ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И

СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

УДК 53.083-91:616.71:616.092-9:616.092-6

О НЕКОТОРЫХ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПРИЛОЖЕНИЯХ ФИЗИЧЕСКИХ

МЕТОДОВ В БИОМЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва, Россия

^*E-mail: renyxa4@yandex.ru

Настоящая статья посвящена рассмотрению некоторых примеров использования физических методов для био-

медицинских исследований. Во-первых, описана возможность применения ультразвуковой вокализации жи-

вотных как средства диагностики их функционального состояния для изучения эффективности применения

лекарственной терапии. Во-вторых, представлена методика диагностики ишемии головного мозга человека,

которая может быть использована для выявления начальных проявлений ишемических состояний как у здоро-

вого человека в условиях экстремальных ситуаций и хронического стресса, так и при различных патологиях.

В-третьих, обсуждается возможность применения музыки как средства для формирования навыка произволь-

ной саморегуляции и тренировки произвольной оптимизации собственного функционального состояния.

ВВЕДЕНИЕ

дований, а неотъемлемой частью наукоемких и ин-

Применение физических методов для прове-

новационных результатов таких исследований.

дения биомедицинских исследований имеет дли-

Биомедицинские исследования, как правило,

тельную историю и обширный опыт. В настоящее

проводят на животных и на человеке. Исследова-

время актуально не просто использование физиче-

ния на животных позволяют выявить базовые за-

ских методов, но их техническая и компьютерная

кономерности, биологические и физиологические

адаптация для задач биомедицины. В этой связи

механизмы патологии и эффективность терапевти-

необходимым становится разработка прикладных

ческих средств, в то время как исследования на че-

технологий биомедицинских исследований, пред-

ловеке предполагают проведение сравнительного

полагающих разработку нового или адаптацию

анализа макропроцессов и физиологических мар-

имеющегося измерительного прибора и создание

керов в норме, при патологии и после применения

соответствующего информационного сопрово-

терапии.

ждения для этого прибора, позволяющего решать

В данной области большое значение приобрета-

специализированные задачи изучения биологиче-

ют технологии, позволяющие проводить исследо-

ских и физиологических процессов в норме и при

вания биологических и физиологических законо-

патологиях. Иными словами, создание адекватного

мерностей и механизмов, происходящих в живом

специализированного инструмента для исследова-

организме в норме и при патологиях, для разработ-

ний биомедицинских феноменов является важным

ки эффективных способов лечения, применяемых

этапом на пути решения поставленных задач и до-

в клинической практике. Разработка таких техно-

стижения результата.

логий основана на применении физических мето-

Успешность современных биомедицинских ис-

дов и информационных технологий, реализуемых

следований зависит от возможности применения

в виде специализированных приборов с соответ-

междисциплинарного подхода и использования

ствующим программным обеспечением. Создание

инновационных знаний и достижений в различных

специализированного измерительного инструмен-

областях науки. Все большее значение приобрета-

та для проведения биомедицинских исследований

ют измерительные и информационные технологии,

производится в соответствие с заданной методо-

которые становятся не просто вспомогательным

логией, определяемой врачом-исследователем, ко-

средством при проведении биомедицинских иссле-

торый задает направление, стратегию и задачи

Ю.А. ЧУДИНА и др.

исследования. Прибор и его программное сопрово-

нейшие изменения в функциональном состоянии

ждение должны обеспечивать решение определен-

лабораторных животных, которые могут искажать

ного круга биомедицинских задач.

эффекты от действия тестируемой лекарственной

Ниже приведены примеры использования физи-

терапии. Поиск более надежных средств диагно-

ческих методов в биомедицинских исследованиях

стики функционального состояния животных был

и перспективы их развития.

направлен на создание бесконтактных способов

фиксации специфических сигналов. Среди таких

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ВОКАЛИЗАЦИЯ КАК

сигналов главное место занимает ультразвуковая

МЕТОД БЕСКОНТАКТНОЙ ДИАГНОСТИКИ

вокализация, к которой оказываются способными

ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ

большинство лабораторных животных [1].

