Открытие того, что слишком ритмичная работа сердца может быть предиктором скорой смерти [1-3], установило важность нелинейных режимов, хаоса, фракталов и мультифракталов [4] в работе сердца. Такие режимы могут быть необходимы для повышения так называемой робастности, устойчивости [5-7] сердца к возмущениям стрессами, так и для расширения диапазона адаптивности [8-10], потому что в её обеспечение включается диапазон частот работы сердца, в том числе и медленные ритмы [8; 11], включая даже сезонные ритмы [8]. Для нелинейных процессов характерны крупные выбросы по амплитуде [12-14], изменению частоты [15] или фазы [16] ритма. В литературе по сердечным аритмиям хорошо известно, что снижение вариабельности сердечного ритма (снижение размера частотных окон ритма) есть маркер снижения адаптивности сердечно-сосудистой системы, а превышение параметром вариабельности ритма некоего порога, либо же альтернации ритма [14] (выбросы больших амплитуд у ритма), или же задержки и опережения у фаз ритма - отрицательно сказываются на адаптивности. Эти данные о вариабельности ритмов сердца показывают наличие существенно нелинейных процессов в динамике сердца и характерных для них больших выбросов амплитуды, частоты, фазы. Мультифракталы представляют собой как бы проявления генераторов колебаний не с одним, а с несколькими независимыми выбросами (для аритмий сердца это будут альтернации ритма [14] на почве нарушения просвета сосудов, на почве нарушений дыхательного ритма, на почве кардионевротических причин и нарушений в миокарде и т.д., а для мозговых волн это могут быть бёрсты с вышекритической амплитудой - например, при обострении эпилепсии) от нескольких процессов, соединенных в один [1] или несколько [11] генераторов ритма. Эти выбросы могут происходить не только по амплитуде, но и по частоте или по фазе ритма. Это может означать, что в ходе адаптивных изменений в организме от эмоциогенных факторов, нагрузки, токсикоза, инфекции, режимов питания фрактал в динамике мозга или сердца может изменить свою характеристику фрактальной размерности и бифуркационно перейти в мультифрактал [11; 13], мультифрактал же может перейти в мультифрактал с иной фрактальной размерностью, большей или меньшей, чем прежняя [11; 13]. Классические методики расшифровки аритмий на электрокардиограммах никто не отменил, они имеют свое ценное значение. С их помощью может быть установлен широкий класс нарушений в различных местах сердечно-сосудистой системы, что важно и для установления диагноза заболевания, и для контроля успешности лечения. Адаптивная медицина [17-19] воздействует на мощность или энергию органов, при этом воздействии сильно нелинейные процессы более себя проявляют. Методы изучения вариабельности ритма сердца [11] по-своему также «видят» нелинейные перестройки динамики сердца, поэтому их полезно сопоставлять с построением трехмерных интервалограмм для изучения так называемой размерности мультифракталов [20; 21]. Но мультифракталы будут лучше описывать реальное наличие многих переходных процессов при адаптации организма, а не его реакции на некие твердо заданные воздействия. Поэтому классические и нелинейные методы дополняют друг друга. Нелинейные выбросы могут быть как полезны [22-24], так и вредны [13; 25; 26], быть адаптивными [27; 28] и дизадаптивными [27; 28]. Они могут быть естественным языком [29; 30] для описания того, к каким следствиям приводят тренирующие организм воздействия лечебной адаптивной медицины [17-19]. Накопилось много клинических данных и их описания методами изучения фракталов и мультифракталов ритмов электрокардиограмм (ЭКГ) и электроэнцефалограмм (ЭЭГ) [11; 31; 32]. Они нуждаются в систематизации и установлении какой-то единой картины понимания этих явлений.
Поскольку фракталы и мультифракталы могут быть как маркерами сердечных катастроф [6; 13; 14] и срыва когнитивной продуктивности [15; 31; 32], так и маркерами улучшений адаптивности [9; 27; 28], следует выявить, при каких условиях они проявятся в первом качестве, а при каких во втором. Это может быть установлено на модели [7; 9; 10] для биохимических часов организма как регулятора взаимодействия катаболизма и анаболизма [33], которая охватывает обе альтернативные возможности в механизме адаптации к стрессу или в механизме адаптации при заболеваниях и имеет регулируемые параметры, по которым можно предсказать тот или иной исход улучшения или ухудшения адаптивности [7; 8; 34]. Результаты этого исследования позволяют упорядочить картину результатов изучения фракталов и мультифракталов в ритмах ЭКГ и ЭЭГ, полученных в отечественной и зарубежной литературе - с точки зрения ключевых выводов из нее для медицины. И позволяют предложить для методов адаптивной медицины маркеры контроля для успешности методов по характеристикам фракталов и мультифракталов для ритмов сердца и мозга.
