A szív biofizikája egy tudományos irányzat a kardiológia és a biofizika olyan szakaszai metszéspontjában, mint a komplex rendszerek biofizikája, az orvosi biofizika, a bioenergetika , a bioelektromosság, az anyagcsere biofizikája, a szívműködés fizikai vonatkozásait vizsgálja szervezetének minden szintjén, kezdve. molekulák és sejtek a szív- és érrendszerbe.általánosságban , valamint a különböző fizikai tényezők szív- és érrendszerre gyakorolt hatását is tanulmányozza.
A " szív- és érrendszeri fizika" és a " szív- érrendszeri fizika " kifejezések egyenértékű kifejezésként is használhatók .
Gyakorlati területei közé tartoznak a következők:
A fizikusok és a kardiológusok szoros együttműködésének eredményeként létrejött az aritmológia [b 1] - a szívritmus interdiszciplináris orvosbiológiai tudománya , amely biofizikai megközelítéseket alkalmaz a szív munkájának vizsgálatához normál és kóros állapotokban.
A szívműködés tudományos tanulmányozása általában Luigi Galvani olasz orvos, anatómus és fiziológus munkájára vezethető vissza , aki 1791-ben publikálta az A Traktátust az elektromosság erőiről az izommozgásban. Ez a felfedezés lendületet adott az elektrofiziológia fejlődésének . A mikroszkópia fejlődésével párhuzamosan az élő tárgyak elektromos jelenségeinek rögzítési technikájának fejlesztése egy új tudomány- fiziológia lényegévé vált .
Willem Einthoven holland fiziológus , akinek sikerült megkonstruálnia egy szál galvanométert , és orosz barátja, Alexander Samoilov munkája fektette le az elektrokardiográfia alapjait [kb. 1] , amely valójában az egész 20. században a szív munkájának tanulmányozásának fő módszere maradt mind az orvosi gyakorlatban, mind a tudományos kutatásban.
Az 1980-as évekig teljesen dominált az élő tárgyak leírásának fiziológiai koncepciója.
A komplex rendszerek (amelyek biológiai objektumok) mechanisztikus megközelítése hiányosságainak tárgyalása kapcsán érdemes megemlíteni A.K. 1987-ben megjelent munkáját [b 2] . Gránátos . Részletesen leírja, hogyan működnek a szívizomsejtek különböző ioncsatornái , milyen farmakológiai szerek befolyásolhatják egyes ioncsatornák vezetőképességét, és ez milyen következményekkel jár a szívizom működésének szabályozása szempontjából. Ennek és a hasonló munkáknak köszönhetően az antiarrhythmiás gyógyszerek új csoportjai kerültek be az orvosi gyakorlatba. Tíz évvel később, a bizonyítékokon alapuló orvoslás keretein belül végzett multicentrikus vizsgálatok során azonban kiderült, hogy a bármilyen antiaritmiás szert kapó személyek mortalitása magasabb volt, mint az antiarrhythmiás kezelésben nem részesülő kontrollcsoportban. [b 1] [b 3]
A mai napig a gyógyszeres terápia a veszélyes szívritmuszavarban szenvedő betegek kezelésének fő módszere, de a siker valójában a betegek legfeljebb 60%-ánál ér el minden osztályba tartozó antiaritmiás szereket és azok kombinációit [a 1] [a 2] - más szóval , körülbelül 50 és 50 közötti valószínűséggel. S.P. Golitsyn a következő szavakkal jellemzi az életveszélyes szívritmuszavarok farmakoterápiájának jelenlegi állapotát:
potenciálisan bármely ismert antiaritmiás gyógyszer: a) antiaritmiás hatást fejt ki; b) nem biztosítja; c) aritmogén hatást mutatnak. És mindez egyénileg kiszámíthatatlan. Ezért a rosszindulatú kamrai aritmiában szenvedő betegeknél a nem csak hatékony, de biztonságos terápia megválasztása is farmakológiai vizsgálatokat igényel.S.P. Golitsyn, 2000 [a 1]
Autowave folyamatok a szívbenAz autóhullámokról először azután kezdtek beszélni, hogy 1946-ban megjelent Norbert Wiener és Arthur Rosenbluth cikke , amely már régen klasszikussá vált [a 3] [b 4] ; és csak a szívről, vagy inkább a szívizomról volt szó .