ЖИВОТНЫХ

Исследование ультразвуковой вокализации на

Исследование действия фармакологических

относительно крупных лабораторных животных,

препаратов на животных связано с рядом проблем,

таких как кролики (рис. 1) и мини-свиньи (рис. 2),

среди которых центральной является проблема при-

проводили совместно с Научным центром биоме-

менения контактных приборов, вызывающих силь-

дицинских технологий ФМБА России.

Было обнаружено, что кролики и мини-свиньи

способны к ультразвуковой вокализации, диапазон

(a)

(б)

Рис. 1. Фото кролика во время записи ультразвуковой вокали-

зации в состоянии спокойного бодрствования и в состоянии

электросна (красный провод)

Рис. 3. Графики зависимости спектральной плотности мощ-

ности ультразвуковой вокализации кроликов от частоты УЗВ

в спокойном бодрствовании (а) и в состоянии электросна (б):

Рис. 2. Фото мини-свиньи во время записи ультразвуковой во-

красный контур - медианы частот, синие вертикальные ли-

кализации в состоянии спокойного бодрствования и в состоя-

нии - 95% доверительный интервал. По оси абсцисс отложе-

нии электросна, совмещенных с функциональной диагности-

на частота (кГц), по оси ординат - спектральная плотность

кой [2]

мощности УЗВ [4]

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

О НЕКОТОРЫХ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПРИЛОЖЕНИЯХ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В БИОМЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ 11

ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МЕТОД

ДИАГНОСТИКИ НАРУШЕНИЙ

КРОВОСНАБЖЕНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА

НА НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЯХ РАЗВИТИЯ

Значительное снижение кровоснабжения го-

ловного мозга является причиной кратковремен-

ной или хронической ишемии. Начальные стадии

развития цереброваскулярных заболеваний харак-

теризуются незначительными проявлениями не-

достаточности кровоснабжения головного мозга,

которые со временем прогрессируют и преобра-

зуются в хроническую форму, переходящую в ин-

сультные состояния [7, 8]. Ишемия головного моз-

га, при которой снижен объем притекающей крови,

сопровождает не только специфические патоло-

гии, но у здорового человека может проявлять-

Рис. 4. Графики зависимости спектральной плотности мощ-

ся в экстремальных ситуациях и при хроническом

ности ультразвуковой вокализации мини-свиней от частоты

стрессе [9, 10, 11, 12]. Именно поэтому так важ-

УЗВ в спокойном бодрствовании (зеленый контур) и в состоя-

нии электросна (красный контур). По оси абсцисс отложена

но распознавать недостаточность кровоснабжения

частота (кГц), по оси ординат - спектральная плотность

головного мозга на начальных стадиях развития.

мощности УЗВ [3]

Наиболее востребовано создание методов экс-

пресс-диагностики, не требующих использования

и характеристики которой у этих животных изме-

сложного и дорогостоящего оборудования, приме-

няются под воздействием высокочастотной и низ-

нение которых возможно не только в условиях ста-

кочастотной электрической стимуляции головного

ционара, но и в полевых условиях.

мозга [3, 4, 5].

Исследования в этой области проводили со-

Оказалось, что паттерны ультразвуковой во-

вместно с Научным центром биомедицинских

кализации в схожих функциональных состоя-

технологий ФМБА России. Начальные проявле-

ниях у кроликов (рис. 3) и мини-свиней (рис. 4)

ния уменьшения кровоснабжения головного моз-

различаются.

га рассматривали на примере патологий, характе-

Наличие особенностей паттерна УЗВ у разных

ризующихся сдавливанием позвоночной артерии,

лабораторных животных указывает на специфич-

в результате механического или спастического су-

ность этого показателя. Изменение функциональ-

жения сосудов, затрудняющего поступление крови

ного состояния отражается на УЗВ как кроликов,

к головному мозгу. В ходе исследований выявили,

так и мини-свиней, что позволяет использовать

что начальные проявления уменьшения кровоснаб-

эти показатели в биомедицинских исследовани-

жения головного мозга характеризуются измене-

ях и при выявлении действия фармакологических

ниями вариабельности сердечного ритма по срав-

препаратов.

