Метод последовательных приближений в задаче

исследования индивидуальных метеотропных реакций

Т.А. Зенченко

1 Институт космических исследований РАН (ИКИ), Москва2 Институт теоретической и экспериментальной биофизики

РАН, г. Пущино, Московской обл.

Существующие подходы к исследованию биологических эффектов космической погоды

и их преимущества• Популяционные исследования. Многократно установлен факт реакции

популяции на изменения космической погоды – в виде массового обострения заболеваний и увеличения числа случаев внезапной смерти.

• Лабораторные клинические наблюдения – наблюдения групп больных или здоровых волонтеров во время определенных событий – например, магнитных бурь. Подтверждают факт реакции различных систем организма у испытуемых.

• Индивидуальный мониторинг – длительное индивидуальное наблюдение динамики физиологических показателей. Позволяет оценить устойчивость индивидуальной реакции на метеорологические и геомагнитные факторы.

Существующие подходы и их недостатки

• Популяционные исследования. Невозможность применения полученных результатов к конкретному человеку из-за значительных межиндивидуальных различий и временной изменчивости реакции .

• Лабораторные клинические наблюдения. Подтверждают факт реакции различных систем организма у некоторого процента испытуемых. Не позволяют ответить на вопрос, какой будет реакция этого человека во время следующей бури.

• Индивидуальный мониторинг – вариабельность знаков и амплитуд реакций различных индивидуумов не позволяет построить общую картину реакции организма на действие геомагнитных и метеорологических факторов. Трудность получения значительных объемов унифицированных экспериментальных наблюдений.

Общие недостатки всех подходов

• Эффекты, полученные разными авторами, различаются по знаку, амплитуде, времени развития ответной реакции.

• Различия в методологии и локальных условиях проведения экспериментов не позволяют обобщить эти результаты до уровня единой непротиворечивой феноменологической картины.

• Вклад неконтролируемых факторов – геофизических, климатических, временных, социально-психологических и т. д. – не позволяет применить закономерности, обнаруженные в одном регионе для одной группы волонтеров, к другой возрастной группе или другому региону.

Сравнительно низкие амплитуды эффектов и невоспроизводимость результатов

Не объясненная (на данный момент) невоспроизводимость результатов – следствие ограниченности существующего методологического подхода и лежащего в его основаниях положения о постоянстве эффекта в пространстве и времени.

Для преодоления указанных ограничений предлагается новый подход (Puzzle-подход), основанный на анализе индивидуальной чувствительности к внешним факторам и методе последовательных приближений.

Необходимо помнить, что:

• «Реально существующий спектр метеотропных реакций индивидов оказывается гораздо шире «средних» реакций, выведенных на основании сложения показателей разных людей» (Шеповальников и Сороко, 1992, с. 142). Необходим индивидуальный подход.

• Для возможности построения биофизических и физиологических моделей развития реакции в организме необходимо изучать поведение только тех физиологических параметров, которые допускают прозрачную интерпретацию на биохимическом и физиологическом уровне.

• Организм отвечает на действие факторов земной и космической погоды посредством одних и тех же систем, поэтому реакцию этих двух групп факторов нужно исследовать одновременно.

1. Каждое персональное заключение об индивидуальной чувствительности с точки зрения доказательной медицины – не более чем «исследование отдельного случая» и применимо только к данному человеку.

2. Полученные для каждого испытуемого знаки и величины амплитуд реакции являются не константами, а текущими значениями многопараметрической функции, зависящей от времени, географического положения и внешних условий проведения мониторинга, а также индивидуальных характеристик волонтера.

3. Но на основе множества персональных заключений формируем базу знаний, где личные параметры и характеристики внешней среды – обязательные записанные параметры (puzzle-элементы). В настоящее время содержит результаты анализа физиологических показателей 250 волонтеров из шести городов.

4. Сортировка базы знаний по определенному параметру позволяет формировать однородные когорты для оценки вклада того или иного фактора и постепенно восстанавливать вид этой многопараметрической функции.