Ahogy a biológia ismereteink elmélyülnek, azt fogjuk tapasztalni, hogy a biológia és az elektronika közötti különbség egyre inkább elmosódik.F. Dyson . Az Univerzum békéjének megtörése
Ilyen szavak 1984-ben. könyvük epigráfiájának választotta [b 5] V.I. Krinsky és A.S. Mihajlov . Az epigráfot nem véletlenül választották: elvégre már akkor világossá vált, hogy az élő anyag 19. század végétől ismert tulajdonságai (például az ingerlékenység) ugyanazoknak a természeti törvényeknek engedelmeskednek (és hasonló matematikai egyenletekkel írják le). ), amelyek az akkori elektronikai iparban használt eszközökre is igazak. Például A.A. vezetésével. Andronov , a szovjet tudósok csoportja ( M.I. Feigin és mások) a trigger tulajdonságait tanulmányozták , amely minden típusú elektronikus memória szükséges eleme. A biológiai evolúció által létrehozott élő és az emberi kéz által létrehozott élettelen közötti hasonlóság valóban szembeötlő volt.
1970. február 7-én megjelent egy cikk A.M. Zhabotinsky és A. N. Zaikin , akik a kémiai oldatban előforduló autohullám jelenségekkel foglalkoznak (amely mára Belousov-Zhabotinsky reakcióként vonult be a történelembe ).
Valamivel korábban, 1968-ban V.I. Krinsky feltételezte [b 6] , hogy az élettelen természetben (kémiai oldatban) megfigyeltekhez hasonló autohullámos folyamatok is felelősek lehetnek a szívritmuszavarokért. Ez a sejtés megjelent V.I. Krinsky Norbert Wiener és Arthur Rosenbluth 1946-os cikkének és A. N. eredményeinek összehasonlítása eredményeként. Zaikina , A.M. Zhabotinsky , A.M. Taranenko (aki akkoriban végzős hallgató volt) és az akkoriban a Moszkva melletti Puscsino városában létrehozott biológiai kutatási tudományos központ többi alkalmazottja. Az 1980-as évek közepén V.I. Krinsky a kutatás eredményeit összefoglaló két közleményt publikált [b 5] [b 7] ; már ezekben az években megfogalmazódott bennük minden fő gondolat, ami aztán a következő 20 évben, egészen a 20. század végéig, a 21. század első éveiben a szívükben inspirálta az autohullám-kutatókat.
Így ezekben az években Puscsinóban megalakult egy tudóscsoport: I. R. Efimov , V. V. Biktasev , O. A. Mornev , A. V. Panfilov , R. R. Aliev és még sokan mások, akik valójában az autohullámok szovjet tudományos iskoláját , V. I. tudományos iskoláját alkották. Krinsky , és ezek az emberek nagymértékben meghatározták a szívben zajló autohullám-folyamatok kutatásának menetét a világtudományban, szoros kapcsolatot ápolva egymással az 1991-ben részekre szakadt Szovjetunióból való emigráció után is .
A látszólag nem V. I. Krinsky által ihletett , hanem független tudományos elképzeléseknek tűnő eredmények közül talán csak kettő érdemel figyelmet: 1) I. R.
vezette tudóscsoport dolgozta ki. Efimov elmélete a virtuális elektródáról [a 4] [a 5] [a 6] és
2), amelyet M.E. Mazurov elmélete az oszcillátorok szinkronizálásáról [a 7] [a 8] , – amely jelentősen megingatta V. I. Krinsky iskolája által az autohullámokra létrehozott eredeti axiómarendszert .