нению с нормой. Сужение сосудистого русла вне

На основе результатов исследования особен-

зависимости от причины приводит к изменению

ностей ультразвуковой вокализации была создана

показателей вариабельности сердечного ритма, ко-

компьютерная программа, позволяющая по харак-

торые могут использоваться для диагностики на-

теристикам ультразвуковой вокализации распоз-

рушений кровоснабжения головного мозга [13, 14,

навать функциональное состояние лабораторных

15]. На основе проведенных экспериментальных

животных на примере кролика [6]. Возможность

исследований были созданы компьютерные про-

распознавания характерных паттернов характери-

граммы, позволяющие по показателям вариабель-

стик ультразвуковой вокализации лабораторных

ности сердечного ритма распознавать начальные

животных в различных функциональных состоя-

проявления недостаточности кровоснабжения го-

ниях (покоя, бодрствования, возбуждения, сна) по-

ловного мозга, возникающие вследствие спазмов

зволит проверить эффективность влияния соответ-

сосудов [16] и механического сдавливания сосуди-

ствующих групп фармакологических препаратов,

стого русла [17].

обладающих снотворными, успокаивающими, воз-

Наряду с показателями вариабельности сердеч-

буждающими и стимулирующими эффектами.

ного ритма были исследованы показатели степе-

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

Ю.А. ЧУДИНА и др.

Рис. 5. Графики зависимости длительности кардиоинтервалов от длительности пульсовой волны в нормальном состоянии (ише-

мия отсутствует - левый график) и в состоянии ишемии (ишемия при механическом сдавливании сосудов - график в центре и

ишемия при спазмах сосудов - правый график)

ни соответствия между длительностью кардиоин-

чений дифференциальных показателей (рис. 6). На

тервалов (ДКИ) и длительностью пульсовой волны

рис. 6 видно, что в норме при отсутствии ишемии

(ДПВ) [18, 19]. Эти показатели позволяют диффе-

головного мозга показатель КДА принимает мак-

ренцировать патологии, характеризующиеся не-

симальное значение, МР - минимальное значение,

достаточностью кровоснабжения головного моз-

а ОС - среднее значение. Начальные проявления

га, от нормы и друг от друга. Экспериментально

ишемии при механическом сдавливании сосудов

было показано, что такие показатели соотношения

шеи характеризуются более низкими значениями

ДКИ и ДПВ как мера различия между ДКИ и ДПВ

КДА по сравнению с нормой, значение МР не от-

(МР), отклонение ДКИ и ДПВ от их общего сред-

личается от нормы, а ОС значительно ниже, чем в

него (ОС) и коэффициент достоверности аппрок-

норме. При начальных проявлениях ишемии при

симации (КДА) являются дифференциальными

спазмах сосудов наблюдаются максимальные зна-

показателями наличия или отсутствия недостаточ-

чения показателей МР и ОС, а значение показате-

ности кровоснабжения головного мозга. На осно-

ве совокупности дифференциальных показателей

была разработана методика, позволяющая сделать

заключение о состоянии кровоснабжения головно-

го мозга обследуемого и определить к какой группе

он относится: нормальное состояние (ишемия от-

сутствует), начальные проявления ишемии при ме-

ханическом сдавливании сосудов, начальные про-

явления ишемии при спазмах сосудов.