Puzzle-подход

Puzzle-подход – нулевое приближение1. Необходимо оценить временные и пространственные особенности

действия основных факторов земной и космической погоды, факт влияния которых на организм уже надежно установлен предыдущими исследователями.

2. Требования к мониторингу физиологических показателей – максимальная простота и доступность широкому кругу людей. Наиболее удобные - артериальное давление и пульс. Достоинства – простота и доступность длительных измерения, ограничения – неоднозначность механизмов внутренней регуляции, затруднительность интерпретации результатов на биохимическом уровне.

3. Геофизические параметры для сравнения – атмосферное давление, относительная влажность, температура, общий уровень геомагнитной возмущенности (Кр-индекс)

Амплитудно-частотные характеристики индивидуальных реакций на внешние факторы, которые необходимо оценить

• Время развития реакции (кросскорреляционная функция).• Знак реакции• Амплитуда реакции (дисперсионный анализ)• Доминирующий фактор или их комбинация (двумерный

корреляционный анализ). • Тип зависимости (линейный и нелинейный регрессионный

анализ).

Амплитудные характеристики реакции показателей АД и ЧСС

на факторы земной и космической погоды

Tatm, oC-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

SB

P, m

m H

g

95

100

105

110

115

120

125

Tatm, oC

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

DB

P, m

m H

g

60

65

70

75

80

85

Tatm, oC

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

HR

, bpm

50

55

60

65

70

75

80

85

Tatm, oC

-30 -20 -10 0 10 20 30

SB

P,

Hg

mm

110

120

130

140

150

Tatm, oC

-30 -20 -10 0 10 20 30

DB

P,

Hg

mm

70

80

90

100

110

Tatm, oC

-30 -20 -10 0 10 20 30

HR

, b

pm

60

70

80

90

100

Коэффициенты линейной регрессии показателей АД от температуры воздуха в отдельных диапазонах температур могут достигать значения 0.8 мм рт.ст./ оС, что означает, например, увеличение среднего уровня САД на 15-16 мм рт. ст. при понижении температуры с -5 до -25 оС. Средние значения коэффициентов линейной регрессии составляют 0.15-0.40.

Зависимость показателей САД от Татм по сезонам года

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

2008зима

2008весна

2008лето

2008осень

2009зима

2009весна

2009лето

2009осень

2010зима

2010весна

2010лето

2010осень

2011зима

2011весна

Patm RH Tatm

N

1

2

3

4

N

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

À, ì ì ðò.ñò.-15 -10 -5 0 5 10 15

11

12

13

14

15

16

À, ì ì ðò.ñò.-15 -10 -5 0 5 10 15

11

12

13

14

15

16

5

6

7

8

9

10

Ñû

êòû

âêàð

Ìîñ

êâà-

2003

Ìîñ

êâà-

2002

Relative Humidity Temperature

Амплитуды реакции артериального давления волонтеров Сыктывкара и Москвы на изменение показателей относительной влажности (слева) и атмосферной температуры (справа) в течение зимнего периода времени.Видно, что во время относительно суровой зимы 2003 года реакция показателей АД волонтеров Москвы кардинально отличалась от реакции относительно теплой зимой 2002 и совпадала по характеру с реакцией волонтеров Севера

Распределения среднесезонных значений Татм и HR в Москве и сыктывкаре по годам

Òàò ì , oÑ

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2

RH, %

70

75

80

85

90

95

2010

2003

2006

1999

20012004

2005

20092000

20082002 2007

2011

Òàò ì , oÑ-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6

RH, %

72

74

76

78

80

82

84

86

2010

2003

2006

1999

2001

2004

2005

2009

2000

2008

20022007

2011

Ñû êòû âêàð Ì î ñêâà

Частотные характеристики реакции АД и ЧСС на факторы земной и космической

погоды

ï åðèî ä, ñóò

5 10 15 20 25 30ñ

ïå

êòð

àë

üí

àÿ

ìî

ùí

îñ

òü, ó

ñë. å

ä.

0

200

400

600

800

1000

1200

ï åðèî ä, ñóò

5 10 15 20 25 30

ñï

åêò

ðà

ëü

íà

ÿ ì

îù

íî

ñòü

, óñ

ë. å

ä.

0

100

200

300

400

500

600Êð-èí äåêñÊ ì ñê

-20 -10 0 10 20

Ñäâèã, ñóò

r(ÑÀÄ-Òàò ì )

-0.2

0.0

0.2

0.4

Ñäâèã, ñóò-20 -10 0 10 20

r(ÑÀÄ-Ðàò ì )

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

-20 -10 0 10 20

Ñäâèã, ñóò

r(ÑÀÄ-Êð)

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

Зависимость физиологической реакции на факторы космической погоды от уровня ГМА

Êð-èí äåêñ, ñðåäí åå

4 6 8 10 12 14 16 18 20

% â

îë

îí

òåð

îâ

â ã

ðóï

ïå

0

10

20

30

40

50

60

702008-2009 ã. Ì î ñêâà

(äàí í û å À.Ã. Ðåõòèí î é)

2008-2009, ã.Ñèì ô åðî ï î ëü

(äàí í û å Ç.Ï î äçí î åâî é)

2001-2002, ã. Ñî ô èÿ

(äàí í û å Ñ.Äèì èòðî âî é)

2001-2003, ã. Ì î ñêâà

(äàí í û å À.Í .Ðî ãî çû )

2009-2010 ã.Ñû êòû âêàð

(äàí í û å Þ .Ã.Ñî ëî í èí à)

2005, ã.Ì î ñêâà

(äàí í û å À.Í .Ðî ãî çû )

Процент лиц в однородных группах, чьи показатели АД показали значимую корреляцию с Кр-индексом, тем больше, чем выше средний уровень ГМА в период измерений

(по результатам анализа 230 волонтеров)

Динамика степени зависимости индивидуальной магниточувствительности от среднего уровня ГМА

äí è ñ ÃÌ Â, %

0 10 20 30

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

âðåì ÿ, ì åñ

2007 2008 2009 2010

äíè

ñ Ã

ÌÂ

, %

0

10

20

30

-lg(p

)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Слева – зависимость между значениями Кр-индекса и показателя микроциркуляции.Кривая - аппроксимация зависимости линейной функцией дает R2= 0.25, полиномом 3-го порядка – 0.29, дальнейшее увеличение степени возрастания процента объясненной дисперсии не дает.Справа – уровень статистической связи Ks=-sign(rs)*log10(p) между значениями показателя микроциркуляции волонтера 8 (женщина, 39 лет) и Кр-индекса за соответствующие периоды.

Êð-èí äåêñ

0 10 20 30 40 50

ÏÌ

10

15

20

25

30

35

Динамика степени зависимости индивидуальной магниточувствительности от среднего уровня ГМА

Зависимость знака реакции показателя СРПВ на вариации ГМА от среднего уровня ГМА у одного и того же волонтера в разные периоды мониторинга 2007-2011 гг.

Yury Gurfinkel, Tamara Breus, Tatyana Zenchenko, Vadim Ozheredov, Investigation of the Effect of Ambient Temperature and Geomagnetic Activity on the Vascular Parameters of Healthy Volunteers, Open Journal of Biophysics, 2012, 2, 46-doi:10.4236/ojbiphy.2012.22007 Published Online April 2012 (http://www.SciRP.org/journal/ojbiphy).

Первые итоги нулевого приближения Puzzle-подхода

1. Частотные характеристики реакций – медленная (с периодом в несколько суток) реакция на вариации метеофакторов, быстрая (в течение суток) реакция на изменение ГМА. Рекомендуемая частота измерений в этом приближении – один раз в сутки в одно и то же время.

2. Амплитудные характеристики – для здоровых лиц систематическое изменение показателей АД – до 15 единиц на 10 оС

3. Зависимость показателей АД и ЧСС даже одного человека от метеофакторов факторов и уровня ГМА может рассматриваться как линейная только в узком диапазоне изменения параметров ВФ;

4. В разных диапазонах изменения температуры реакция уровня АД и ЧСС на Татм определяется различными физиологическими механизмами.

Puzzle-подход – первое приближение• Нулевое приближение позволяет прояснить пространственно-временную

картину реакции уровня АД и ЧСС на вариации факторов земной и космической погоды.

