WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

3. Синфазная синхронизация как медленных, так и быстрых ритмов авторегуляции, обусловленная электрохимической связью, является наиболее типичным эффектом в динамике триплетов взаимодействующих нефронов. Она наблюдается в более чем 90% записей сигнала проксимального давления. Противофазная синхронизация, возникающая из-за наличия гемодинамической связи, наблюдается в менее чем 10% записей.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации были представлены на научных конференциях: «Нелинейные дни в Саратове для молодых – 2005» (Саратов, 2005), «Хаотические автоколебания и образование структур» (Саратов, 2007), «Complex Dynamics and Fluctuations in Biomedical Photonics – III, V» (Сан-Хосе, США, 2006, 2008), научных школах-семинарах «Stat-Info» (Саратов, 2009), «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине – 2009» (Саратов, 2009). Результаты диссертации неоднократно обсуждались на научных семинарах кафедры радиофизики и нелинейной динамики Саратовского государственного университета, научно-образователь-ного центра «Нелинейная динамика и биофизика» (Саратовский государствен-ный университет), центра биофизики и сложных систем Датского технического университета (Люнгбю, Дания), центра динамики сложных систем Потсдамско-го университета (Германия, Потсдам).

По теме диссертации опубликовано 16 работ: 10 статей в журналах (включая 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ), 2 статьи в сборниках трудов конференций и 4 тезиса докладов.

Результаты работы использовались при выполнении трех государственных контрактов в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» – № 02.442.11.7181 (2005), № 02.442.11.7244 (2006), № 02.512.11.2111 (2007), грантов Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006-2008), а также индивидуального гранта фонда «Династия» (2007).

Личный вклад автора. Основные результаты, включенные в текст диссертации, были получены лично автором. При выполнении совместных работ автором осуществлялась обработка экспериментальных данных и численные исследования математической модели нефрона. Объяснение и интерпретация полученных результатов были проведены совместно с соавторами и научным руководителем.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитированной литературы и приложения. Она включает 87 страниц текста, 46 страниц рисунков, библиографию из 139 наименований на 17 страницах. Общий объем диссертации составляет 150 страниц.

Содержание работы

Во введении сформулированы актуальность работы, цели и задачи исследо­вания, научная новизна и научно-практическое значение результатов ра­боты, положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе представлены протоколы экспериментов и методика ана­лиза экспериментальных данных, применяемая в диссертационной работе. Приво­дится описание двух серий экспериментов, проводившихся на нормотен­зивных и спонтанных гипертензивных крысах (1-я серия экспериментов), а также на крысах с гипертонией Голдблетта (2-я серия экспериментов). Из-за на­личия нестационарной многочастотной динамики основным инструментом чис­ленного исследования экспериментальных записей был выбран вейвлет-анализ, который позволяет обнаруживать изменения ритмической активности по корот­ким фрагментам сигналов. Рассматриваются характеристики, которые можно вычислить на основе данного метода обработки экспериментальных данных (мгновенные частоты, амплитуды и фазы ритмических процессов, индексы моду­ляции и т.д.).

Проводится исследование колебаний радиуса приносящей артериолы неф­рона путем извлечения из экспериментальных данных временной зависимо­сти мгновенной амплитуды миогенного ритма. Для получения более наглядного представления о динамике колебательных процессов дополнительно отмеча­ются моменты времени, соответствующие локальным максимумам колебаний, связанных с механизмом КГОС и миогенным механизмом. Это осуществляется путем рассмотрения действительных частей коэффициентов вейвлет-преобразо­вания. В ходе такого анализа показано, что на один период медленного (КГОС) ритма приходится разное количество периодов быстрого (миогенного) ритма (обычно 4–5), и это количество варьируется во времени, то есть не наблюдается длительных участков синхронного поведения, которое характеризовалось бы постоянным значением отношения частот колебаний. Было отмечено, что после очередного локального максимума медленного ритма динамика артериол ведет себя по-разному: радиус артериолы может увеличиваться, уменьшаться или де­монстрировать слабые изменения во времени. Фактически получается, что мио­генная динамика «живет собственной жизнью» и не является жестко привязан­ной к механизму КГОС.