Каждая из выделенных групп может быть опи-

сана с помощью графика зависимости ДКИ от ДПВ

(рис. 5). Графики, представленные на рис. 5, отли-

чаются друг от друга характером расположения то-

чек. В норме все точки расположены близко друг

от друга и хорошо ложатся на аппроксимирую-

щую прямую. Начальные проявления ишемии вне

зависимости от причины представлены точками,

образующими облако, и расположенными вокруг

аппроксимирующей прямой на достаточном рас-

стоянии. Ишемия при механическом сдавливании

характеризуется упорядоченным расположением

Рис. 6. Диаграмма значений дифференциальных показателей,

характеризующих группу нормы и группы с недостаточно-

точек в облаке, а ишемия при спазмах сосудов от-

стью кровоснабжения головного мозга, при которой ишемия

личается случайным расположением точек.

возникает в результате механического сдавливания сосудов

По полученным данным каждая из этих групп

или спазмов сосудов. Цифрами отмечены нормированные зна-

характеризуется определенным соотношением зна-

чения дифференциальных показателей

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

О НЕКОТОРЫХ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПРИЛОЖЕНИЯХ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В БИОМЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ 13

ля КДА снижено по сравнению с нормой. Харак-

телей разных профессиональных сфер [22]. Срав-

теристики ишемических состояний обусловлены

нение регуляторных способностей у художников и

причинами недостаточности кровоснабжения го-

музыкантов (исполнителей классической музыки)

ловного мозга и компенсаторными процессами,

показало, что музыканты демонстрируют лучшую

протекающими в результаты этих причин.

произвольную саморегуляцию по сравнению с ху-

Представленные выше результаты были исполь-

дожниками (рис. 7).

зованы для разработки компьютерных программ,

Это объясняется наличием специальных трени-

позволяющих дифференцировать обследуемых, у

ровок, состоящих в подстраивании собственного

которых не обнаружено ишемии, от обследуемых

эмоционального состояния под настроение испол-

с признаками ишемии при механическом сдавлива-

няемого музыкального произведения. Такие тре-

нии сосудов и от обследуемых с признаками ише-

нировки необходимы музыкантам для успешной

мии при спазмах сосудов [20, 21].

исполнительской деятельности. Следовательно,

Данная методика диагностики недостаточности

развитие произвольной саморегуляции обеспечи-

кровоснабжения головного мозга может быть ис-

вается за счет тренировки и выработки специаль-

пользована в двух вариантах: разовая экспресс-ди-

ных навыков изменения своего функционального

агностика и непрерывный мониторинг. Разовая экс-

состояния в зависимости от поставленной задачи.

пресс-диагностика позволяет в течение 20 минут

Также в этом исследовании было установлено,

провести обследование и дать заключение о состо-

что успешность саморегуляции не определяется

янии обследуемого. Разовая экспресс-диагностика

каналом восприятия, специфичным для професси-

недостаточности кровоснабжения может быть ис-

ональных предпочтений: у художников - зритель-

пользована не только при различных патологиях,

ный, у музыкантов - слуховой. Уровень произволь-

но также у здорового человека для выявления ри-

ной саморегуляции не зависит от модальности.

ска развития недостаточности кровоснабжения го-

По результатам другого исследования было по-

ловного мозга в условиях экстремальных ситуаций

казано, что способность к саморегуляции зависит

и под воздействием сильных и неблагоприятных

от латеральной организации мозга [23]. Добро-

воздействий. Непрерывный мониторинг динамики

вольцы с ведущим правым полушарием демон-

ишемических состояний проводится длительно в

стрируют более высокую степень прикладываемых

течение несколько часов или суток в режиме реаль-

усилий для достижения саморегуляции, в отличие

ного времени. Непрерывный мониторинг ишеми-

от добровольцев с ведущим левым полушарием,

ческих состояний у здорового человека позволит

которым проще выполнять задачу произвольной

своевременно выявить состояния, возникающие

саморегуляции, что видно по показателям мощно-

в результате хронического стресса и постоянной

сти альфа-ритма (рис. 8).

чрезмерной нагрузки. Выявление состояний, со-

провождающихся ишемией, может быть необходи-

мо для диагностики трудоспособности и эффектив-

ности человека-оператора.