• Для дальнейшей детализации физиологической реакции добавляем к мониторингу АД и ЧСС параметры, отражающие функциональное состояние различных отделов сердечно-сосудистой системы, а именно:

• электрической проводимости миокарда (метод ДК ЭКГ);• сосудистого тонуса магистральных артерий (измерение СРПВ); • состояния сосудов субкапиллярного сплетения (артериол и венул)

(метод лазерной допплеровской флоуметрии); • капилляров (микрокаппиляроскопия),• баланса вегетативной нервной системы (процессы возбуждения-

торможения, метод вариабельности сердечного ритма).

Исследование реакции показателей микроциркуляторного русла на действие факторов земной и космической погоды

Сравнение чувствительности показателей АД и микроциркуляции к вариациям температуры

Ñäâèã, ñóò

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

r(Ï Ì -Ò)

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Ñäâèã, ñóò

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

r(ÑÀÄ-Ò)

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

Связь различных ЛДФ-показателей с Кр-индексом

1

3

5

7

9ПМ

си

гма

Ан

Ам

Ад

Ас

0

1

2

3

4

5

6

7Периоды

колебаний кровотока,

с

Аэ 50-100

Ан 15-50

Ам 5-15

Ад 1.5-5

Ас 0.6-1.5

Puzzle-подход – второе приближение. Синхронизация вариаций показателей вегетативной

нервной системы и геомагнитного поля

V1, HR, 29 04 2012

Time, min

Per

iod

, min

10 20 30 40 50 60 70 80

5

10

15

20

25

30

MOSZ, IZMIRAN, 29 04 2012

Time, min

Per

iod

, min

10 20 30 40 50 60 70 80

5

10

15

20

25

30

Распределение встречаемости случаев высокой (2), средней (1) и низкой (0) степени синхронизации колебаний значений ЧСС и вертикальной компоненты магнитного вектора (MOSZ) в периоды низкой (слева), средней (посередине) и повышенной

(справа) локальной геомагнитной активности.Т.А. Зенченко. Синхронизация показателей сердечного ритма человека и вариаций геомагнитного

поля в диапазоне частот 0.3-3 мГц. (SWH P.13)

Предварительные результаты зависимости степени синхронизации от среднего уровня ГМА в

период наблюдений

Выводы (методологические преимущества Puzzle-подхода)

На нулевом уровне приближения – надежно показана нелинейность ответа индивидуальных значений показателей АД и ЧСС на действие факторов температуры и ГМА.

Этот результат, примененный в качестве рабочей гипотезы к другим данным, в значительной степени объясняет многообразие видов реакций АД и ЧСС, наблюдаемых ранее.

В разных температурных диапазонах реакция показателей АД и ЧСС на действие температуры, по-видимому, регулируется различными физиологическими механизмами.

Исходное состояние организма, которое и оценивается на нулевом уровне Puzzle-подхода, необходимо учитывать при анализе и интерпретации характера индивидуальных реакций на ГМА.

Реакция на вариации ГМА зависит от среднего уровня ГМА в период измерений. Наиболее сильное воздействие наблюдается в периоды геомагнитных возмущений и периоды «магнитного молчания».

Выводы (методологические преимущества Puzzle-подхода)

На первом уровне приближения – показатели микроциркуляторного русла и скорости распространения пульсовой волны в магистральных артериях (прибор Тонокард, автор – Ю.И.Гурфинкель) являются более чувствительными к геомагнитной активности, чем показатели АД у тех же практически здоровых испытуемых.

На втором уровне приближения – обнаружены случаи синхронизации колебаний показателей пульса и ВСР здоровых волонтеров и вертикальной компоненты вектора магнитного поля. Наибольшая степень синхронизации наблюдалась в экспериментах, проведенных в периоды очень низких или повышенных значений локального К-индекса.

Рассмотрение всего многообразия физиологических реакций как многопараметрической функции позволяет вычленить логичные и устойчивые элементы общей картины солнечно-биосферных связей из шума, создаваемого усреднениями по времени, пространству и популяции.

Спасибо

за внимание