Физиологические ритмы

Волновая теория

Значение анализа физиологических ритмов на основе современной волновой теории обсуждается в ряде фундаментальных изданий123. И это доказывает, что для гуманитария не менее важно, чем для физика, овладеть понятиями современной волновой теории. В то же время кажется очевидным, что физиологу не по плечу разобраться в фундаментальных руководствах по теории колебаний, наполненных математикой45. Однако, как указывает в своих лекциях Л. И. Мандельштам: «Важно не это (не математические выражения). Важно выделить руководящие идеи, основные общие закономерности». В теории колебаний эти закономерности «… нужно не просто «знать», а они должны войти в плоть и кровь». Это понимание на сегодняшний день определяется как нелинейная теория колебаний и волн, которая вмещает все – науку о сложности, синергетику, нелинейную динамику и т. п.6 Идея колебательно-волновой общности кажущихся непохожими явлений самой разной природы составляет сущность современного научного мировоззрения, которое так глубоко и верно выразил поэт. Мы попытаемся с позиций понимания общих закономерностей теории колебаний рассмотреть физиологическую феноменологию взаимодействия электрофизиологических процессов как осцилляторных процессов, имеющих все предпосылки связанности в целостном организме.

История электрофизиологии

Свое начало электрофизиология берет со знаменитых опытов Вольты и Гальвани в XIX в., когда впервые были зарегистрированы токи сокращающейся портняжной мышцы лягушки. Уже тогда, несмотря на понимание важности этого открытия, электрофизиологические исследования не скоро получили широкое развитие. Только с середины XIX в., когда появились чернильные самописцы, стали быстро накапливаться данные по электрофизиологии, которая почти сразу разделилась на отдельные направления – электрокардиографию, энцефалографию и др. В настоящее время – это различные области знаний, используемые в научных и практических исследованиях, весьма оторванных друг от друга.

Технический уровень записи биотоков до недавнего времени был мало пригоден для математической обработки, а электроэнцефалография и электрокардиография долгое время походили скорее на искусство, чем на науку, и зависели от опыта исследователя в распознавании главным образом клинической и физиологической значимости чернильной кривой изменения потенциалов во времени. Наиболее ярко такой подход выразился в создании так называемого Миннесотского кода ЭКГ, который и до сих пор с успехом используется. К настоящему времени усилиями многих и многих ученых путем визуального анализа электрофизиологических кривых накоплен огромный багаж знаний. С появлением техники магнитной записи биотоков, и особенно с использованием компьютерной техники в практику всех разделов электрофизиологии вошли математические методы анализа. В работе А. П. Кулаичева «Компьютерная электрофизиология в клинической и исследовательской практике» (1998) были собраны и эргономически проработаны практически все известные методы и средства исследования электроэнцефалограммы (ЭЭГ), вызванных потенциалов (ВП), электрокардиограммы (ЭКГ), реовазограммы (РВГ), электромиограммы (ЭМГ), спирограммы (СГ) и других показателей. Автор проанализировал развитие программных средств и инструментального обеспечения с позиции сформулированной им эргономической концепции, которую воплотил в области прикладной статистики и графического представления данных и результатов. Общий подход к наукоемким программным средствам А. П. Кулаичев обозначил как интегрированно-эргономический, включающий графическую операционную среду, объектно-ориентированное программирование, CASE-технологии, многооконность, мультизадачность, мультимедиа, системы «клиент-сервер» и т. п.

Нельзя не согласиться с автором, что «любые нововведения допустимы только на фоне сохранения устойчивых традиций», зафиксированных в данной онтологии электрофизиологических методов, превосходно систематизированных. Это очень важный момент. Это означает, что накопленный багаж знаний и визуального анализа электрофизиологических кривых является основой для интерпретации результатов, полученных любыми новыми методами с математической обработкой данных. Однако системный подход к анализу электрофизиологических процессов не был осуществлен. Более того, ни один из существующих методов анализа не является системным в современном понимании системного подхода78. Даже при полиграфической регистрации ряда электрофизиологических показателей автор сохраняет общепринятый подход, который сводится к поиску характерных изменений каждого из показателей (ЭКГ, ЭМГ и др.), измерению амплитудных и интервальных показателей и последующему их статистическому анализу.

Статистический анализ

Системного анализа многомерных данных нет даже в методе картирования. По существу, этот метод значительно повышает производительность труда и облегчает его, но принципиально не отличается от знаний, «добытых вручную» не одним поколением электрофизиологов. При этом оценка изменений в баллах оставляет метод картирования в ряду качественных методов. В последние годы с введением компьютерной техники в электрофизиологии наблюдается новый всплеск поиска компьютерных способов анализа электрофизиологических процессов.

Выделяют два основных методических направления: 1) технологии разделения источников сигнала (метод независимых компонентов – ICA); 2) статистические методы анализа большого числа переменных при небольшом числе наблюдений, включающие рандомизационные методы и технологию управления частотой ложных позитивов9. Это новые шаги в электрофизиологии, но, очевидно, не связанные с системным анализом. Последние исследования с использованием методов нейронных сетей дают новую надежду на появление методов системного анализа. Однако из-за трудностей интерпретации и понимания результатов до сих пор эти методы не применяются10.