ТРЕНИРОВКА РЕГУЛЯТОРНЫХ

СПОСОБНОСТЕЙ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ

ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ

Поддержание оптимального функционально-

го состояния профессионала важно не только для

эффективности, но и для безопасности его деятель-

ности. Особенно это касается профессиональных

областей, которые связаны с обслуживанием слож-

ных технических комплексов и транспортировки

большого количества людей. Обычно при разных

патологиях нервной и сердечно-сосудистой систе-

Рис. 7. Различия между художниками и музыкантами по ин-

мы наблюдаются нарушения как произвольной, так

дексу мощности альфа-ритма (указан цифрами на диаграм-

и непроизвольной саморегуляции. Исследование

ме) во фронтальном отведении при выполнении заданий на

регуляторных способностей показало, что способ-

расслабление и эмоциональное напряжение при предъявлении

ность к саморегуляции характерна для представи-

зрительных и слуховых стимулов

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

Ю.А. ЧУДИНА и др.

сы [24, 27, 28]. Такие стили как тяжелый рок, рэп,

техно повышали возбуждение головного мозга,

частоту сердечных сокращений и частоту дыха-

ния, которые сопровождались уменьшением субъ-

ективного комфорта, повышением тревожности,

преобладанием негативных эмоций и депрессивно-

го настроения. Народная, духовная и классическая

музыка обладали общим успокаивающим эффек-

том, оказывали тормозящее действие на нервную

систему, при этом повышался субъективный ком-

форт, снижалась тревожность и наблюдалось пре-

обладание позитивных эмоций.

Разные музыкальные стили по-разному влияют

на произвольное внимание и умственную работо-

способность [28]. На примере педагогов и научных

Рис. 8. Различия между левополушарными и правополушарны-

работников было показано, что рок-музыка облада-

ми по индексу мощности альфа-ритма (указан цифрами на

ет негативным эффектом, после ее прослушивания

диаграмме) в теменном отведении при выполнении заданий на

снижается концентрация внимания, растет количе-

расслабление и эмоциональное напряжение при предъявлении

зрительных и слуховых стимулов

ство ошибок и время выполнение заданий. Класси-

ческая музыка оказывает положительное влияние

Таким образом, формирование навыка само-

на когнитивные функции, после ее прослушивания

регуляции функционального состояния является

уменьшалось время и количество ошибок при вы-

доступным для любого человека. Однако при раз-

полнении тестов на активное внимание и уровень

работке программы развития данного навыка не-

умственной работоспособности. Было также пока-

обходимо определять латеральную организацию

зано более значимое положительное влияние клас-

профессионала и в зависимости от нее по-разному

сической музыки на группу педагогов, изначаль-

организовывать тренировки.

но испытывающих эмоциональное и физическое

Одним из способов изменения и коррекции

напряжение.

функционального состояния является музыка, что

Экспериментально было показано, что с помо-

было показано в ряде исследований [24, 25]. Основ-

щью индивидуально подобранных музыкальных

ная причина, почему музыка может использоваться

средств можно формировать состояния продуктив-

как инструмент для коррекции функционально-

ной напряженности для достижения оптимального

го состояния, связана с тем, что физиологические

функционального состояния [25]. Использование

ритмы человеческого организма способны резо-

индивидуальных музыкальных воздействий приво-

нировать и непроизвольно подстраиваться под ча-

дит к снижению или повышению активации коры

стотные и динамические показатели музыкального

головного мозга за счет модулирующих влияний,

произведения.

соответственно, ретикулярной формации и талами-

В исследованиях [26, 27] было показано, что

ческих структур.

восприятие музыки зависит от субъективных

Таким образом, музыкальные произведения с

предпочтений и в зависимости от них меняется

соответствующей инструментальной обработкой

функциональное состояние слушающего. Путем

и, возможно, комбинированием частей разных про-

измерения показателей протекания физических и

изведений можно использовать не только для из-

психических процессов было показано, что музы-

менения и настройки функционального состояния,

ка, которая нравится, способствует расслаблению,

но также для тренировки навыка саморегуляции.

а которая не нравится, приводит к возбуждению

Такие методики можно применять для коррекции

и эмоциональному напряжению. Такие эффек-

функционального состояния оператора в условиях

ты оказались более выраженными у доброволь-

чрезмерных нагрузок и хронического стресса.

цев с музыкальным образованием, чем у простых

слушателей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Различные музыкальные стили по-разному вли-

1. Каркищенко Н.Н., Фокин Ю.В., Сахаров Д.С. и др. //

яют на психические и физиологические процес-

Биомедицина. 2011, №1, с. 4-23.

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

О НЕКОТОРЫХ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПРИЛОЖЕНИЯХ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В БИОМЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ 15

2. Чайванов Д.Б., Станкова Н.В. // Биомедицина. 2013,

16. Свидетельство о государственной регистрации

№4, с. 164-168.

№2019615621 от 06 мая 2019 г.

3. Каркищенко Н.Н., Фокин Ю.В., Чайванов Д.Б. и др. //

17. Свидетельство о государственной регистрации

Биомедицина. 2015, №3, с. 20-26.

№2020616146 от 10 июня 2020 г.

4. Каркищенко В.Н., Фокин Ю.В., Чудина Ю.А. и др. //

18. Вартанов А.А., Николаев А.А., Чайванов Д.Б. и др. //

Биомедицина. 2016, №1, с. 18-24.

Вестник психофизиологии. 2018, №3, с. 91-100.

5. Каркищенко В.Н., Фокин Ю.В., Николаев А.А. и др. //

19. Каркищенко Н.Н., Николаев А.А., Чудина Ю.А. и

Биомедицина. 2017, №4, с. 46-52.

др. // Биомедицина. 2020, №16 (2), с. 47-59.

6. Свидетельство о государственной регистрации

20. Свидетельство о государственной регистрации

№2017619954 от 12.09.2017.

№2021615365 от 07 апреля 2021 г.

7. Бабченко Н.В. // Медицинские новости. 2004, №1,

21. Свидетельство о государственной регистрации

с. 17-20.

№2020662492 от 14 октября 2020 г.

8. Захарова Е.М.

// Медицинский альманах.

2010,

22. Ярец М.Ю. Чайванов Д.Б. // Биомедицина. 2013, №2,

№2 (11), с. 42-47.

с. 89-94.

9. Григорьева В.Н. // Журнал неврологии и психиатрии

23. Ярец М.Ю. Чайванов Д.Б., Гавриш Н.В. // Биомеди-

им. С.С. Корсакова. 2000, №5, с. 14-17.

цина. 2014, №1, с.11-18.

10. Григорьева В.Н. // Журнал неврологии и психиатрии

24. Бойко А.В., Ковленко Е.В. // Фундаментальные ис-

им. С.С. Корсакова. 2005, №5, с. 33-41.

следования. 2013, №10-14, с. 3071-3075.

11. Григорьева В.Н. // Ремедиум Приволжье. 2007, №1,

25. Зверева З.Ф., Мирошник Е.В. // Новое в психолого-

с. 35-37.

педагогических исследованиях. 2019, №2 (54), с. 49-63.

12. Кадыков А.С. // Consilium Medicum. 2007, №2,

26. Назарова К.А., Чайнова Л.Д., Ковалев В.В. // Акмео-

с. 4-12.

логия. 2012, №1, с. 78-82.

13. Каркищенко Н.Н., Чайванов Д.Б., Чудина Ю.А. и

27. Назарова К.А. // Акмеология. 2013, №2, с. 69-72.

др. // Биомедицина. 2018, №4, с. 63-71.

28. Матохина А.А. // Экология и безопасность жизнедея-

14. Чайванов Д.Б., Чудина Ю.А., Николаев А.А. // Вест-

тельности. 2013, №1, с. 97-105.

ник психофизиологии. 2019, №2, с. 79-85.

15. Николаев А.А., Чудина Ю.А., Каркищенко Н.Н. и

др. // Вестник психофизиологии. 2020, №2, с. 96-105.

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021