Индивидуальный структурный элемент почки (нефрон) часто рассматри­вают как осциллятор, который демонстрирует колебания с двумя характерными временными масштабами: быстрый ритм, связанный с динамикой гладких мы­шечных клеток, и более медленный ритм, обусловленный механизмом КГОС. Соответствующие колебания неоднократно изучались с применением методов математического моделирования и исследования структуры сигналов. Область более медленных частот (колебательных процессов с периодом более 100 сек) ранее не изучалась. Считалось, что в этом диапазоне нет ритмов, участвующих в авторегуляции кровотока, а возможно лишь зафиксировать некоторые случай­ные осцилляции, связанные с флуктуациями давления крови в артериях.

В рамках первой главы диссертационной работы на основе анализа экспериментальных записей давления в проксимальных канальцах нефронов с применением непрерывного вейвлет-преобразования было показано, что истинная динамика нефрона не ограничивается только двумя указанными ритмами. В частности, вейвлет-анализ позволяет дополнительно обнаружить очень медленные (VLF) колебания с частотой 0.002–0.01 Гц (рисунок 1), чья физиологическая природа в настоящее время дискутируется с рядом ведущих специалистов в данной области.

Колебательные процессы в VLF диапазоне спектра сильнее выражены в динамике нефронов гипертензивных крыс. Имеются основания предполагать, что данные колебательные процессы оказывают влияние на другие механизмы авторегуляции кровотока. Справедливость данных предположений подтверждается в ходе исследований, проводившихся во второй главе.

Во второй главе изучается взаимодействие ритмов колебаний, участвующих в регуляции кровотока, на уровне индивидуального нефрона и малых групп структурных элементов почки (парные нефроны и триплеты). Согласно существующим физиологическим представлениям, до 50% индивидуальных нефронов попарно подсоединены к общей междольковой артерии, а до 10% всех нефронов организованы в триплеты. Такая организация структурных элементов почки приводит к их взаимодействию, которое основывается на двух

(а)

(б)

Рисунок 1: Усредненные энергетические спектры: по 32 записям для нормотензивных (а) и по 42 записям для гипертензивных крыс (б). VLF, LF и HF обозначают очень медленные, медленные (КГОС) и быстрые (миогенные) ритмические процессы в динамике нефронов.

различных механизмах: электрохимической и гемодинамической связи. Первая из них порождает синфазную синхронизацию колебаний, а вторая – противофазную синхронизацию (О.В. Сосновцева и др.).

Учитывая то обстоятельство, что динамика нефронов претерпевает изменения во времени, отражающиеся в изменении режима синхронных колебаний, необходимо рассматривать мгновенную динамику частот и фаз колебательных процессов. С этой целью для каждой пары сигналов анализировалось отношение мгновенных частот быстрых и медленных ритмов (по отдельности для миогенной динамики и ритмов КГОС), затем оценивалась вероятность 3-х вариантов поведения по всем экспериментам, а именно: 1) режима полной синхронизации, 2) режима частичной синхронизации (взаимной подстройки только быстрых или только медленных ритмов), 3) режима полностью несинхронного поведения мгновенных частот колебательных процессов. При этом было установлено, что если в случае нормы подстройка частот происходит на протяжении порядка 10-12 периодов колебаний (как для ритмов КГОС, так и для миогенной динамики), то при гипертонии этот участок уменьшается до 3-4 периодов (в среднем). Аналогичные результаты были получены при другом варианте исследования эффекта синхронизации – рассмотрении поведения во времени разности мгновенных фаз колебаний.

В рамках проводившихся исследований было рассмотрено несколько записей экспериментальных данных давления фильтрата в проксимальных канальцах трех взаимодействующих нефронов. При этом было выявлено два варианта поведения (рисунок 2):

  1. синфазная синхронизация ритмов КГОС, сопровождающаяся синфазной синхронизацией миогенных колебаний (более 90% экспериментальных данных);
  2. противофазная синхронизация ритмов КГОС, сопровождающаяся синфазной синхронизацией миогенных колебаний (менее 10% экспериментальных данных).

(а)

(б)

Рисунок 2: Фрагменты временных зависимостей давления фильтрата в проксимальных канальцах нефронов триплета. Изображены: (а) случай синфазной синхронизации медленных и быстрых ритмов колебаний), (б) случай, когда медленные ритмы двух нефронов синхронизуются синфазно, а колебания третьего нефрона находятся с ними в противофазе. При этом все быстрые ритмы синхронизуются синфазно.