M. E. Mazurov egyik fő eredménye annak a bizonyítéka, hogy az autohullámú pacemakerek rendszerében a teljes oszcillációs frekvenciájukat egyáltalán nem a legmagasabb frekvenciájú elem határozza meg, ahogy azt a Krinsky-iskola állítja, hanem egy sokkal inkább egy alapelv szerint állapítják meg. összetett minta, matematikailag jól leírva.
M. A. Ciganov az autóhullámok erős független Pushchino kutatója is .
A külföldi kutatók közül Denis Noble -nek és csapatának óriási szerepe van mind a szívizom különböző típusainak autohullámmodelljeinek kidolgozásában, mind a szívbiofizika koncepciójának kidolgozásában.
Az "autowaversek" munkájával párhuzamosan a szívműködés tanulmányozása más irányokba ment.
Elektromos szívgenerátorA szívizomban zajló autohullám jelenségek vizsgálatával egy időben a szívben zajló elektromos folyamatokat a klasszikus elektrodinamika szemszögéből próbálták leírni , hogy megállapítsák, vajon az elektromágneses tér természetének ugyanazok a törvényei érvényesek-e az élő szervezetekre, amelyek élettelen anyag számára feltárva.
A témával foglalkozó korai munkák közül példaként V. E. Belousov 1969-ben megjelent könyvét említjük [b 8] .
R.Z. Amirov kiadott egy könyvet [b 9] , amely az emberi mellkas felszínén lévő elektromos mező mérésével foglalkozik.
Nagy és érdekes munka történt az O.V. laboratóriumában. Bauma [a 9] [a 10] .
A klasszikus munka ezen a területen P. Kneppo és L. I. Titomir [b 10] munkája , akik erőfeszítéseikkel megfogalmazták a szív egyenértékű elektromos generátorának koncepcióját , valamint elméleti megközelítéseket dolgoztak ki a szív inverz problémájának gyakorlatilag elfogadható megoldására. elektrodinamika az elektrokardiológiában .
Egy tudóscsoport, amelyet L.I. Titomir a szív elektromos generátorának matematikai modelljei segítségével a "DEKARTO" és a "MULTEKARTO" alapvetően új módszereit alkotta meg a szív elektrofiziológiai állapotának precíz hivatkozással történő értékeléséhez szükséges adatok értelmes és figuratív bemutatására. anatómiai szerkezet (ezt a módszert a szív elektromos aktivitására vonatkozó adatok elemzésére használták a "Világ" űrállomás űrhajósainál). A DECARTO komplexet sikeresen alkalmazzák az Orosz Föderáció Egészségügyi Minisztériumának Orosz Kardiológiai Kutató- és Termelési Komplexum Új Diagnosztikai Módszerek Osztályán, a Szlovák Tudományos Akadémia Normál és Patológiai Élettani Intézetének Diagnosztikai Osztályán és egyéb egészségügyi intézmények.
Az elektrokardiológia inverz elektrodinamikai problémájának megoldásához és az orvosi képalkotás fejlődéséhez nagyban hozzájárult Yoram Rudy amerikai tudós is [kb. 2] , amelynek vezetésével egy tudóscsoport az orosz DECARTO-rendszerhez hasonló módszertant [a 11] készített.
A kibernetikai megközelítés alkalmazásaAz orvosi és biológiai kibernetika területén dolgozó szakemberek a szívműködés optimális tudományos leírását is keresték.
