Текст книги "Клиническая кризология в кардионеврологии. Руководство для врачей"

1. Патофизиология заболеваний сердечно-сосудистой системы/Под ред. Л. Лилли; пер. с англ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003.

2. Волкова В.Н. Теория систем. – М.: Высшая школа, 2006.

3. Ashby W.R. Principles of the Self-Organizing Dynamic System. Journal of General Psychology. 1947; 37: 125–128.

4. Князева E.H., Курдюмов С.П. Основания синергетики: Синергетическое мировоззрение. Изд. 3-е, доп. —М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010.

5. Павлова О.Е. Оценка напряженно-деформированного состояния и гемодинамики сонной артерии с патологической извитостью// Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине. Материалы ежегодной Всероссийской научной школы-семинар а. – Саратов, 2009: 72–76.

6. Гогин Е.Е. Гипертоническая болезнь вчера и сегодня. Диагностика и лечение в свете новаций фундаментальных представлений о патогенезе и гемодинамике. Монография/Под ред. Члена-корр. РАМН, д.м.н., проф. В. Б. Симоненко. —М.: «Эко-Пресс», 2010.

7. Очерки ангионеврологии/Под ред. Суслиной З.А. -М.: Издательство «Атмосфера», 2005.

8. Симоненко В.Б., Е/околов А.В., Фисун А.Я. Функциональная диагностика: Руководство для врачей общей практики. —М.: ОАО «Издательство «Медицина», 2005.

9. Симоненко В.Б., Широков Е.А. Основы кардионеврологии. Руководство для врачей. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Медицина, 2001.

10. Фундаментальная и клиническая физиология/Под ред. А.Камкина и А.Каменского. – М.: Academia, 2004.

11. Канелько В.И. Гидродинамические основы кровообращения. Соросовский Образовательный Журнал. 1996; 2: 44–50.

12. Lue С.Н., Rudy Y. Model of the ventricular cardiac action potential: depolarization, repolarization, and there interaction. Circ.Res. 1991; 68(6):1501-26.

13. Ермошкин В.И. Гипотеза причины аритмий и внезапной смерти человека. Альманах научных открытий. 8-ая Телеконференция. Секция 7. Проблемы медицины и психологии. Томск,2012.

14. Широков Е.А. Гемодинамические кризы. —М.: Издательство КВОРУМ, 2011.

Глава 3
Биодинамика и функциональные системы

Одним из фундаментальных свойств окружающего мира, включая биологические объекты, является непрерывное движение. Движению подвержено всё – от космических тел, до молекул и атомов. Прямолинейное и равномерное движение не единственное свойство движущейся материи. Вращение и движение по круговым орбитам составляет основу динамической организации Солнечной системы (Рис. 3.1.).

Рис. 3.1. Природа колебательного движения

Множество замкнутых циклов, большинство их которых имеет форму эллипса, определяет периодичность воздействия на биосферу Земли различных физических факторов – света, тепла, электромагнитного поля. Если зарегистрировать изменения одного из многочисленных физических параметров, например, температуру на поверхности тела, вращающегося по кругу вокруг источника тепла, получится кривая. Эта кривая будет отражать фазовые переходы вокруг некой средней линии – колебательное движение. В самом упрощенном виде это и есть флуктуации, которые отражают цикличность всех процессов в микро– и макромире. Космическая механика с циклическими перемещениями и вращениями определяет сущность динамической организации всего остального, включая биологические объекты. В трехмерном пространстве траектории космических тел образуют так называемые эллипсоиды – сферы приплюснутой формы, составленные из множества «генераторов» колебаний – флуктуаций.