Клеточная электрофизиология

Еще более изолированную область составляет клеточная электрофизиология, в основном относящаяся к другой дисциплине – биофизике, которой электрофизиология обязана глубоким пониманием электрогенеза на клеточном и молекулярном уровне 111213. Долгое время и в области микрофизиологии клеточные потенциалы действия и ионные токи анализировали тем же визуальным способом. Использование компьютерной техники позволило автоматизировать этот процесс, однако, по сути он остался прежним. Отсутствие системного анализа в значительной мере обусловило тот факт, что экстраполяция знаний этих процессов на организменный уровень нередко имеет умозрительный характер, и в настоящее время не может в полной мере удовлетворить исследователей.

Колебательные процессы и их взаимодействие

В то же время со времен Пифагора, открывшего кратные и дробные резонансы звуковых колебаний и их гармонических созвучий, явления взаимодействия колебаний в самых разных объектах и процессы синхронизации их частот привлекают внимание ученых самых разных областей знаний. Более 400 лет назад Г. Галилей открыл законы движения маятника, отсчитывая удары собственного пульса. Эти законы составили основу техники. Сейчас учение о колебательных процессах и их взаимодействии в природе составляют обширную область знаний в различных областях науки, созданы стройные теории универсальности синхронизации как формы временной организации природных объектов. В 30-е годы прошлого столетия В. И. Вернадским на основе идеи диссимметрии пространства было сформулировано понятие «биологического времени», в котором развиваются различные метаболические и структурно-функциональные изменения. Впервые на связь возбуждения с нелинейными колебаниями физиологических процессов внимание было обращено А. А. Ухтомским14.

Было отмечено, сколь важное значение придавал Н. Винер взаимодействию мозговых волн. Выдвинутая им идея о самоорганизации электроэнцефалограммы как о множестве взаимодействующих осцилляторов представляется программным направлением для дальнейших исследований15. Он же впервые высказал предположение, что успешность жизнедеятельности биосистемы определяется согласованностью и устойчивостью частотных и фазовых соотношений между функциональными изменениями в ее отдельных частях, и что все или почти все процессы регуляции в биологических объектах построены как осцилляторы. Эту точку зрения в той или иной форме разделяют ряд ученых [И. Пригожин, 1973; Р. М. Баевский, 1974; М. И. Гудвин,1979; И. Пригожин, 1989; А. А. Путилов, 1989].

В 1964 г. Ф. Халберг [F. Halberg, 1964] выдвинул концепцию об организации физиологических функций на основе повторения одной и той же последовательности событий в биологическом ритме и согласования работы частей организма во времени. В последующие десятилетия исследования в этом направлении быстро расширялись. Была проведена аналогия колебательных явлений в объектах самой различной природы, что дало повод говорить о сходстве естественно-научных законов и способов их описания1617. Эти работы открыли путь к познанию основных закономерностей биологической синхронизации.

Биоритмология

Длина периодов ритмических функций человека
Рис. 1. Длина периодов ритмических функций человека (в логарифмах)

Электрофизиология является частью общей биоритмологии, изучающей ритмические изменения состояния живых систем, свойственные им на любом уровне организации. Существующая классификация биоритмов в соответствии с длиной периода [7] дана одним из основателей хронобиологии и хрономедицины Г. Хильдербрандтом18 (рис. 1).

Из рис. 1 видно, что электрофизиологические ритмы относятся к наиболее быстрым в шкале биоритмов, хотя в традиционной частотной шкале они находятся в полосе очень низких частот. Г. Хильдербрандт отмечает, что с увеличением длительности периода возрастает сложность ритма. Это означает, что сложность ритма увеличивается от клетки к ткани, далее к органу и целому организму. Как показывает опыт биоритмологии, более высоким уровням организации живой материи соответствуют колебания с более длительными периодами19.

В настоящее время является общепринятым понимание ритма как типа связи текущих процессов, организующей их в единое целое. При этом, утверждает Г. Хильдербрандт, функции частично включаются в общую деятельность так, что образуется иерархическая структура, которая определяет способ интеграции коротковолновых функций в длинноволновые функции. Модель этой иерархической структуры представлена им в виде спектра, где ареал годового ритма вбирает последовательно подобно «матрешке» месячный, недельный, суточный и эндогенные ритмы организма. Последние, согласно этой структуре, являясь автономными, в то же время находятся под влиянием всех «выше стоящих» физиологических ритмов, хотя это влияние в значительной мере опосредовано.

Ритмы с наибольшей частотой находятся в области нервной системы. Именно здесь, как полагает Г. Хильдербрандт, происходит прием, переработка и кодирование информации в ритмические сигналы. По его представлению медленные ритмы автономной области организуют процессы метаболизма. При этом информационные ритмы напрямую связаны с пространственными структурами нервной системы, метаболические ритмы касаются более или менее всех тканей и пространственно менее специфичны. Связь между этими функциональными полями образует систему физиологических ритмов для организации транспорта и распределения, особенно для гемодинамики и дыхания.