Ennek a "tudományos műfajnak" a képviselői közül talán a leghíresebb PM Baevsky , aki az űrkardiológia egyik alapítója - az űrgyógyászat új tudományos és alkalmazott szekciója. Baevszkij miniszterelnök közvetlenül részt vett az állatok és emberek első űrrepüléseinek előkészítésében és orvosi támogatásában. Aktívan részt vesz az űrgyógyászat vívmányainak az egészségügyi gyakorlatban való megvalósításában. Még a 60-as években javasolt egy módszert a szívfrekvencia-variabilitás elemzésére a vérkeringés autonóm szabályozásának tanulmányozására az űrrepülés során. A következő években ezt a módszert széles körben alkalmazzák a klinikai gyakorlat és az alkalmazott fiziológia különböző területein. Jelenleg a szívfrekvencia variabilitásának elemzésére szolgáló módszere [b 11] általánosan elismert és az egyik legnépszerűbb a klinikai orvoslás és az alkalmazott fiziológia különböző területein.
A Baevsky PM által korábban javasolt módszerek egy meglehetősen érdekes – elméleti és gyakorlati – fejleménye található a „ Differenciális kronokardiográfia ” című disszertációban [kb. 3] [kb. 4] , amelyet a hazai kibernetika másik képviselője - V.F. Fedorov.
A kardiológia másik sikeres "kibernetikai" fejlesztése a Cardiovisor projekt, amelyet G.V. vezetésével hajtottak végre. Ryabykina és A.S. Sula mint a mintafelismerés elméletének gyakorlati alkalmazása [b 12] .
Dinamikus káosz a szívbenPM Baevsky nyomán számos kutató dolgozott ki saját megközelítést az így vagy úgy kapott kardiogramok elemzésére (elektrokardiogram, pulsogram, ritmuskép stb.). Mindezen megközelítések között fokozatosan kialakultak a dinamikus káosz elméletén alapuló idősorelemzési módszerek, amelyek elfoglalták teljesen egyedi rést .
Ebben a témában már rengeteg munka létezik a világon, például a szovjet tudományos iskola munkája, amelyet L.V. Mezentseva [b 13] [a 12] a NII NF im. más alkalmazottaival együtt. P. K. Anokhin RAMS.
Mechanoelektromos konjugáció a szívbenA modern kísérleti adatok azt mutatják, hogy van visszacsatolás a szív összehúzódási funkciója és gerjesztésének folyamata között, valamint a szívizom összehúzódásának mechanikai körülményeinek jelentős befolyása a gerjesztés folyamatára. Ellentétben a gerjesztés és a kontrakció konjugációjának jól tanulmányozott természetével, a mechanoelektromos visszacsatolás molekuláris-sejtes mechanizmusai, fiziológiai és patofiziológiai szerepe még mindig nem teljesen ismert.
Az Orosz Tudományos Akadémia Uráli Fiókjának kutatói V.S. Markhasin és laboratóriumának munkatársai ( L. B. Katsnelson , O. E. Solovieva , T. B. Sulman , P. V. Konovalov ) úgy vélik, hogy a mechanoelektromos kapcsolat élettanilag jelentős a normál szívizomműködés szabályozásában: összehangolt változásokat biztosít az intracelluláris kalcium akciós potenciáljában és kinetikájában. a mechanikai feltételektől függően, és további tényező a szívizom alkalmazkodásában a kontrakció külső mechanikai körülményeinek változásaihoz [a 13] .
Kiderült, hogy:
a szívizom heterogenitása, aktiválásának "helyes" sorrendjével együtt (lassabb elemektől a gyorsabbakig) a normál szívizomrendszer szükséges tulajdonsága, amely biztosítja az elemek összehangolt lokális aktivitását és optimalizálja a rendszer egészének globális működésétV.S. Markhasin et al., 2006 [a 13]
Így kiderült, hogy a szívritmuszavar nemcsak a szív elektromos aktivitásának, hanem a szív összehúzódási funkciójának megsértésével is összefüggésbe hozható, és hogy a szívritmuszavarok legfontosabb oka a szívritmuszavarok közötti szinkron kölcsönhatás megsértése. elektromos és mechanikai folyamatok a szívizomban. A szív aritmiája nemcsak elektromos aktivitásának megsértése, hanem tevékenységének egészének megsértése is . Ha az elektromos aktivitás zavarait a szívizom többsejtű rendszerének mechanikai tulajdonságai sikeresen kompenzálják, akkor a szív továbbra is hatékonyan látja el a pumpáló funkciót. Ezzel szemben még az elektromos gerjesztés "normál" terjedési sorrendje esetén is súlyos zavarok léphetnek fel a szív pumpáló funkciójában.
