратная связь установлена на ферментативных реакциях в открытой системе, на хим. реакции в проточных условиях и на простой гидродинамической модели. На математической модели биохимических реакций с аллостерическим ретроингибированием (конечный продукт цепочки из и звеньев подавляет активность начального фермента) было показано, что в двухзвенной цепочке но возникает никаких колебательных процессов, а начиная с трех звеньев, такие процессы появляются, причем уже в пятизвенной цепочке они имеют двухчастотный характер. Эти исследования помогут решению одной из важнейших проблем - взаимодействия вируса и клетки.

Кибернетика проникла и в область экологических исследований. В терминах теории информации уже описаны такие экологические понятия, как структура сообществ, неоднородность, стабильность смешанной популяции и др. С математических позиций исследовано распределение планктона, описан общий метод представления экологической системы любой сложности на электронно-вычислительных машинах при помощи дифференциальных уравнений первого порядка.

Воздействие радиации на биол. системы вызывает многочисленные ответные реакции. Существующие методы анализа обычно позволяют исследовать зависимость какого-либо одного параметра от дозы облучения. Анализ реакции на радиационное воздействие динамической системы (клетки, клеточной популяции, организма и т. д.) по всем возможным параметрам с позиций кибернетики должен привести к созданию более общей теории, отражающей интегральную реакцию биол. системы на специфическое действие радиации. Известны, например, попытки приложения представлений кибернетики об устойчивости сложных динамических систем для выявления некоторых закономерностей лучевого поражения на структурно-клеточном уровне, в частности для анализа начальных пусковых механизмов радиационного воздействия.

Одним из важных разделов биокибернетики является анализ работы человеческого мозга, в основе которой лежит комплекс алгоритмов, то есть правил, по которым происходит в мозге преобразование информации. Кибернетика рассматривает мозг как универсальный инструмент динамического информационного моделирования (В. М. Глушков).

При биокибернетическом подходе учитываются не только процессы, происходящие в мозге, но и изменения в результате действия организма во внешней среде, то есть рассматривается замкнутый цикл переработки информации в системе организм - среда. Подобный подход дает возможность моделировать различные формы работы мозга на ЭВМ, выявляя при этом новые законы высшей нервной деятельности.

Созданы, например, программы для ЭВМ, обеспечивающие возможность обучения игре в шахматы, доказательства теорем и т. д. Моделируя на ЭВМ различные черты, по которым определяется тип высшей нервной деятельности, можно обеспечить более полный анализ этих типов.

Энергичные исследования проводятся по анализу работы мозга, связанной с творческой деятельностью. В этих случаях удобно пользоваться методом так наз. эвристического программирования, когда, отвлекаясь от структуры нервных сетей, исследуют только правила переработки информации в мозге, в соответствии с которыми происходит творческий процесс. Эти правила в виде программы закладывают в цифровую вычислительную машину. При работе по эвристической программе машина оперирует не цифрами, а знаками, перерабатывая их в сложные комплексы. Для этого разрабатываются специальные алгоритмические информационные "языки", основанные на записи информации в виде системы списков.

Н. М. Амосов, исследуя эмоции, выдвинул гипотезу, согласно которой обработка информации в мозге идет по двум "программам": интеллектуальной (логической) и эмоциональной.

На основе этой гипотезы была составлена программа для ЭВМ, моделирующая поведение человека при различных эмоциональных состояниях. Изучение взаимодействия интеллектуальной и эмоциональной "программ" на этой модели позволит ближе подойти к пониманию человеческой личности.

Прикладное направление биологической и медицинской кибернетики.

До последнего времени в биохимических исследованиях результаты измерений обрабатывались только вручную с качественной их оценкой. Автоматизация таких измерений в сочетании с обработкой результатов биохимических исследований на ЭВМ открывает новые перспективы для развития количественной биохимии. ЭВМ все шире применяются при изучении пространственной структуры макромолекул, в частности молекул белков, при исследовании электронных структур биохимически важных молекул методом молекулярных орбит. При этом удалось выяснить причины прямого окисления флавиновых коферментов молекулярным кислородом и наличия биол. окисления, минующего цитохромную систему ферментов. Интересным примером применения ЭВМ может служить исследование кинетики йодного метаболизма в щитовидной железе, проведенное в Японии.

Для биологии важное значение имеет разработка различных систем автоматического распознавания. На основе использования телевизионной техники и фотоумножителей созданы устройства для автоматического подсчета числа лейкоцитов, эритроцитов и микробных тел. Разработан автоматический анализатор распределения микрообъектов по площадям и оптической плотности с использованием электронно-оптического преобразователя и специализированного вычислительного устройства. Этот анализатор применен для исследования срезов мозговой ткани. Ведется работа по созданию анализатора микрочастиц на основе зависимости спектра и интенсивности наведенной и собственной их люминесценции от структурных особенностей вещества типа флюорохрома, то есть люминесцентного красителя, и его связи с исследуемым веществом.