Колебания определённой частоты, амплитуды и периодичности можно без преувеличения назвать языком Вселенной. Любая материя является носителем волновых свойств: свет, звук, радиоволны или магнитное поле. Бесконечное разнообразие флуктуаций – общее свойство процессов, происходящих в живой клетке, в организме человека, в биосфере в целом. Вибрации, по мнению А. Клизовского, отражают свойства материи: чем выше ее организация, тем выше частота колебаний¹. Существование жизни на планете настолько тесно связано с ритмичным действием глобальных факторов, что все биологические объекты не только подчинены этим влияниям, но и сохраняют генетическую память о реликтовых ритмах, существовавших в Космосе миллионы лет назад^2-4. Установлено, что появление биоритмов в онтогенезе связано с созреванием различных структур организма человека³. Ритмическая активность сложных биологических объектов непосредственно связана с периодическими изменениями геометрии органов, что в целом определяет пространственно-временную организацию биологической системы. Биологические системы непрерывно взаимодействуют с окружающим миром, приспосабливаются к его изменениям, реагируют на внешние стимулы, обмениваются с внешней средой информацией и веществами. Организм человека, как и другие биологические объекты, является сложной открытой биологической системой.

Открытая система – это система, которая обменивается веществами, энергией, информацией с окружающей средой⁵.

Сложность организма человека определяется не только и не столько многообразием биохимических субстратов и структурных образований, сколько разнообразием функциональных связей в жизненном цикле. Организация сложных открытых динамических систем подчинена масштабной инвариантности, основные принципы которой были определены ещё учением Г. Лейбница о монадах. Теперь мы чаще говорим о фрактальной закономерности в устройстве окружающего мира⁴.

Фрактал (лат. fractus – дробленый) – термин, означающий геометрическую фигуру, обладающую свойством самоподобия, то есть составленную из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком⁵.

Многие объекты и явления в природе обладают фрактальными свойствами. Например, кроны деревьев, кровеносная система человеческого организма, русло реки и т. д. Одна и та же схема структурной и динамической организации обнаруживается в разных масштабах⁶. В этом смысле клетка, орган, организм как биологическая система в своей пространственно-временной организации отличаются только размерами. Основным динамическим свойством, объединяющим сложные системы фрактального мира, являются колебания – флуктуации. Частота колебаний наиболее точно отражает иерархическое устройство фрактального мира. Принцип фрактальности предполагает, что общее состоит из частностей, каждая из которых несет в себе черты общего. Вибрации разной частоты, циклические процессы, направленные когерентные движения – объединяют частности в общие пространственно-временные структуры.

Общий диапазон колебаний на уровне клетки и клеточных структур – от 100 микросекунд, до сезонных и годовых ритмов, которые отражают циклические изменения размеров клетки⁷. Клетки образуют сложные динамические системы иногда структурно не принадлежащие одному органу Примером может служить система клеток, обладающих нейроэндокринной активностью (АПУД-система), представленная в разных органах. Следующий фрактальный уровень – это динамическая организация органов и систем. Наиболее демонстративны, а главное хорошо изучены, динамические характеристики системы кровообращения. Частота сердечных сокращений, артериальное давление, величина периферического сопротивления – динамические параметры функционального состояния сердца и сосудов. Таких крупных движений нет на клеточном уровне, однако это не меняет принципов динамической организации биологических систем – флюктуации меняют лишь частоту. Исследования гемодинамических параметров кровообращения стали неотъемлемой частью рутинного клинического исследования здоровых лиц и больных^8,9. При этом частотные характеристики постепенно уступают место выявлению циклических закономерностей. Оценка изменений суточного профиля артериального давления, например, в настоящее время признаётся необходимым элементом диагностического процесса.

Таким образом, все биологические системы находятся в непрерывном двигательном колебательном режиме, формирующем циклы различной конфигурации, которые в системе из двух координат можно записывать в виде фазных кривых, имеющих определенную форму, отражающую динамические особенности цикла. Наиболее демонстративным примером такой регистрации может служить обыкновенная электрокардиограмма (ЭКГ), отражающая фазы сердечного цикла. Динамический стереотип любой устойчивой колебательной системы определяется, при условии сохранения цикла, амплитудой колебаний, позволяющих в определенных пределах сохранять равновесие, при необходимости сохранить пластичность в непрерывно изменяющихся внутренних и внешних условиях. При этом все системы биологических живых объектов являются сложными, т. е. подчиненными воздействию разных ритмов (реликтовых, годовых, суточных, собственных и др.). С точки зрения биодинамики организм человека является сложной открытой колебательной системой, элементы которой могут находиться в состоянии равновесия или неустойчивого равновесия.

В процессе эволюции от зарождения жизни на Земле, от одноклеточных живых существ до Человека, совершенствовались механизмы управления, необходимые для приспособления биологической системы к изменяющимся условиям существования. Гуморальный путь регуляции, обеспечивающий реакцию различных звеньев системы на управляющие стимулы посредством выделения во внутреннюю среду различных химических веществ (гормонов), был, вероятно, наиболее древним механизмом регуляции функций. Совершенствование каналов управления в филогенезе ассоциировалось с развитием нервной системы – более быстрой, целенаправленной, с развитыми обратными связями. Идеи нервизма С. П. Боткина, И. П. Павлова, И. М. Сеченова и других исследователей обнаружили совершенно новые качества нервной системы: пластичность, способность к обучению и самосовершенствованию. Нейрогуморальный механизм управления биологическими системами не только близок к совершенству по своей эффективности и надежности, но и глубоко понятен с точки зрения материалистического детерминизма. Цепи биохимических реакций с предсказуемыми результатами можно моделировать, а течение биохимических процессов изменять, блокируя или активизируя соответствующие ферменты. Последствия таких вмешательств чаще всего носят характер линейной зависимости. Легко представить себе процесс прохождения возбуждения по нервным структурам, выделить клинические синдромы, которые возникают при повреждении тех или иных образований центральной и периферической нервной системы. Результат повреждения периферического нерва – демонстративный пример реализации линейных причинно-следственных отношений. Однако есть достаточные основания полагать, что нейрогуморальный механизм управления в регуляции функций не единственный путь эволюции каналов связи. Исходя из представлений о временной и пространственной организации, вполне естественным представляется предположение о существовании механизмов передачи информации, действие которых не обусловлено процессами химических или электрических преобразований. Существование биологической памяти о реликтовых ритмах, которые сформировались, когда сутки продолжались 8 (период зарождения жизни), а затем 16 часов (возникновение многоклеточных организмов), убедительно свидетельствует об этом³. Научные исследования последних лет демонстрируют «работающие» молекулярные часы, ритмическая и периодическая активность которых представлена во всех клетках⁹. Активность генетических молекулярных механизмов обеспечивает синхронизацию функций на основе циркадных ритмов⁹¹⁰. Вероятно, в процессе эволюции обмен информацией появился раньше, чем обмен веществ. Информация передавалась путём распространения колебаний по принципу «всё – всем». Вместе с усложнением биологических систем появилась и избирательная чувствительность тканей к колебаниям определённой частоты – элементы адресной передачи информации. Не исключено, что существуют разные способы «чтения» волновых посланий, но, несомненно, самый остроумный из них – это резонанс.

Резонанс (лат. – «откликаюсь») – явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. При помощиявления резонанса можно выделить и (или) усилить даже весьма слабые периодические колебания. Резонанс – явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынужденной силы, колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы.

