Тезисы докладов

Вид материала

Содержание

Математическое моделирование энергетического гомеостаза
Исследования и разработки новых информационных технологий анализа динамики электрической активности мозга

Подобный материал:

1 ... 37 38 39 40 41 42 43 44 ... 96

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ГОМЕОСТАЗА

Г.И.Марчук, А.А.Романюха, В.Н.Анисимов, Т.Е.Санникова

УРАН Институт вычислительной математики РАН

Увеличение частоты онкологических заболеваний в старших возрастных группах подтверждается многочисленными клиническими и экспериментальными данными. Считается, что рост частоты онкологических заболеваний обусловлен комплексом причин, среди которых выделяются ослабление общего и противоопухолевого иммунитета, кумулятивный эффект соматических мутаций, истощение регенераторного потенциала тканей из-за сокращения длины теломер и уменьшения количества стволовых клеток, нарушения свойств соединительной ткани и ухудшение питания клеток, изменение гормональной регуляции и ряд других механизмов.

Одним из факторов, влияющим на возрастную динамику канцерогенеза, является состояние энергетического обмена. Результаты эпидемиологических и экспериментальных исследований показывают, что избыточное питание, увеличенный вес, ожирение сопровождаются увеличением частоты опухолей различной локализации. Ограничение калорийности питания, физические упражнения уменьшают частоту образования опухолей. Аналогичный эффект дает применение метформина. В качестве фактора, определяющего частоту образования опухолей, рассматривается повышенная продукция окислительных радикалов.

Целью работы является исследование возрастных изменений энергетического гомеостаза и скорости канцерогенеза, влияния на них калорийности питания. Исследования проводились с помощью математической модели энергетического гомеостаза с использованием данных, полученных на экспериментальных животных.

Модель явно учитывает принципы и ограничения физиологических и метаболических систем многоклеточных организмов:

зависимость скорости повреждения клеток от интенсивности функциональной нагрузки и точности поддержания гомеостаза;
различные приоритеты доступа к энергетическим субстратам физиологических систем организма.

Уравнения модели описывают расход энергии на поддержание гомеостаза внутренней среды, регенерацию повреждений метаболической машины, регенерацию тканей, физическую активность и размножение.

По литературным и экспериментальным данным проведена оценка параметров модели. Настройка модели проводилась последовательно физиологическим процессам и системам: регуляция гомеостаза внутренней среды включая уровень глюкозы и СЖК (быстрый процесс), регуляция резервов и регенерации метаболических систем (медленные процессы).

Вычислительные эксперименты показали, что модель описывает возрастное снижение функционального резерва систем поддержания гомеостаза, кахексию, увеличение скорости образования опухолей. Снижение калорийности питания на 30 % приводило к увеличению продолжительности жизни на 12 % и снижению скорости образования опухолей.

Динамика старения и онкогенеза зависят от величин параметров доступа к энергетическим субстратам физиологических систем организма, которые также определяют размножение и физическую активность. Можно предположить, что возрастная динамика канцерогенеза и старения являются результатом эволюционной адаптации и соотношение между процессами поддержания и размножения, соответствуют максимуму относительной приспособленности. Проверка этой гипотезы является задачей дальнейших исследований.

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ АНАЛИЗА ДИНАМИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МОЗГА

С.А.Никитов¹⁾, Б.П.Безручко²⁾, А.А.Морозов¹⁾, Ю.В.Обухов¹⁾

¹⁾ Институт радиотехники и электроники им. В.В.Котельникова РАН

²⁾ Саратовский филиал Института радиотехники и электроники

им. В.В.Котельникова РАН

В рамках проекта была разработана и программно реализована информационная технология статистического анализа магнито-энцефалографических (МЭГ) сигналов, полученных с использованием парадигмы вызванного отклика, направленная на выделение источников сигналов в моторных областях коры мозга. Задача выделения источников сигналов в моторных областях мозга является крайне актуальной в нейрофизиологии, так как расположение моторных зон мозга необходимо учитывать при нейрофизиологических операциях, и любая информация о физическом расположении этих зон позволяет существенно снизить риск хирургического вмешательства и минимизировать побочные последствия. Исследованы и разработаны статистические методы анализа сигналов магнитного энцефалографа (МЭГ), направленные на разделение сигналов, поступающих из разных зон коры мозга. МЭГ – данные были получены в МЭГ-центре Московского городского психолого-педагогического университета, который является партнёром ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН. Для получения данных использовалась парадигма вызванного отклика, при этом одновременно с МЭГ (306 каналов) производилась запись миографических сигналов, сигналов акселерометров и др. Таким образом, экспериментальные данные являются гетерогенными и представляют собой тензор третьего ранга. Разработанные нами методы обработки сигналов основаны на обобщённом методе главных компонент (декомпозиция Такера), факторном анализе с прямоугольным и косоугольным методами вращения. Исследовались также подходы на основе комплексного представления сигналов, полученных с ортогональных градиометров МЭГ-системы, и соответствующие методы комплексного анализа. Разработанная информационная технология реализована программно и в настоящее время проходит апробацию в МЭГ-центре МГППУ. Требуется дальнейшее тестирование и доводка технологии на клинических данных. Результаты планируется внедрить в МЭГ-центре МГППУ и НИИ нейрохирургии им. академика Н.Н.Бурденко.

Проведено исследование динамики различных областей головного мозга крыс линии WAG/Rij (моделей абсансной эпилепсии – неконвульсивной формы эпилепсии с непредсказуемым наступлением припадков) в различных состояниях и получены количественные показатели перехода от нормальной динамики к патологической. Анализ проводился по экспериментальным данным, которые представляли собой записи локальных потенциалов из лобной и затылочной коры, ретикулярного и вентропостеромедиального ядер таламуса. Известно, что три из этих четырех областей (все, кроме затылочной области коры) принимают активное участие в формировании эпилептического (пик-волнового) разряда. При анализе строились индивидуальные прогностические модели в форме линейных и нелинейных процессов авторегрессии с оценкой ошибки прогноза и оптимальной размерности модели – показателей предсказуемости и «сложности» процессов. А также исследовались взаимодействия между исследуемыми областями мозга на основе оценки причинности по Грейнджеру. При статистической обработке результатов анализа нескольких сотен эпилептических разрядов от пяти животных обнаружено, что в среднем имеет место упрощение динамики (уменьшение размерности оптимальной модели и ошибки ее прогноза) перед пик-волновым разрядом по сравнению с фоновой активностью. Аналогичным образом установлено усиление влияния ядер таламуса на лобную кору и уменьшение влияния других структур мозга на ретикулярное ядро перед разрядом.