Обычные методы выявления вирусов в тканях и расшифровка видовой принадлежности выделенных агентов сопряжены с большими трудностями. Для облегчения лабораторной диагностики вирусных инфекции служат автоматические устройства для серологических работ и сортировки мазков, различные автоматические счетчики, радиоактивные и электронные автоматические анализаторы для неспецифической индикации вирусов в культурах тканей по биохимическим изменениям. Однако все это лишь незначительная доля того, что может дать кибернетика в данной области.

Методы кибернетики получают широкое распространение в клинической медицине. Разработаны принципы машинной диагностики, прогноза и выбора способа лечения на основе алгоритма распознавания, когда машина в процессе обучения сама выделяет существенные признаки и их сочетания.

Этот метод успешно применен, например, для прогноза ожоговой болезни и операций по приживлению кожи.

Разработана и исследуется система для дифференциальной диагностики клинических форм закрытой травмы черепа и головного мозга. Имеются попытки ранней дифференциальной диагностики некоторых злокачественных и доброкачественных заболеваний: рака легкого и хронического воспалительного процесса, рака молочной железы, мастопатии и фиброаденомы, рака и доброкачественных заболеваний гортани. При помощи ЭВМ получены предварительные результаты по прогнозу выживаемости больных, оперированных по поводу рака молочной железы при тех или иных сопутствующих методах лечения.

Большое значение имеет создание автоматических устройств для диагностики как стационарных, так и переходных состояний организма. С этой целью прежде всего необходимо исследовать физиологический смысл математических показателей ряда процессов жизнедеятельности (например, авто- и кросскорреляционные функции, ряды распределения и др.). На основе только одного параметра - частоты пульса - можно разработать алгоритм для оценки состояния центральной регуляции аппарата кровообращения. Во время выполнения функциональных проб с небольшой физической и эмоциональной нагрузкой удалось выявить специфические изменения вариационных, автокорреляционных и спектральных характеристик сердечного ритма. Аналогичные результаты были получены в клинике у больных пороком митрального клапана, гипертонической болезнью и мерцательной аритмией. В дальнейшем, по-видимому, будут созданы специальные вычислительные устройства, которые на основе анализа интервалов R - R будут давать сведения о состоянии сердечно-сосудистой системы человека.

Более сложна диагностика состояния больного во время операции, когда необходимо учитывать целый комплекс показателей. Ныне разрабатывается система для автоматической синхронной записи 14 параметров физиологических процессов с одновременным наблюдением этих процессов на экранах специального табло, установленного в операционной. Ведется работа по исследо-

ванию взаимосвязей регистрируемых параметров и их анализу для оценки общего состояния оперируемого, а также по согласованию аппаратуры с управляющей машиной, которая на основании полученной информации должна выдавать команды на приборы активного вмешательства (АИК - аппарат искусственного кровообращения; аппарат для наркоза и др.).

В нейрохирургии широкое распространение получили стереотаксические аппараты (см. Стереотаксический метод, т. 31). Операции с применением этих аппаратов осложняются необходимостью пневмоэнцефалографии и сопровождаются многократной рентгенографией. Недавно разработан способ расчета координат глубинных образований головного мозга при помощи ЭВМ, основанный на том, что два взаимно перпендикулярных рентгеновских снимка рассматриваются как две плоскости прямоугольной трехмерной системы, начала координат которой помещается в любую точку, заданную проекциями на обоих снимках. Расчет проводится в два этапа. Первый осуществляется задолго до операции и состоит в проведении пневмоэнцефалографии и расчете координат заданных точек во вспомогательной системе координат (ВСЮ. Второй, осуществляемый во время операции, состоит в преобразовании координат заданных точек из ВСК в систему координат рентгеновских пленок, а затем в систему координат стереотаксического аппарата. Каждому этапу соответствует своя программа, составленная для ЭЦВМ "Минск-1". Моделирование такой процедуры на фантоме черепа человека показало, что результаты расчетов не зависят от положения черепа относительно рентгеновских пленок и положения аппарата относительно черепа. По этому методу проведен ряд операций (у человека) с введением долгосрочных интрацеребральных электродов, без применения наркоза, без стандартной укладки головы при рентгенографии, которая производится всего два раза. Описанный метод найдет широкое применение при различных стереотаксических операциях в клинике и в экспериментах на животных.

Е. Геллер.


Краткая Медицинская Энциклопедия, издательство "Советская Энциклопедия", издание второе, 1989, Москва


Поделитесь в социальных сетях:





Главная  Новости  Каталог  Книги  КМЭ  Форум

ТУ  Гербарий  Golkom-Balance  Golkom-Post


Copyright © 2002-2022 "Библиотека природы"
По вопросам размещения рекламы на сайте: info@golkom.ru