Таким образом, как полагает Г. Хильдербрандт, в организме существуют три автономные ритмические системы, которые как-то связаны между собой. Наибольшее выражение эта связь получила в виде синхронизации ритмов, наступающей в состоянии покоя и глубокого сна, когда, как известно, в ЭЭГ преобладают медленные ритмы. Г. Хильдербрандт считает, что частоты метаболических ритмов находятся в простых соотношениях целых чисел и таким образом образуют гармонически-музыкальный порядок.

Вместе с тем метаболические ритмы могут быть модулированы возникающими требованиями и изменяться от ранга к рангу. «Возможно, музыкально-гармонические структуры, которые соответствуют гармоническим пропорциям, заложены в каждую клетку»20. В центре такой системы автономных ритмов находится поле ритмов дыхания и циркуляции крови, представляющее два принципиально различных вида временной организации жизненных процессов, которые должны быть сбалансированы: одна временная структура постоянно модулируется притекающей информацией, другая связана с формированием музыкально-гармонического порядка, который стабилизируется путем синхронизации с длинно-волновыми ритмами среды. Это означает, что они имеют способность к высокой вариации частоты (усиление частоты дыхания и сердцебиения во время работы) с одной стороны, а с другой — стремление к сохранению частоты покоя, при которой их соотношение представляет целое число (4:1, двойная октава) и фазы колебаний связаны, что указывает на их гармоническую структуру.

Г. Хильдербрандт утверждает, что гармонический порядок, проявляющийся в ритмах дыхания и кровообращения, является неустойчивым при предъявлении требований и всегда восстанавливается в покое. Однако при функциональных нарушениях гармоническая настройка физиологических ритмов не наблюдается. Особой чувствительностью к музыке обладают информационные ритмы, в которых, как считает Г. Хильдербрандт, загоны гармонического порядка более выражены. Его утверждение, что основные элементы музыкального ряда могут быть найдены во всех временных структурах и организационных принципах организма человека, обосновывается длительными исследованиями и находит подтверждение в общеизвестных попытках терапевтического воздействия музыки различного рода. При возникновении какой-либо функциональной нагрузки в организме развивается так называемое реактивное состояние со своей временной структурой, в которой общие временные связи сохраняются, но создается новый функциональный баланс с соотношением физиологических ритмов также в целых числах. Однако перенапряжение организма ведет к разрушению гармонического порядка.

Ряд авторов выдвигают концепцию, организации физиологических ритмов, подобной игре оркестра2122. Хотя до сих пор нет экспериментальной диагностики и соответствующей музыкальной коррекции функциональных состояний организма человека, которые бы подтвердили такую точку зрения. Тем не менее, следует признать, что декларативные представления в данном случае имеют определенные основания, и следовательно, побуждают к дальнейшим исследованиям. Особенно необходимым является поиск адекватного метода определения функционального порядка электрофизиологических процессов в целостном организме.

Известно, что в основу формального критерия определения колебательного процесса заложено понятие периода как вероятностного временного отрезка, более или менее точно воспроизводящего первоначальное значение биологической переменной [М. А. Чернышев, 1975]. Полагают, что утверждение о существовании синхронизации между биоритмами остается лишь гипотезой до тех пор, пока не получены достоверные оценки их периодов и степени их соразмерности. Признаком резонанса является соизмеримость (или почти соизмеримость) периодов взаимодействующих колебаний, т. е. близость их отношения к рациональному, и в этих условиях биологические объекты реагируют с многократным усилением процессов. Признано, что изменение фазового угла между колебаниями является не очень надежным свидетельством десинхронизации процессов в биологии.

Характеристика временных последовательностей

Для характеристики временных последовательностей выделяют 4 основных математических понятия: стационарные состояния, колебания, хаос и шум.

В работе И. Пригожина и И. Стенгере «Порядок из хаоса» (2000) наглядно демонстрируются типы колебаний на примере временной зависимости концентрации иона в реакции Белоусова-Жаботинского. Показано, что системы могут находиться в большом числе устойчивых и неустойчивых режимов, что зависит от множества обстоятельств, «исторической» траектории эволюции системы. Мы вправе ограничиться этим упоминанием о сложности данной области, так как интересующие нас электрофизиологические процессы – это организованные ритмические процессы. Их взаимодействие следует рассматривать, прежде всего, на основе общих закономерностей взаимодействия волновых процессов. Безусловно, переход организованных процессов в хаотические колебания, которые могут возникнуть, например, в экстремальных состояниях – важный аспект исследования в первую очередь в отношении нозологических форм их нарушений.

Тщательные измерения любой электрофизиологической переменной никогда не дают временной последовательности, которая была бы абсолютно стационарна или строго периодична. Системы, которые относят к стационарным или периодическим, всегда дают флуктуации вокруг некоторого фиксированного уровня периода колебаний.

Хронобиология и хрономедицина

Результаты современной хронобиологии и хрономедицины показали, что все структуры организма человека имеют самые разные ритмические формы временной организации функций. Весьма широкий диапазон частот имеют электрогенераторные структуры, образующие электрофизиологические подсистемы. Представление об этом дает рис. 1.1.