Визуальный анализ экспериментальных данных (рисунок 2) становится не очень удобным, если соотношение амплитуд ритмов в LF и HF диапазонах становится большим, то есть в ситуациях, когда быстрый ритм визуально является плохо различимым, а также для сильно зашумленных экспериментальных данных. В связи с этим анализ синхронности колебаний необходимо сопровождать дополнительными расчетами. В диссертации для подтверждения эффекта синхронизации проводились исследования наличия захвата частот и фаз колебательных процессов.

Наряду с синхронизацией колебаний в функционировании взаимодействующих структурных элементов почки наблюдается модуляция частоты и амплитуды более высокочастотной динамики. Характеристики модуляции отличаются для нефронов крыс с нормальным и повышенным артериальным давлением (первая группа характеризуется меньшими значениями индексов модуляции). В частности, относительное количество нефронов с индексом частотной модуляции, превышающим среднее значение, составляет 26% для крыс с нормальным артериальным давлением и 60% для крыс с повышенным давлением. Для амплитудной модуляции были получены значения 32% и 71%, соответственно.

В диссертации впервые рассмотрен эффект модуляции ритмов КГОС и миогенных колебаний ритмическим процессами VLF-диапазона. При этом было установлено, что динамика нефронов гипертензивных крыс характеризуется более сильным взаимодействием всех характерных ритмов, которые можно идентифицировать в структуре сигналов индивидуальных функциональных элементов почек. Полученные в диссертации результаты показывают, что очень медленная динамика существенно влияет на процессы авторегуляции почечного кровотока на уровне индивидуальных нефронов.

Во второй главе также проводилось изучение нелинейного взаимодействия между двумя механизмами почечной авторегуляции на уровне индивидуальных нефронов (КГОС и миогенная динамика). При этом был сделан акцент на исследование специфических особенностей эффектов модуляции в почечной авторегуляции. Используя два варианта экспериментальных записей (давление в проксимальном канальце, измеряемое на уровне отдельного нефрона, и величиина потока крови в приносящей артериоле на поверхности почки), было рассмотрено, каким образом свойства модуляции зависят от амплитуды колебаний, порождаемых механизмом КГОС. Было установлено, что динамика нефронов нормотензивных крыс демонстрирует значительно меньшие значения индексов модуляции для той же самой амплитуды А ритма КГОС (рисунок 3).

(а)

(б)

Рисунок 3: Значения индекса частотной (а) и амплитудной (б) модуляции миогенного ритма в зависимости от амплитуды модулирующего сигнала (ритм КГОС). Белые кружочки характеризуют динамику нефронов нормотензивных крыс, а черные – гипертензивных.

По рисунку 3 можно определить чувствительность частоты миогенной динамики к росту величины A путем вычисления наклона данной зависимости. В частности, для случая амплитудной модуляции оказывается, что частота миогенной динамики является почти в 5 раз более чувствительной к амплитуде колебаний КГОС для спонтанных гипертензивных крыс по сравнению с крысами с нормальным артериальным давлением.

Отметим, что извлечение информации о нелинейных явлениях в динамике живых систем из экспериментальных данных может в значительной степени способствовать решению задачи построения адекватных, физиологически обоснованных математических моделей биосистем. Многие характеристики их сложной динамики не могут быть непосредственно измерены в экспериментах, например, характеристики взаимодействия между различными механизмами. Однако такая информация может быть получена из временных рядов на основе специальных методов анализа экспериментальных данных.

В третьей главе с помощью методов математического моделирования описывается усложнение динамики структурных элементов почки при повышении артериального давления. Представленные уравнения математической модели одиночного нефрона, предложенной в работе М. Барфреда с соавторами, которая позволяет описать многие эффекты в динамике нефронов, которые наблюдаются экспериментально. Детальные исследования динамики данной модели, которые проводились Д.Э. Постновым, О.В. Сосновцевой и др., позволили установить область значений параметров, соответствующих случаям нормы и патологии, а также изучить сценарий формирования хаотического режима колебаний, наблюдаемого в динамике нефронов гипертензивных крыс.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»