Поскольку колебания – это неотъемлемое свойство материи, представляется очевидным существование спектра таких колебаний, при воздействии которых система или отдельные её звенья «откликаются» на это воздействие возбуждением. Нет никаких сомнений в том, что биологические объекты подчинены тем же закономерностям поведения динамических систем, что и объекты неживой природы^11,12,13. На практике с реакцией тканей организма в ответ на действие внешних колебаний сталкивается каждый врач, получая, например, результаты исследования методом магнитно-резонансной томографии. Структуры головного мозга, помещенные в высокочастотное магнитное поле, подчиняются внешним колебаниям. Однако частота колебаний, которая возникает в тканях под действием навязанного ритма, оказывается различной для разных тканей в зависимости от особенностей их строения и метаболизма. Пример с использованием в медицинской практике магнитно-резонансной томографии лишь подтверждает существование явления парамагнитного возбуждения биологических структур, которое возникает в ответ на воздействие переменного магнитного поля. Однако воздействие мощного магнитного поля нельзя назвать физиологическим. Кроме того, ответ тканей на воздействие этого поля нельзя, строго говоря, назвать резонансным (Рис. 3.2.).

Рис. 3.2. Очень сильное и очень слабое волновое воздействие

На очень сильное воздействие отвечают все структуры, находящиеся в зоне влияния источника (А). На воздействие слабое или очень слабое (В), отвечают только те элементы системы, которые «настроены» на воздействующую частоту.

В этом и состоит главное преимущество резонансной биодинамики, как канала управления:

очень слабый стимул может вызвать адресное возбуждение биологических структур, характер которого определяется их собственными свойствами.

Резонансный ответ живой клетки на волновое воздействие, как показали исследования последних лет, связан не с монотонными колебаниями определённой частоты, а с многочастотным кодом^7,12. Такой код может содержать несколько частот, которые группируются в пачки. Для живых организмов характерно явление многочастотного параллельного резонансного захвата – феномена восприятия клеткой биологического кода. Пороги таких многочастотных кодированных воздействий на изолированную клетку в эксперименте оказались на порядок ниже, чем простых одночастотных^7,11. Чрезвычайно высокая чувствительность тканей к сигналам крайне малой мощности, вероятно, является приобретением эволюции. Подобное усложнение волнового механизма управления не представляется излишним. Таким путём достигнуто увеличение устойчивости и надёжности системы от случайного воздействия. Кодирование, кроме защиты, обеспечило увеличение избирательности и чувствительности системы. Более того, резонансная биодинамика обеспечивает феномен инверсии ответа: мощный стимул не вызывает возбуждения элементов системы, но сверхмалый сигнал может активизировать адекватную физиологическую реакцию. Развитие и совершенствование подобного способа управления вполне объяснимо с точки зрения эволюции – открытая биологическая система подвержена мощным внешним воздействиям, большинство из которых способно разрушить биологический объект или нарушить его функции. В этих условиях резонансные ответы на крайне малые кодированные сигналы представляются идеальным защищённым каналом управления. Не исключено, что малая энергия слабых колебаний поддерживается за счёт шума – беспорядочного множества колебаний различной частоты и амплитуды¹⁴.

Стохастический резонанс – усиление периодического сигнала под действием шума – универсальное свойство нелинейных систем, находящихся под одновременным воздействием хаотического и слабого периодического воздействия.

Установлено, что явления стохастического резонанса присущи функциям головного мозга¹⁵. Резонансные механизмы принимают участие в таких когнитивных функциях как: познание, узнавание, память. Отчасти именно это обстоятельство и объясняет безуспешность попыток обнаружить биохимический или структурный компонент памяти и мышления. Очевидно, что наряду с нейрогуморальными путями управления, резонансная биодинамика составляет неотъемлемую часть формирования адаптивных ответов со стороны всех органов и структур, в том числе и системы кровообращения. Работа водителей ритмов, высокая и избирательная чувствительность сердца и сосудов к крайне слабым волновым воздействиям – свидетельствуют об участии резонансных механизмов в регуляции кровообращения.

Несомненным преимуществом волновых резонансных каналов связи и управления можно считать возможность функционирования без участия специализированных структур (рецепторов), обеспечивающих восприятие сигналов. Клетка принимает частотные коды «всем телом», сохранив эту способность с периода зарождения жизни. Существуют и другие несомненные преимущества резонансных волновых каналов управления. Вот лишь некоторые из них:

• Отсутствие специальных проводящих тканей, подобных нервным проводникам.