В последние десятилетия развитие компьютерных технологий привело к существенному расширению регистрируемых частот2324252627282930. Обилие и многоплановость публикаций, большое разнообразие экспериментальных подходов и методических приемов в настоящее время затрудняют обобщение и тем более ограничение частотного диапазона всех генераторных структур организма. Расширение регистрируемого диапазона частот как в сторону высокочастотных ритмов, так и в сторону низкочастотных, вызывает постепенный отказ от жестко фиксированных границ традиционных ритмов [Ф. И. Федотчев, Ф. Т. Бондарь, 1996]. На наш взгляд, все это вовсе не обесценивает накопленный опыт, необходимый для интерпретации вновь получаемых данных. Кроме того, на данном этапе нам более важен не столько поиск новых частот с надеждой, что они окажутся более значимыми в клиническом, физиологическом и психофизиологическом плане, сколько системный анализ физиологических ритмов в целостном организме.

Осцилляторные процессы

В настоящее время не вызывает сомнений, что взаимосвязь и соответствие циклическим изменениям внешней среды ритмов физиологических функций [Ю. Ашофф, 1984; А. Т. Winfree, 1980] играют важную роль в жизнедеятельности организма. Сейчас получают широкое признание представления о существенной роли резонансных явлений в организме. Мак Клар одним из первых предложил подход, основанный на резонансных формах взаимодействия в исследовании биоэнергетики организма. Появилось довольно большое число публикаций с описанием резонансных явлений в самых разных объектах. Однако при этом, как показали авторы обстоятельного обзора о резонансных явлениях с позиций теоретической физики [А. И. Федотчев, А. Т. Бондарь, 1996], необходимо четкое разграничение резонансно-подобных феноменов [Н. Н. Данилова, 1985], резонансных ответов (вынужденные ответы) [Е. Bazar, С. Bazar-Erogen, Е. Rahn, М. Schumann, 1991; М. А. Чернышев; В. М. Баранов, А. И. Дьяченко, 1991; Г. А. Хасабов, 1996] и явлений резонанса во взаимодействии осцилляторных процессов в организме313233.

Нами впервые установлена с использованием приемов когнитивной графики в анализе осцилляторных процессов целостного организма регуляторная роль резонансных механизмов в смене его функциональных состояний3435. Следует отметить, что взаимодействие и согласование физиологических процессов в обеспечении жизнедеятельности организма в различных условиях давно привлекает внимание физиологов, и давно известно, что дискоординация и десинхронизация физиологических процессов являются первыми признаками возможных патологических сдвигов363738 [G. Hilderbrandt, 1969]. Однако, каким образом определить и оценить степень согласования, уровень дискоординации и десинхронизации физиологических функций, – до сих пор не выяснено. Направление поиска ответов на эти вопросы было определено Н. Винером, который первый выдвинул предположение, что почти все процессы регуляции в биологических объектах построены как осцилляторы, следовательно, основой их анализа должна быть волновая теория [Н. Винер, 1983]. Значение анализа физиологических ритмов на основе современной волновой теории показано в ряде фундаментальных изданий [Ю. Ашофф, 1966; А. Т. Уинфри, 1980; А. А. Путилов, 1989; и др.].

Сегодня есть все основания рассматривать такие физиологические исследования сердечной, сосудистой и дыхательной систем как ЭКГ, РВГ, пневмоинтервалограмму, в качестве осцилляторных процессов релаксационного типа в целостном организме. Основные закономерности синхронизации релаксационных систем хорошо известны: время установления синхронизации в них значительно меньше, чем в синусоидальных, и они охотно синхронизируются на кратных тонах и стремятся образовать единый синхронный кластер. Важными обстоятельствами, влияющими на результат взаимодействия релаксационных процессов, являются, во-первых, условия взаимного сопряжения процессов, а во-вторых, уровень внешних и внутренних помех, которые в основном связаны со сдвигом фаз и постоянством этого сдвига. Очевидно, что такие подсистемы как сердечная, сосудистая, дыхательная, центральная нервная и вегетативная, имеют анатомические и физиологические предпосылки внутренней временной упорядоченности. Это означает, что биоритмы различных периодов в организме не существуют изолированно, а образуют единую колебательную систему.

Попытки рассмотреть электрофизилогические процессы в совокупности взаимосвязанности крайне ограничены, в то время как литературы по органной электрофизиологии и хронобиологии циркадианных ритмов имеется более чем достаточно.

Краткий обзор этих работ показывает несомненную взаимосвязь электрического спектра сердечного ритма и электроэнцефалограммы [R. McCraty, W. Tiller, М. Atkinson, 2000]. Эти авторы полагают, что эта связь в виде резонансоподобного явления осуществляется через барорецепторы, которые вводят ритм 0,1 Гц в ретикулярную формацию ствола мозга и сердечные ритмы в симпатическую систему. Хотя авторы не вполне уверены, что это единственный путь взаимосвязи этих осцилляторных процессов. Связь электроэнцефалограммы с ритмом дыхания и соматомоторными функциями через ретикулярную структуру ствола мозга показана в работе [Р. Langhorst, G. Schultz, М. Lambertz, 1983].

Несколько позднее F. Raschke39 прямо отметил, что координация систем кровообращения и дыхания возможна на основе свойств осцилляторных процессов этих систем. Именно на основе такого понимания взаимодействия этих процессов приведем некоторые данные о связи электрической активности головного мозга с функционированием сердечно-сосудистой системы и дыхательным ритмами.

В работах В. М. Покровского40 и его учеников показано явление сердечно-дыхательного синхронизма, которое заключается в том, что при частоте дыхания, соизмеримой с сердечным ритмом, сердце усваивает дыхательную ритмику и сокращается синхронно с ритмом дыхания. Авторы полагают, что это явление отражает центральные механизмы формирования сердечного ритма, и ширина синхронизма зависит от функционального состояния центральной нервной системы

На ранних этапах развития электрофизиологии мозга существовали представления о том, что электрическая активность его структур является следствием движения крови по сосудам и церебральной жидкости в периваскулярном и субарахноидальном пространствах. Гипотеза в дальнейшем была опровергнута опытами на животных с перевязкой сонных артерий, кратковременной асфиксией и остановкой сердца. Однако то, что ЭЭГ определяется прежде всего деятельностью нервных клеток, не исключает возможной роли сердечно-сосудистой системы в формировании реакций отдельных образований мозга и функционировании этих систем, а следовательно, саму электроэнцефалограмму. После некоторого перерыва, с 70-х годов интерес к этим вопросам усилился. Совместные исследования суммарной электрической активности мозга и реоэнцефалограмм обнаружили факты их синхронного изменения в различных клинических и экспериментальных ситуациях, так что связь местного мозгового кровотока с ЭЭГ в настоящее время следует считать установленной. Можно указать также на работы, в которых обнаружено влияние давления крови на прямые корковые ответы и на активацию ретикулярных структур при введении некоторых препаратов в организм животных. Данные этих работ позволяют предположить, что пульсовые колебания крови как в венозной, так и в артериальной системах, могут косвенно влиять на электрические характеристики неокортекса. Большое число исследований связано с вопросом о появлении сердечного компонента в электроэнцефалограмме человека и животных.

Биопотенциалы типа быстрых волн, синхронные с А-зубцами ЭКГ, были зарегистрированы в ЭЭГ человека рядом авторов. Описаны результаты частотного анализа синхронно зарегистрированных ЭЭГ и ЭКГ двух здоровых испытуемых41. При этом отмечена однотипность спектральных характеристик у одного из них в полосе частот 1-6 Гц, возможно, свидетельствующая о наличии в электроэнцефалограмме сердечного компонента соответствующей частоты. На такую возможность указано в работе42, где отмечается, что некоторые узкополосные компоненты спектра могут иметь нецеребральное происхождение, представляя собой гармоники ритма сердечных сокращений.

Величина наблюдаемых на ЭЭГ острых волн, синхронных с деятельностью сердца, по данным различных авторов, в состояниях, близких к состоянию клинической смерти, составляют величину порядка 5… 10 мкВ.

Есть указание и на то, что при изучении биоэлектрической активности мозга ритмы ЭКГ могут оказаться крайне нежелательным артефактом, от которого следует избавляться. По вопросу о генезе сердечных волн в составе электроэнцефалограммы в настоящее время не существует единого мнения. Одни авторы считают их отражением пульсаций сосудов при наличии патологического очага в мозге, другие объясняют их повышением электропроводности самого мозга вследствие накопления в нем жидкости.

Еще в 1955 г. были представлены результаты анализа совместно зарегистрированных электроэнцефалограмм у 55 практически здоровых лиц и у 460 больных, из которых 360 страдали гипертонией, 57 – от кардиальной формы ревматизма, 43 – от других заболеваний (все в возрасте 16 до 60 лет)43. На уровне визуального анализа ЭЭГ было показано, что в ЭЭГ здоровых лиц потенциал, синхронный с ритмом сердца, практически отсутствует. На первой стадии гипертонической болезни он наблюдается у половины больных, но в разных отведениях; при ухудшении состояния больного на электроэнцефалограмме наблюдается рост величины потенциала в ритме сердечных сокращений и регистрация его во всех отведениях.

Л. И. Стариковым44 проведено обследование 2050 человек, у 22% из которых на ЭЭГ были выявлены острые волны, синхронные с частотой ритма сокращений сердца. Сообщается, что наиболее часто этот компонент можно регистрировать при сосудистых заболеваниях (в 85% случаев) пропорционально тяжести и длительности сосудистого расстройства. В случае гипертонической болезни он проявляется в 92% случаев, при нейроциркуляторной дистонии – в 78%.

Что касается причин появления на ЭЭГ биопотенциалов ритма сердца, то в данном вопросе существуют различные точки зрения. Л. И. Стариков (1974, 1975) склонен считать, что этому способствует, главным образом, гиперстеническое сложение, горизонтальная или полугоризонтальная позиция сердца, а также пониженная активность сердца как генератора электрических колебаний. Не лишена оснований аргументация, связанная с представлением о пульсовых колебаниях давления мозгового кровотока как запускающем стимуле активности отдельных групп нейронов [В. М. Сторожук 1974], что не исключает в полной мере возможности мозгового механизма формирования сердечного компонента ЭЭГ. При этом ритмические колебания внутричерепного давления, приводящие к ритмическому сдавливанию массы головного мозга и повышению давления внутри клеток, допустимо рассматривать как механический раздражитель, влияющий на общий тонус нервных элементов мозга [А. А. Кедров, А. К. Науменко, 1954].

Показана возможность управления пейсмекерными зонами помимо синаптических и гуморальных факторов, еще и непосредственно физическими воздействиями [Е.Н.Соколов, 1976].

Наиболее полное, на наш взгляд, биофизическое исследование выполнено в работе С. И. Лютова45. Разработанная в ней методика, основанная на синхронной регистрации ЭЭГ, пневмограммы, ЭКГ, осциллограмм артериального и венозного давлений, позволила автору получить ряд весьма интересных результатов. В первую очередь, – это подтверждение самого факта наличия в суммарной электрической активности мозга животных (кошек) медленных ритмов, синхронных с сердечной деятельностью, определенно не артефактного происхождения. При этом автору удалось показать комплексный характер формирования сердечного компонента, включающего как нейрональный, так и механический компонент. По его мнению, ритмы ЭЭГ с частотами 2.. .4 Гц, синхронные с деятельностью сердца, генерируются за счет механического фактора вследствие переменного давления крови в артериальной системе мозга, остальные 50% формируются нейрональным путем.

Еще один важный результат работы получен в экспериментах с заменой естественного пульсирующего кровотока в сосудах головного мозга непульсирующим типом: обнаружено достоверное снижение суммарной электрической активности мозга во всей частотной ЭЭГ области. К сожалению, в диссертации практически не рассматривался вопрос о том, могут ли колебания электрической активности мозга быть стимулом, который способен вызывать изменение, например, местного кровотока. О том, что такая постановка вопроса не лишена оснований, свидетельствует ряд работ.

Так, В. Г. Маркман46 обнаружил у некоторых испытуемых при произвольной регуляции альфа-ритма повышение его интенсивности, сопровождавшееся возрастанием частоты сердечных сокращений. Б. Суворов с соавторами47 и В. Урьяш48 в опытах на животных обнаружили связь между снижением частоты сердечных сокращений и появлением на ЭЭГ высокоамплитудного альфа-ритма. Таким образом, из анализа литературных данных можно сделать заключение о наличии связи характеристик сердечного деятельности с электрической активностью мозга.

Другой попыткой рассмотрения электрофизиологических процессов в совокупности является так называемая интегральная электрография [В. Н. Орлов, Виленский, Меняев, 1998] – определение электрического вектора человека суммированием квазипостоянных потенциалов конечностей. Авторы полагают, что такой интегральный электрический вектор человека, образующий «многопетлевую фигуру», отражает временную взаимосвязь, состояние и динамику функционирования органов и систем и предлагается в качестве диагностического метода. Однако интерпретация такого вектора на основе всего опыта электрофизиологии представляется проблематичной. Кроме того, завуалированность многих процессов в таком представлении сильно возрастает. Следовательно, это только усугубляет сложность проблемы. Поэтому использование такого подхода в когнитивном плане представляет серьезные трудности.

Наконец, следует рассмотреть влияние на электрофизиологические процессы организма внешних электромагнитных осцилляций, используемых в различного рода исследованиях. Большой раздел составляют работы по исследованию влияния на организм искусственных электромагнитных излучений. Ссылаясь на недавний подробный обзор по этой теме49 отметим, что работ по влиянию слабых переменных электрических полей на электрофизиологические показатели не зафиксировано. Широкие исследования воздействия электромагнитного излучения радиочастотного диапазона на деятельность головного мозга были проведены У. Эйди50. Им обнаружено улучшение условно-рефлекторной деятельности кошек при модуляции излучений УКВ (147 МГц) в диапазоне биоритмов (глубина модуляции 1 …25Гц).

Позднее эти результаты были подтверждены [S. Takashima, 1979 и др.]. Характер физиологического ответа на действие элетромагнитного излучения диапазона УВЧ и СВЧ, как показано во многих исследованиях, не однозначен и часто является неопределенным и даже пародоксальным5152. Единодушно подтверждается особая чувствительность ЦНС, и многие авторы отмечают ее влияние на ЭЭГ, которые проявляются в генерализованной высокоамплитудной медленной активности, развитии депрессии ЭЭГ, появлении остроконечных разрядов53 [Ю. А. Холодов, 1978; Н. С. Алешников, Б. Н. Родионов, 1998; Ю. Д. Думанский и др., 1975; и др.]. Однако, как отмечают О. С. Глазачев, В. Ю. Щебланов (2001), возможности анализа всей обширной литературы ограничены из-за неоднородности условий проведения исследований и неполноты данных.

Несомненной остается роль частотной модуляции в соответствии с естественными ритмами ЭЭГ. При этом отмечается зависимость реакции от исходного фона ЭЭГ. Установлено нарушение сердечного ритма вплоть до остановки сердца при совпадении частоты следования пачки импульсов ЭМП длительностью 200 мс с частотой сердечных сокращений [A. Frey, Е. Siefert, 1968]. Очевидно, что во всех случаях модуляции высокочастотных излучений ЭМП происходит интерференция модулированных осцилляций и электрофизиологических ритмов, в результате которой естественные ритмы нарушаются. Эти исследования в значительной мере относятся к интенсивно развивающейся области электрической нейростимуляции, которые требуют специального рассмотрения. Здесь мы ограничимся выше приведенными ссылками на доступную литературу о взаимодействии электрофизиологических процессов с внешними осцилляционными процессами, которые, на наш взгляд, свидетельствуют о том, что без системного анализа электрофизиологических процессов целостного организма какое либо воздействие, т.е. вмешательство в естественные осцилляторные процессы, и тем более управление ими, неправомерно.

На сегодняшний день главными нерешенными вопросами в общей проблеме взаимосвязи и согласованного взаимодействия физиологических функций являются вопросы взаимосвязи между разночастотными ритмами физиологических структур. Их решение возможно лишь на основе системного подхода и определяется теоретическим и эмпирическим обоснованием выбора параметров физиологических функций, которые содержали бы наиболее важную физиологическую информацию и в то же время представляли бы основные измеряемые характеристики колебательного процесса. Все это говорит о необходимости формирования нового направления – системной электрофизиологии, задачей которой на первом этапе является отыскание путей, позволяющих объединить в общую электрофизиологическую систему целостного организма осцилляторные процессы всех его генераторных структур и субсистем.

Читайте также

Footnotes

  1. Уинфри А. Время по биологическим часам. – М.: Мир, 1990.
  2. Путилов А. А. Системообразующая функция синхронизации в живой природе. – Новосибирск: Наука, 1987.
  3. Баевский Р. М., Барсукова Ж. П., Берсенева А. П. Оценка функционального состояния организма на основе математического анализа сердечного ритма: Методические рекомендации. – Владивосток, 1988.
  4. Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э. Теория колебаний. – М.: Наука, 1981.
  5. Мандельштам Л. И. Лекции по теории колебаний. – М.: Наука, 1972.
  6. Трубецков Д. И. Введение в синергетику. Колебания и волны. – М.: УРСС, 2003.
  7. Анализ систем на пороге 21 века. – М., 1998.
  8. Савин Г. И. Системное моделирование сложных процессов. – М.: Радио, 1999.
  9. Wolpaw, J. R„ Bir, D. J., Pfurtscheller, G„ and Vaughan, T. M„ Brain-computer interfaces for communicate. – Neurophysiology, 2002 Jun, 113(6), pp. 767-791.
  10. Papik Kernel, Molnar Bela, Schaefer Rainer, Dombovari Zalan, Tulassay Zsolt, and Feher Janos, Application of neural netaorks in medicine a review. – Med. Sci. Monit., 1998, 4(3), pp. 538-546.
  11. Общая физиология возбудимых мембран, 1975
  12. Молекулярная и клеточная биофизика, 1977
  13. Мембраны: ионные каналы, 1981
  14. Ухтомский А. А. О резонансной теории нервного возбуждения. Т. 6. – Л.: ЛГУ, 1936.
  15. Винер Н. Кибернетика, или управление и связь в животном и машине. – М.: Мир, 1983.
  16. Н. Винер, 1961; Г. Бюниннг, 1961; Берталанфи фон, 1973
  17. Winfree, A. T, The Geometry of Biological Time. -N.-Y.: Springer, 1980.
  18. Hilderbrandt, G„ The autonomous times structure and its reactive modification in the human organism // In: L. Reusing U. An der Helden & M. C. Mackey (Eds): Ingold, 1990.
  19. Баевский Р. М. Прогнозирование состояний на грани нормы и патологии. – М.: Медицина, 1979, с. 295.
  20. Hilderbrandt, G. Die Koordination rhimischer Functionen beim Menschen // Verhandlungen der Deutshen Gesellschaft fur Innere Medizin, 1997, 73, pp. 921-941.
  21. Buhler. W., Der Leib als instrument der Seele in Gesundheit und KRANKHEIT. 6. Aufl. Verlag Freiers Gestesleben, Stutgart.1976.
  22. Hilderbrandt, G„ The autonomous times structure and its reactive modification in the human organism // In: L. Reusing U. An der Helden & M. C. Mackey (Eds): Ingold, 1990.
  23. Ливанов М. Н. Ритмы электроэнцефалограммы и их функциональное значение. -Журнал высшей нервной деятельности, 1984, т. 34, № 4, с. 613-626.
  24. Федотчев А. И., Бондарь А. Т. Неспецефические механизмы адаптации ЦНС к прерывистым раздражениям, спектральная структура ЭЭГ и оптимальные парметры ритмических сенсорных воздействий. – Успехи физиологических наук, 1996, т. 27, № 4, с. 44-62.
  25. Федотчев А. И., Бондарь А. Т, Акоев И. Г. Ритмическая структура ЭЭГ человека: современное состояние и тенденции исследований. – Успехи физиологических наук, 2000, т. 31, №3, с. 39-53.
  26. Gevins, A., High resolution EEG//Brain Topography, 1993, vol. 5, no. 4,pp. 321-325.
  27. Bazar, E., Drain natural frequencies are causal factor for resonances and induced rhythmus // Induced Rhythms in the Brain. – Boston: Birkhauser, 1992, pp. 425-467.
  28. Basar, E„ Basar-Eroglu, C„ Karakas, S„ and Schurmann, M„ Are cognitive processes manifested in event-related gamma, alpha, theta and delta oscillations in the EEG? – Neu-rociences Lett., 1999, vol. 259, no. 3, pp. 165-168.
  29. Earle, J. В. B.. Carcia-Dergay, P., Manniello, A., and Dowd, C., Mathematical cognitive style and arithmetic sign comprehension: a sudy of EEG alpha and theta activity // Int. J. Psychophysiology, 1996, vol. 21, no. l,pp. 1-13.
  30. John, K. Gammon, J. D., and Weissman, M. M., Assessment of psychosocial status: measures of subjective wellbeing, social adjustment and psychiatric symptoms // measurements in health promotion and protection, 1987, pp. 133-150.
  31. Дмитриева Н. В., Фарбер М. Ф. Образное моделирование функциональных состояний гемодинамики человека // Изв. АН СССР. Серия Биология, 1988, № 2, с. 207.
  32. Дмитриева Н. В. Симметрийный подход к оценке функционального состояния организма человека // Изв. АН СССР. Серия Биология, 1990, № 1, с. 52-66.
  33. Первушин Ю. В. Резонансные механизмы смены биологических состояний. – Биофизика, 1991, т. 36, № 3, с. 534-536.
  34. Дмитриева Н. В. Явление резонанса в кардио-респираторно-гемодинамической системе человека И Изв. АН СССР. Серия Биология, 1990, № 3, с. 579-590.
  35. Дмитриева Н. В. Глазачев О. С. Концептуальные подходы к диагностике стресс-индуцированных функциональных нарушений у человека в условиях производственной деятельности. – Вестник РАМН, 1997, № 4, с. 28-35.
  36. Алякринский Б. И., Степанова С. И. По закону ритма. – М.: Наука, 1985.
  37. Судаков К. В. Функциональные системы организма в норме и патологии. – Системные механизмы поведения: Тр. научного совета по экспериментальной и прикладной физиологии РАМН, 1993, т. 2, с. 17—33.
  38. Моисеева И. М., Сысуев А. И. Временная Среда и биологические ритмы.-Л.: Наука, 1981.
  39. Raschke, F„ Coordination in the circulatory and respiratory system // Temporal Disorder in Human Oscillatory Systems. – Berlin, Germany: Springer-Verlag, 1986, pp. 152-158.
  40. Покровский В. М., Абушкевич В. Г., Дашковский А. Н., Шапиро С. В. Возможность управления ритмом сердца посредством произвольного изменения частоты дыхания // Доклады Академии Наук СССР, 1985, т. 283, № 3, с. 738-740.
  41. Змановский Ю. Ф., Хижун А. Ф., Сайко Ю. В. Некоторые результаты сопоставления спектральных характеристик ЭЭГ и ЭКГ-сигналов в эксперименте // Тез. 1-й Всесоюзной конференции по физиологической кибернетике. – М., 1981, с. 213.
  42. Хижун А.Ф., Змановский Ю. В. Сайко Ю. В. Об информативности спектральнокорреляционных методов анализа ЭЭГ. – Физиология человека, 1981, т. 7, № 4, с. 601-606.
  43. Ильина Л. И, Иванникова Т. Н. Электрический потенциал, идущий в ритме сердца, на ЭЭГ человека. – Терапевтический архив, 1955, т. 27, вып. 5, с. 37-45.
  44. Стариков Л. И. О наложении электрического поля сердца на электрическую активность головного мозга человека. – Невропатология и психиатрия, 1975, т. 75, № 5, с. 686-693.
  45. Лютов С. И. Экспериментальное исследование формирования ритмов ЭЭГ, синхронных с дыхательной и сердечной деятельностью // Дисс. … канд. биол. наук. -Горький: Горьковский Мед. Институт, 1983.
  46. Маркман В. Г. Изменения вегетативных показателей при произвольном управлении альфа-ритмом. – Физиология человека, т. 3, № 3, с. 470-474.
  47. Суворов Н. Б., Василевский Н. Н., Медведева М. В. Нейроэффекты длительного действия микроволн: системное, нейрональное и электронно-микроскопическое исследование. – Радиобиология, 1987, т. 27, № 5, с. 674.
  48. Урьяш В. В. Соотношение альфа-ритма коры головного мозга и частоты сердечных сокращений кошки 7/ В сб. Материалы Всесоюзной конф, по электрофизиологии ЦНС. – Ереван, 1980, с. 457.
  49. Глазачев О. С., Щебланов В. Ю. Биофизические аспекты энергоинформационных взаимодействий биологических объектов // В кн. Информационные поля функциональных систем / Под ред. К. В. Судакова. — М., 2001, с. 22-45.
  50. Эйди В. П. Организация мозговых структур в передаче и хранении информации // В кн.: Современные проблемы электрофизиологии ЦНС. – М.: Наука, 1967, с. 324.
  51. Алешников Н. С., Родионов Б. Н. Взаимодействие физических полей и излучений с биологическими объектами и зашита от их негативных воздействий: Учебное пособие. -М.: МГУ, 1998.
  52. Думанский Ю. Д. Сердюк А. М„ Лось И. П. Влияние электромагнитных полей радиочастот на человека. – Киев: Здоровя, 1975.
  53. Тягин Н. В. Клинические аспекты облучения СВЧ-диапазогом. – Л., 1971.