Биоинформационные методы в изучении ритмов. Краткое пояснение. Биоинформатика имеет конечной целью биомедицину. Новые клинические эффекты и их объяснение на языке регулируемых биохимических процессов, описание динамики этих процессов и ее изменений позволяют глубже понимать патогенетический механизм заболеваний и указывать мишени или маркеры для успешности лечебных воздействий. Литература по фракталам и мультифракталам в ЭКГ и ЭЭГ накапливает много специальных знаний [13; 14; 21], которые нуждаются в охвате их в общую картину, а также в разъяснении и обобщении. Это осуществляется на базе языка динамики сердечных и мозговых ритмов и на базе языка моделирования [7; 27; 33] механизма энергетики и мощности исследуемых систем, в том числе в условиях адаптивных тренингов и окситерапии [17-19] и других лечебных воздействий [16]. Сочетанное моделирование этих процессов бифуркаций мультифракталов в ЭКГ и ЭЭГ и бифуркаций динамики энергетики [7], изучаемой как важная сторона механизма биохимических часов [7; 27; 33], и выводы из такого моделирования обогащают биомедицину новыми возможностями контроля здоровья и лечебных воздействий и позволяют разрабатывать новые методы лечебных воздействий в рамках адаптивной медицины. Такие источники информации (клинические данные нелинейной обработки ЭКГ и ЭЭГ) [35-37] и методы ее обобщения моделированием и сопоставлением различных данных на почве модели являются адекватными для решения биомедицинских задач в данной тематике, потому что сами динамические процессы в сердце и мозге нелинейны и требуют некоторых понятий из нелинейного мира [31]. В работе читатель не получает перегрузки специальными математическими знаниями, ее язык конкретизируется на введении в обиход простых понятий характеристик фрактальности ритмов и их соответствия адаптивности или дизадаптивности в состоянии больного. Поэтому работа может дать полезную информацию для специалистов по адаптивной медицине.
Результаты исследования и моделирования для данных биоинформатики о фракталах и мультифракталах в динамике сердца и мозга и их обсуждение
1. Как помочь организму повысить свою адаптивность.
Лекарственная терапия может порой (но не всегда) лишь стабилизировать течение болезни, в то время как методы повышения адаптивности организма могут давать здоровье, исцелять базовые болезни [8; 18; 34]. Для повышения адаптивности нужна сочетанная физическая [19], тепловая и гипоксическая нагрузка [38-40], перекрестная адаптация [27-29], она помогает больным для адаптации к сезонным изменениям температуры, освещенности [16] и в проблеме сезонных авитаминозов. При всех этих типах нагрузок усиливается оксидативный стресс [19; 41; 42]. Собственные антиоксидантные системы не справляются с ним, поэтому нужны пищевые антиоксиданты [40]. Тренинги приводят к адаптации: малой, немедленной (часы, 1-5 суток), и отдаленной, мощной [18; 40; 41] (она вырабатывается за дни, держится 10-20 дней, а при серийных повторениях недельных-трехнедельных тренингов - и более, сезоны и годы [27-29]). Стволовые клетки имеют два ростка: на кроветворение и на усиление иммунитета [18]. Отложенная адаптация сперва снижает иммунитет и повышает кроветворение, но затем и иммунитет усиливается. Нейродегенеративные заболевания (в том числе эпилепсия, шизофрения) связаны с нарушениями иммунитета (высокий IL-6), аутоиммунными процессами на глию, астроциты, нейроны, и с участием недозрелых стволовых клеток в механизме глиомы, эпилепсии. При «ремонте» иммунной системы гипоксическими тренингами учеными получены первые данные о долговременных эффектах снятия негативной, энергетической симптоматики для некоторых форм шизофрении и эпилепсии [38], позитивную проблематику шизофрении медицина уже ранее научилась купировать. Щадящие низкие дозы гипоксии и недостаточно длинные серии воздействий лечебного изменения не производят [18]. Гипоксические тренинги также исцеляют неврозы [38; 42] и неврозоподобные болезни [18; 38], нарушения энергетики мозга и болезни вегетативной системы [18; 38] и ряд связанных с ними некоторых типов аритмий сердца [18; 38]. Они снижают атерогению сосудов и иногда вылечивают эту болезнь, могут лечить некоторые виды гипертонии [18]. Гипоксические тренинги приводят к эффекту прекондиционирования [39-41], адаптации при повторных воздействиях. Недостаток кислорода активирует транскрипционный HIF-1 фактор [39; 41] в ядре клеток, запускающий около 200 окислительных ферментов, он и включает мощную лечебную отложенную адаптацию. Часовые гены участвуют в механизме повышения адаптивности [43], в активации HIF-1 фактора и в механизме «включения» шизофрении [44] и других нейродегенеративных заболеваний.
2. Как включение мультифракталов может включать исцеления сердца и мозга.
В наших моделях биохимических часов организма [7; 27; 33] сделано открытие, что хотя у таких часов есть базовый ритм, год, сутки, минуты, но существуют и режимы хаоса, содержащие квазичастоты базовых ритмов и полосы частот и полосы режимов мультифракталов в окрестности частот базовых ритмов. На основании изучения динамики биохимических часов в модели [7; 27] и при учете здесь литературных данных по мультифракталам в ЭЭГ, перечисленных выше, можно перевести имеющиеся данные про изменения частот мозга при нагрузке испытуемого когнитивной задачей, при совершении ее здоровыми и больными пациентами, на вот какой язык. При решении когнитивной задачи мозг может использовать несколько отделов: префронтальную кору, лимбику, ствол. Экспериментальные исследования показывают, что у этих отделов, по-видимому, могут быть собственные ЭЭГ и собственные генераторы ритма [35; 36; 45]. Например, три таких генератора (рис. 1, здесь А – амплитуда или мощность ЭЭГ, f – частота для амплитудно-частотной характеристики ЭЭГ, f1, f2 , f3 – частоты у независимых генераторов нелинейных колебаний в мозге [31; 32; 45]). При объединении они могут давать фрактальный спектр [27] (рис. 1). При шизофреническом и эпилептическом расстройстве уровень работы (мощность) независимых генераторов в мозге и их нелинейное взаимодействие [46; 47] нарушается (запредельно снижается [31; 48] или повышается [49; 50]), что может приводить как к патологически зашкаливающим уровням фрактального хаоса [13; 23; 31], так и упрощениям хаоса и снижению во времени значений главной его характеристики – фрактальной размерности [48]. В обоих случаях хороший хаос превращается в плохой, повреждающий хаос. Это показано нами и на моделях сердца, и на моделях мозга [27; 28]. При решении когнитивной задачи здоровым человеком рабочая частота повышается (рис. 2, сдвиг частоты от f0 к более высокой частоте f1), а поисковые флуктуации ширины спектра увеличиваются (рис. 2, на уровне, обозначенном буквой «З» (здоровые), показаны как небольшой размах поискового колебания частот при начале решения когнитивной задачи, так и большой (и достаточный для решения задачи) размах частот в конце интервала когнитивной нагрузки). Как известно, мультифракталу соответствует ширина окна частот [4].
Рис. 1. Несколько генераторов – спектр шире! Каждый генератор вносит полосу спектра, а вместе они создают спектр фрактала
Рис. 2. Сдвиги частот при нагрузке. З-окно частот у здорового до и после когнитивного тренинга, Ш – у больного
При изменении спектра мультифрактала для динамики ЭЭГ мозга, за счет влияния когнитивной нагрузки на ритмы мозга и на количество и связь независимых генераторов в мозге, у здорового человека ширина окна поиска решения задачи повышается [27] (рис. 2). Талант человека может скачками меняться к большему таланту в ходе решения задач. Мозг ремонтируется (расширяется ширина полосы на новой рабочей частоте, которая у талантов может повышаться (быстромыслие, охват большого материала скоро), задачи успешно за счет этого решаются). Этот «ремонт» мозга хорошо известен на нашумевшем примере нобелевского лауреата Дж. Нэша, заболевшего шизофренией и улучшившего своё состояние постепенной вработкой в творчество, решение задач. У шизофреника вариации частот в прорывную область получения решения, высокие частоты ограничены болезнью (рис. 2, уровень буквы «Ш», поиск начинается с хорошим размахом частот, но для завершения задачи недостает мощности, и размах частот снижается, понижается фрактальная размерность (ФР) мультифрактала ЭЭГ), динамика мозга может регрессировать на базальный уровень частоты, не решив задачи (рис. 2, стрелка, показывающая возвращение с частоты f1 на почти что частоту отдыха мозга f0). Иногда при этом делается попытка заменить свое решение у кого-то подсмотренным чужим, чтобы как-то «выкарабкаться». В этом причина парадоксальной гениальности некоторых шизофреников. Она в их находчивости, желании выкарабкаться. Дж. Нэш опирался на свои прежние решения. На подсмотр у самого себя. Что катастрофы изменения ФР исключительно важны в определении диагноза шизофрении и предсказании прогноза её развития, экспериментально показано в [31; 50]. Запредельные скачки у временного спектра ФР у гипертоников вызывают кризы [13]. Подобные явления характерны для различных нейродегенеративных заболеваний (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, деменция, эпилепсия) [31], сердечно-сосудистых заболеваний [13], диабета, аллергий, катаракты и глаукомы, болезней печени, желудка, кишечника, костных и эндокринных заболеваний и т.п. Тема разрешения загадок вреда и пользы хаоса, фракталов, высокой размерности мультифракталов не является простой, ведь эти же феномены присущи и здоровым людям, при неврозах [17], особенно при психопатии. Автор видит ответ на все эти вопросы в том, что если ФР повышается за счет перегрузки одного отдела мозга или сердца, то это ведет к патологии, в то время как при оптимальном воздействия на больных методами адаптивной медицины возникает синергичная взаимоподдержка отделов и рост ФР ЭЭГ мозга за этот счет, что ведет к выздоровлению и улучшению когнитивной успешности, а у талантливых людей происходит за счет нее рост таланта. Параметрами, отвечающими за выздоровление и талант, являются уровни соотношении про- и противооксидантов, про- и противовоспалительных факторов [27], пептидов, «хороших» и «плохих» инфекций в организме, «задор» в характере в сочетании с гибкостью (для умных временных уступок). Следует продолжить изучение проблемы роли «хаоса» часов при различных заболеваниях.
Выводы
1. Хотя нелинейные процессы в динамике сердца и мозга в значительной степени каким-то образом были «видны» уже классическими методами изучения ритмов ЭКГ и ЭЭГ (альтернации ритмов ЭКГ, задержки в ритме ЭКГ, вариабельность ритмов ЭКГ; у ЭЭГ это мог быть сдвиг рабочих частот и окон флуктуаций частот около рабочих частот, изменения амплитуд для левых и правых окон частот для частот альфа-ритма, бета-ритма, дельта-ритма - в ходе постепенного увеличения когнитивной нагрузки [15; 36]), но эти классические методы лучше подходили для изучения реакции сердечно-сосудистой системы на однократные короткие или длительные стрессы. В реальной жизни, и особенно на промежутках времени часы, дни, недели, сезоны, имеет место возмущение организма и его ключевых систем множеством переходных процессов в природе и для личностных фрустраций человека. Именно эти случаи лучше описываются на языке фракталов и мультифракталов и бифуркационных переходов между ними. В области адаптивной медицины, как видим, именно такой подход более четко моделирует реальную среду и ее воздействия. В том числе он адекватен для контроля «качества» уровней у изучаемых в адаптивной медицине параметров адаптивности организма и его ключевых органов.
2. Изучение фрактальных и мультифрактальных показателей, в дополнение к классическому анализу ЭКГ и ЭЭГ, ценно не только для изучения пассивной адаптации организма и для диагностики нарушений в сердечно-сосудистой системе и мозге, но и для изучения эффективности и «лоции» мимо «мелей» для повышающих адаптивность организма методов адаптивной медицины, в частности для методов снижения оксидантного стресса и снижения десинхронозов. Здесь у этих маркеров хорошие информативные возможности и большое будущее. Польза «фрактальных» моделей часов [7; 27; 28], в связи с этим, также будет расти.
Заключение
Изучение характеристик фракталов и мультифракталов может дать информацию, дополнительную к классической информации при изучении ЭКГ и ЭЭГ. Это информация о предсказании резкого ухудшения или значительного улучшения функций сердца и мозга. Литературные данные, согласно обзору, как бы накапливали предпосылки для таких выводов и доказывают их. Эта информация дает новые возможности в клинике. Она может помогать врачу предугадывать значительные ухудшения или улучшения у больных, а в адаптивной медицине это дает новые возможности разработки методов окситерапии и других методов под надежным контролем высокоинформативных маркеров прогноза результативности лечебного воздействия.
Библиографическая ссылка
Тараненко А.М. ФРАКТАЛЫ И МУЛЬТИФРАКТАЛЫ В ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММАХ И ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММАХ: ИНФОРМАТИВНОСТЬ И НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ // Современные проблемы науки и образования. – 2019. – № 6. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=29500 (дата обращения: 25.04.2024).