• Отсутствие биохимических медиаторов для передачи сигнала.

• Высокая скорость передачи информации.

• Отсутствие физических препятствий и других помех для передачи волновых сигналов.

Можно учесть и другие, уже перечисленные преимущества, такие как: избирательность, точность, возможность передачи информации с крайне малыми затратами энергии или без затрат энергии вовсе. Это, последнее положение, лишь на первый взгляд представляется фантастическим. Если движение – это свойство матери, в том числе биологических структур, то для возникновения резонансных ответов нет необходимости в создании нового движения. Для резонансного ответа необходимо лишь совпадение движения по частоте, вектору, амплитуде и другим физическим параметрам.

Таким образом, резонансная биодинамика является совершенным и малоизученным механизмом регуляции функций в живых биологических системах. Волновые свойства клеток, тканей, органов изменяются как в процессе физиологического старения, так и в рамках патологических процессов.

Пространственно-временное устройство открытых сложных биологических систем подчинено уже известным принципам иерархии и фрактальности^4,9. Можно представить себе организм человека как совокупность динамических подсистем, каждая из которых в свою очередь состоит из подсистем следующего порядка. Но, в отличие от анатомических представлений об устройстве организма, динамические структуры не имеют обособленного пространства, которое мы привычно отождествляем с органами. Ближе всего к современным представлениям о сущности таких динамических конструкций оказывается древняя китайская концепция У-Син («Сии» – движение). В ее основе лежат представления о циклическом движении, которое как нельзя более точно корреспондируется с фазными изменениями функций в циклах сердечной деятельности. Однако учение У-Син трактует движения как функции, которые выходят далеко за пределы анатомических границ органов. Сам характер движения (вектор, частота, периодичность) определяет общность между разными по функции и отдалёнными по топографии органами и системами. Такие связи, согласно этому учению, существуют между почками и мочевым пузырём, желудком и тонкой кишкой. Если эти отношения и современному врачу не кажутся противоестественными, то функциональные связи между органами, не относящимися к одной системе с позиций анатомии и физиологии, трудно поддаются пониманию. Между тем, по У-Син в одну динамическую систему объединяются сердце, легкие, печень и селезёнка. Таким образом, колебательное движение, а точнее динамическая организация, является свойством, которое служит основанием для возникновения и сохранения функциональных систем, совокупность которых и определяет жизнедеятельность организма как сложной биологической системы.

Диапазон собственных колебаний различных структур организма человека, отражающий биохимические и биофизические процессы, происходящие в тканях, хотя и имеет широкие пределы, но сохраняет закономерную частотную иерархию: чем выше интеграция, тем ниже частота (Табл. 3–1).

Таблица 3–1

Иерархия собственных колебаний различных структур биологической системы

Для всех уровней колебательных систем характерно излучение всех видов физических полей, в том числе электромагнитных¹⁶. По-видимому, совпадения собственных частотных характеристик служат основанием для формирования динамических структур, близких к функциональной концепции У-Син. Синхронизация колебательных систем одного иерархического уровня обеспечивает их функционирование независимо от топографии и анатомической принадлежности¹⁷. Однако принадлежность к тому или иному иерархическому слою обеспечивает лишь готовность, потенциал реагирования, общность внутренних задач. Имеющие собственные колебательные характеристики с соответствующими физическими полями динамические подсистемы подчинены ведущим ритмам, которые обеспечивают основу функционирования открытой биологической системы – связь с внешней средой и способность к адаптации. Это необходимое условие жизнеспособности организма обеспечивается механизмами хорошо изученной нейроэндокринной регуляции, в центре которой находятся такие управляющие структуры как гипоталамус и гипофиз. В отличие от гормонального пути управления, волновые каналы, функционирующие по принципу резонансных ответов, обеспечивают устойчивость динамических систем, которые подчинены ведущим ритмам. Источниками ведущих ритмов служат специализированные структуры нервной системы, выполняющие роль генераторов (осцилляторы) электромагнитных колебаний определённой частоты и последовательности – биологических кодов^12,15. В настоящее время локализованы и более или менее изучены осцилляторы ствола головного мозга и водители ритма сердца. Важнейшая роль водителей ритмов в динамической организации сложной биологической системы заключается в её… оживлении.

Совокупность биологических субстанций (клетки, ткани, органы) становятся живым организмом только при условии сохранения функции водителей ритмов, которые создают устойчивую резонансную динамическую систему.

Основным свойством ведущих ритмов является их способность подчинять флуктуации нижележащих колебательных систем, обеспечивая не только цикличность, но и синхронизацию ритмов, их когерентность^15,17,18.

Когерентность – согласованное во времени и пространстве поведение элементов внутри системы⁵.

Принцип когерентности, обеспечивающий согласованность движений в рамках функциональных систем, является необходимым условием их эффективной работы. Наиболее близкий пример когерентной функции в замкнутом цикле можно наблюдать в работе сердца – последовательные сокращения предсердий и желудочков создают условия для продвижения крови в большой круг кровообращения.

Стабильные резонансные системы, объединённые общими динамическими свойствами, управляемые водителями ритмов, отличаются способностью притягивать близкие по волновым характеристикам частоты, способны вести себя как аттракторы¹⁹.

Аттрактор – устойчивое состояние (структура), определяемое различными начальными условиями, которое «притягивает» к себе всё множество «траекторий» системы. Если система попадает в область притяжения аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому устойчивому состоянию⁵.

Формирование устойчивых динамических резонансных систем является одним из видимых проявлений закона фрактальности. Организм человека, если его рассматривать как стабильную резонансную систему, стремится к сохранению своей динамической организации. Устойчивость резонансных структур в биологических объектах можно относить к проявлениям гомеостаза как общего свойства живых саморегулирующихся систем. Возможно, в организме человека функционирует множество генераторов резонансных систем, но хорошо изучены свойства лишь двух – главного водителя ритма супрахиазматического ядра гипоталамуса (СХЯ) и синусового узла проводящей системы сердца (СУ). Специальными исследованиями установлено, что нейроны СХЯ обладают автономной, спонтанной активностью с частотой 1– 20 Гц, которые регистрируются в виде отдельных разрядов, пачек и групп импульсов с разными периодами между пачками (биологический код)^3,7.

Как известно, частота СУ существенно меньше: 1,0–1,5 Гц (60–90 импульсов в минуту). Частота атриовентрикулярного узла 0,5–1,0 Гц. Очевидно, что иерархия осцилляторов противоположна иерархии собственных частот органов и систем – более высокие частоты вышележащих отделов нервной системы имеют приоритет перед низкими частотами подчинённых осцилляторов. Ближайшие подчинённые осцилляторы находятся в различных образованиях центральной нервной системы^3,20. Экспериментальные исследования показали, что при совпадении частот СХЯ в других структурах головного мозга, возникают пиковые резонансные ответы, которые сопровождаются повышением уровня некоторых гормонов в крови в 100-1 000 раз³.

Локализация главного водителя ритма в области гипоталамуса свидетельствует о ведущей, координирующей роли этого осциллятора, определяющего синхронизацию и когерентность всех подчинённых систем и их связь с внешним миром. Ретикулярная формация может в таком случае играть роль каскадного усилителя главного водителя ритма. Многочисленные исследования биоэлектрической активности мозга свидетельствуют о высокой степени синхронизации в работе его структур^21,23. Принципиально важно, что специализированные образования нервной системы (осцилляторы) оказывают влияние не только на циркадные суточные, месячные, годовые и другие ритмы (это свойство биологические системы получают по наследству)^3,8,24,25. Не менее важна роль водителей ритма как организаторов устойчивых резонансных систем, обеспечивающих синхронность и когерентность функций.