A 21. század eleje óta fokozatosan kezdett kialakulni egy új tudományos felfogás a biológiáról általában, és különösen a szív működéséről.
Ebben nagy szerepe van Denis Noble -nek , akinek munkái [a 14] [a 15] [a 16] [a 17] nagyban hozzájárultak egy új biológiai gondolkodás - az integratív gondolkodás, a szinergikus gondolkodás - kialakulásához.
A szívizomsejtek mechanoelektromos csatolásának vizsgálatával foglalkozó munkák [b 14] [a 13] , amelyeket orosz és brit tudóscsoportok közösen végeztek fiziológiai és számítási kísérletekben, szintén fontos mérföldkövet jelentettek a szív biofizika fejlődésében. E tanulmányok egyik társigazgatója Denis Noble - Peter Kohl tanítványa , aki egy időben sikeresen megkapta az "Orvosi kibernetika" szakot, miután a Lenin Állami Orvosi Orvosi Rend 2. Moszkvai Orvostudományi és Biológiai Karán végzett. Intézet .
A szív biofizikájának fejlesztésében nagy szerepet játszik Niels Wessel . A modern kardiológia szükségleteinek megértését különösen a következő szavakkal fejezte ki:
A kardiovaszkuláris szabályozás komoly összetettsége, a hormonális, genetikai és külső kölcsönhatások sokfélesége miatt többváltozós elemzésre van szükség, amely különböző lineáris és nem lineáris paraméterek kombinációján alapul. (…) A biológiai szabályozási rendszerek sok visszacsatoló hurkot tartalmaznak, amelyek közötti kölcsönhatás dinamikus. (…) Tekintettel ezekre a jellemzőkre, amelyeket inkább a rendszerelméletnek kellene tulajdonítani, a nemlineáris és a tudásalapú módszerek fejlesztése jobb diagnosztikai eredményekhez vezet a kockázatok rétegezésekor. (…) Egy másik cél tehát egy minőségileg új lépés megtétele: az adatelemzés és a modellezés kombinációja.
Eredeti szöveg (angol)[ showelrejt] A kardiovaszkuláris szabályozás nagy összetettsége, a hormonális, genetikai és külső kölcsönhatások sokfélesége miatt többváltozós megközelítésre van szükség, amely különböző lineáris és nemlineáris paraméterek kombinációján alapul. (…) A biológiai vezérlőrendszerek több visszacsatoló hurokkal rendelkeznek, és a dinamika a köztük lévő kölcsönhatásból adódik. (…) Tekintettel ezekre a meglehetősen rendszerelméleti jellemzőkre, a nemlineáris és egyben tudásalapú módszerek fejlesztése a kockázati rétegződés diagnosztikus javulását eredményezheti. (…) További cél tehát egy minőségileg új lépés megtétele: az adatelemzés és a modellezés kombinációja.Wessel et al., 2007 [a 18]
Niels Wessel 2009-ben a „szív- és érrendszeri fizika” szavakat használta kutatócsoportja – a Berlini Humboldt Egyetem Nemlineáris Dinamikai és Szív- és érrendszeri Fizikai Csoportja – hivatalos nevében .
A szív biofizikájának másik megalapítója Alekszandr Jurijevics Loskutov [b 15] [b 1] [b 16] [a 19] [a 20] [b 17] .
A szívbiofizika modern fejlődésének fő irányai különböztethetők meg: