Розглянуто задачу позаклітинної реєстрації імпульсів нейронів як задачу розпізнавання деяких характерних ділянок сигналу - імпульсів одного з нейронів, що з'являються у випадковий момент часу. Для індивідуального розпізнавання імпульсів різних нейронів використано моделі імпульсів у вигляді нелінійних диференціальних рівнянь зі збуренням, які дозволяють описати збурення сигналу за амплітудою та фазою. Показано, що використання таких моделей дозволяє звести задачу до розділення суміші розподілень, близьких до нормальних, у перетвореному просторі ознак. Запропоновано та реалізовано алгоритм розпізнавання імпульсів нейронів. Наведено результати обчислювального експерименту.

У задачі розпізнавання неперервних сигналів, що спостерігаються на дискретній множині точок, розглянуто модель сигналу у вигляді нелінійного диференціального рівняння із збуренням, яка дозволяє описати збурення сигналу як за амплітудою, так і за фазою. Запропоновано і реалізовано алгоритм розпізнавання, що базується на такій моделі сигналу. Алгоритм використовується для розв'язання задачі розпізнавання результатів хроматографічних експериментів.

Запропоновано метод розв'язання задачі раннього передбачення нападів епілепсії на підставі аналізу багатоканальної електроенцефалограми (ЕЕГ). Цю проблему розглянуто як задачу послідовного виявлення зміни (розладу) спектральних властивостей процесу, що спостерігається. Оскільки характеристики ЕЕГ перед нападом не змінюються миттєво, для опису змін, що наростають, використано модель множинного розладу. Величина, яка характеризує ступінь спектральної нестійкості, використовується як детектор. Непараметричний послідовний метод виявлення розладу реалізовано в обчислювальних алгоритмах, швидкодія яких припускає його використання в реальному часі для 32-канальної ЕЕГ, що відкриває нові можливості для створення системи автоматичного попередження.

Індекс рубрикатора НБУВ: Р608.1-52

Рубрики:

Хвороби сальних залоз

Шифр НБУВ: Ж23543 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Розглянуто задачу виділення імпульсів індивідуальних нейронів з сигналів, одержаних за позаклітинної реєстрації активності кількох нейронів. Описано методи класифікації імпульсів нейронів, їх переваги та недоліки. Показано необхідність удосконалення існуючих підходів, зокрема, через відсутність достатньо швидкодійних методів. Запропоновано використання розроблених алгоритмів для створення технічних засобів класифікації імпульсів нейронів за умов дефіциту часу.

Наведено опис комп'ютерної реалізації алгоритму класифікації імпульсів нейронів (АКІН) з використанням нелінійних динамічних рівнянь. АКІН включає автоматичну процедуру навчання та дозволяє класифікувати у режимі реального часу імпульси декількох нейронів, зареєстрованих одним мікроелектродом. Наведено результати тестування алгоритму на симульованому сигналі з різним рівнем шуму. Також продемонстровано застосування АКІН для дослідження нейроном активності в субталамічному ядрі головного мозку, який є цільовою зоною для високочастотної електростимуляції глибоких відділів головного мозку у ході лікування хвороби Паркінсона.

Показано, що багатоклітинний організм є сукупність, що складається зі спеціалізованих саморегулювальних клітин з жорсткими та гнучкими регуляторними зв'язками, а довготривалий адаптивний тренд його системного регулювання на екологічні зміни обумовлено змінами градієнтів асиміляції в групах клітин, що мають дефіцит балансу між синтезом і розпадом мікроструктур.

Представлен полиномиальный итерационный алгоритм, реализующий технику робастного параметрического и структурного оценивания в рамках идеологии метода группового учета аргументов (МГУА). Двухуровневая структура нейросети с контролем сложности модели обеспечивает вычислительную стабильность алгоритма МГУА-PNN. Проведен вычислительный эксперимент, демонстрирующий параметрическую и структурную устойчивость к грубым ошибкам наблюдений, а также приведены примеры решения задач моделирования в фармакологии и медицине.

Представлено описание программного обеспечения, ориентированного на исследователей-физиологов. При проектировании использован подход, базирующийся на математическом моделировании процессов физиологической деятельности организма. Пользователь может моделировать любые состояния организма путем задания различных значений соответствующих входов и параметров моделей. Приведен полученный результат эксперимента с моделью адаптации клеточной популяции к изменениям локальной внешней среды.

С целью расширения методологических возможностей физиолога-исследователя предложены концепция, математические модели и программное обеспечение для теоретического исследования общих закономерностей реагирования организма человека на динамику физико-химических характеристик окружающей среды. Программно-моделирующий комплекс (ПМК) включает в себя четыре модели: механизм реактивной адаптации клетки на индуцированный дефицит энергии (ИДЭ); механизм физических сдвигов и физиологических реакций сердечно-сосудистой системы и почек в условиях динамики атмосферного давления; механизм реагирования системы терморегуляции на ИДЭ; модель динамики среды. Технология применения ПМК проиллюстрирована на тестовых примерах.

Разработан специализированный программно-моделирующий комплекс (МК) для симуляции основных эффектов, выявленных при функционировании автономных механизмов обеспечения баланса между скоростью синтеза (СС) и скоростью потребления (СП) молекул аденозинтрифосфата (АТФ) в виртуальной аэробной клетке (ВАК) при изменениях СП. Основа МК - это двухкомпонентная математическая модель (ММ) реакций митохондрий на дисбаланс между СП и СС. Один компонент ММ описывает зависимость быстрой биохимической регуляции СС при изменениях соотношения концентраций АДФ/АТФ, а второй компонент ММ связывает СС с тотальной площадью митохондрий ВАК. Интерфейс пользователя МК ориентирован на физиолога-исследователя и позволяет настраивать характеристики ВАК для проведения и анализа компьютерных экспериментов. Тестовые исследования выявили адекватность ММ к ВАК. МК является компонентом для включения в разрабатываемый программно-моделирующий комплекс, который будет симулировать физиологические и патологические реакции разномасштабных регуляторов энергетической мега-системы человека.

Проанализированы основные концептуальные и технологические проблемы, возникающие на пути создания специализированных программных симуляторов (СПС), известных под терминами "виртуальный физиологический человек" или "виртуальный пациент". Показано, что СПС могут иметь две сферы применения: в медицинских вузах для совершенствования преподавания физиологии человека; в клинике для повышения точности диагностики и оптимизации лечения нетривиальных болезней. Обосновано, что СПС должна базироваться на количественных математических моделях физиологических систем и процессов. Способ применения СПС - проведение компьютерных имитационных экспериментов (КИЭ) и анализ их результатов. Каждый КИЭ должен осуществляться в соответствии со сценарием, который формируется пользователем посредством интерфейса пользователя (ИП). Желательно, чтобы СПС состояла из двух модулей: жесткого и гибкого. Жесткий модуль реализовывает модели с учетом граничных условий их адекватности. Гибкий модуль описывает как константы, которые доступны для перенастройки посредством ИП, так и параметры, заданием которых формируются сценарии КИЭ. Обосновано, что для этого класса СПС наиболее перспективным будет сочетание компьютерной анимации со стандартными и специальными программами визуализации результатов КИЭ. Рассмотрены проблемы создания СПС для моделирования физиологических реакций энергетической метасистемы человека на факторы, создающие дефицит энергии в группе клеток. Обсуждены основные проблемы создания версий СПС для симуляции сценариев коррекции конкретных патологий.

Разработан автономный программный симулятор (ПС) для имитации динамики инсулин-глюкоза отношений (ИГО) в организме здорового человека. Основой ПС является количественная математическая модель (ММ) ИГО. Тестовые исследования выявили адекватность ММ. В будущем ПС станет составным модулем специализированного программно-моделирующего комплекса, предназначенного для изучения физиологических и патологических процессов в многомасштабных механизмах энергетического обеспечения клеток человека.

Показана принципиальная возможность контроля функционального состояния водителя автотранспортных средств в состоянии монотонной деятельности по показателям вариабельности сердечного ритма.

Описаны технология моделирования и основные результаты симуляции гемодинамических эффектов гипертрофии сердца (ГС), проведенные с помощью ранее опубликованной математической модели (ММ). Не моделируя динамику развития гемодинамических отклонений от нормы при каждой разновидности ГС, ММ имитирует измененную центральную гемодинамику при разных степенях и формах гипертрофии миокарда (ГМ). Программная технология позволяет симулировать 3 разновидности ГС: адаптивную ГМ, возникающую в ответ на хронический недостаток системного кровообращения; патологическую ГМ, являющуюся крайней стадией адаптивной ГМ; патологическую ГМ левого желудочка сердца. Первые 2 разновидности ГС сымитированы путем увеличения жесткости миокарда, тогда как для имитации третьей разновидности ГС добавлено также уменьшение ненапряженного объема левого желудочка сердца. При каждой разновидности ГС исследованы компенсаторные возможности саморегуляторных механизмов (модель неуправляемой сердечно-сосудистой системы), после чего оценены аналогичные возможности механизма барорефлекторной регуляции гемодинамики. При указанных формах ГС ММ удовлетворительно воспроизводит основные сдвиги артериального давления, минутного объема крови, частоты сокращений сердца. Обсуждена вероятная роль энергетических механизмов клеток в адаптации сердечно-сосудистой системы к повышенным нагрузкам. Симулятор пока является автономной программой, которая может быть как инструментом доя поддержки медико-физиологических научных исследований, так и учебным средством демонстрации причинно-следственных отношений студентам-медикам. Запланирована имплементация этой программы в более общий программно-моделирующий комплекс, ориентированный на выявление закономерностей функционирования энергетической суперсистемы человека.

Предложена математическая модель (ММ) гемодинамики, способная имитировать основные эффекты адаптивной и патологической разновидностей гипертрофии сердца (ГС). ММ описывает насосную функцию сердца и гемодинамику в сосудах большого и малого кругов кровообращения с учетом механизма барорефлекторной регуляции сердца и сосудов. Модель сердца связывает средние величины потоков, давлений и объемов крови в каждом желудочке с его конечно-диастолической эластичностью (С) и входным давлением крови. Компьютерная симуляция показала, что снижение параметра С левого желудочка удовлетворительно воспроизводит сдвиги центральной гемодинамики при патологической ГС левого желудочка. Адаптивная же ГС моделируется посредством двух процедур: роста С обоих желудочков сердца и адекватного снижения тонуса сердечного симпатического нерва.

Описан программный симулятор для конструирования различных сценариев возникновения дефицита энергии (ДЭ) в клетках и преодоления ДЭ. Основой симулятора является комплексная математическая модель, описывающая взаимодействие макроскопических систем тела и механизмов клетки для преодоления ДЭ. Умеренный кратковременный ДЭ устраняется увеличением артериального давления и легочной вентиляции. Для устранения же значительного хронического ДЭ организм активирует дополнительные механизмы, способствующие: биогенезу митохондрий и наращиванию суммарной площади их внутренних мембран; созданию более плотной сети капилляров в зоне клеток с ДЭ. Программный симулятор - это информационная технология двойного назначения. Иллюстрируя роль многоклеточных механизмов в борьбе против дефицита энергии в клетках, симулятор позволяет: во-первых, визуализировать основные эффекты взаимодействия клеточных и многоклеточных механизмов; вовторых, он может использоваться в прикладной физиологии для поиска оптимальных сценариев повышения физического потенциала здоровых людей. Симулятор может использоваться как учебное средство, визуализирующее динамику защитных механизмов разной эффективности.

Індекс рубрикатора НБУВ: Е70*731.5в641.0

Рубрики:

Біологія людини

Шифр НБУВ: Ж69331 Пошук видання у каталогах НБУВ