Transcript Метод последовательных приближений в задаче исследования индивидуальных метеотропных реакций Т.А. Зенченко Институт космических исследований РАН (ИКИ), Москва 2 Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, г.

Метод последовательных
приближений в задаче
исследования индивидуальных
метеотропных реакций
Т.А. Зенченко
Институт космических исследований РАН (ИКИ), Москва
2 Институт теоретической и экспериментальной биофизики
РАН, г. Пущино, Московской обл.
1
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.
Puzzle-подход
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 – нулевое приближение
1. 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).
110
100
140
100
90
130
120
110
H R , bpm
150
DBP, Hg m m
90
80
70
-3 0
-2 0
-1 0
0
10
20
30
60
-3 0
T a tm , o C
-1 0
0
10
20
30
-3 0
DBP, m m Hg
115
110
105
95
5
o
T a tm , C
10 15 20
0
10
20
30
80
80
75
75
70
70
65
60
55
60
0
-1 0
85
65
100
-2 0
T a tm , o C
85
120
SBP, m m Hg
-2 0
T a tm , o C
125
-2 0 -1 5 -1 0 -5
80
70
HR, bpm
SBP, Hg m m
Амплитудные характеристики реакции
показателей АД и ЧСС
на факторы земной и космической погоды
50
-2 0 -1 5 -1 0 -5
0
5
o
T a tm , C
10 15 20
-2 0 -1 5 -1 0 -5
0
5
10 15 20
o
T a tm , C
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
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
2008 2008 2008
зима весна лето
2008 2009 2009 2009
осень зима весна лето
Patm
2009 2010 2010 2010
осень зима весна лето
RH
Tatm
2010 2011 2011
осень зима весна
N
N
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
11
12
12
13
13
14
14
15
15
16
16
Ñ û êòû âêà ð
Ì î ñêâà -2 0 0 3
Ì î ñêâà -2 0 0 2
R e la tive H u m id ity
-1 5 -1 0
-5
0
5
À , ì ì ð ò.ñò.
10
15
-1 5 -1 0
T e m p e ra tu re
-5
0
5
À , ì ì ð ò.ñò.
10
15
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
Ñ û êòû â êà ð
RH, %
Ì î ñêâ à
RH, %
86
95
2008
84
1999
2007
2002
2001
82
2011
2009
2006
80
2003
78
90
2000
2001
85
2005
2004
2011
80
2004
2000
2009
2010
1999
2005
2006
2007
2002
76
2008
75
74
2010
2003
72
70
-1 8
-1 6
-1 4
-1 2
Òà ò ì , o Ñ
-1 0
-8
-6
-1 0
-9
-8
-7
-6
-5
Òà ò ì , o Ñ
-4
-3
-2
Частотные характеристики реакции
АД и ЧСС на факторы земной и космической
погоды
r(Ñ À Ä -Êð )
r(Ñ À Ä -Ðà ò ì )
r(Ñ À Ä -Òà ò ì )
0 .4
0 .2
0 .4
0 .1
0 .2
0 .2
0 .0
0 .0
-0 .1
0 .0
-0 .2
-0 .2
-0 .2
-0 .3
-0 .4
-1 0
0
10
20
ñï å êòð à ë ü í à ÿ ì î ù í î ñòü , óñë . å ä .
Ñ ä âè ã, ñóò
600
Êð -è í ä å êñ
Ê ì ñê
500
400
300
200
100
0
5
10
15
20
ï å ð è î ä , ñóò
25
30
-2 0
-1 0
0
10
20
-2 0
-1 0
0
10
20
Ñ ä âè ã, ñóò
Ñ ä âè ã, ñóò
ñï å êòð à ë ü í à ÿ ì î ù í î ñòü , óñë . å ä .
-2 0
1200
1000
800
600
400
200
0
5
10
15
20
25
30
ï å ð è î ä , ñóò
% â î ë î í òå ð î â â ãð óï ï å
Зависимость физиологической реакции на
факторы космической погоды от уровня ГМА
Процент лиц в однородных
группах,
2 0 0 8 -2 0чьи
0 9 ã. показатели
Ì î ñêâà
АД(äпоказали
значимую
à í í û å À .Ã. Ðå õòè í î é )
корреляцию
с èКр2 0 0 8 -2 0 0 9 , ã.Ñ
ì ô åðî ï î ëü
индексом,
(ä à í í û å Ç.Ï î ä çí î å âî é )
тем2 0больше,
0 1 -2 0 0 2 , ã. Ñ î ô è ÿ
чем(ä выше
à í í û å Ñсредний
.Ä è ì è òð î âî é )
уровень
2 0 0 1 -2 0ГМА
0 3 , ã. Ìвî период
ñêâà
измерений
(ä à í í û å À .Í .Ðî ãî çû )
70
60
50
40
30
20
2 0 0 9 -2 0 1 0 ã.Ñ û êòû âêà ð
(по(äрезультатам
à í í û å Þ .Ã.Ñ î ë îанализа
í èí à)
2302 0волонтеров)
0 5 , ã.Ì î ñêâà
10
(ä à í í û å À .Í .Ðî ãî çû )
0
4
6
8 10 12 14 16 18 20
Êð -è í ä å êñ, ñð å ä í å å
Динамика степени зависимости индивидуальной
магниточувствительности от среднего уровня ГМА
35
30
2 .5
2
2 .0
2
1 .5
1
Ï Ì
25
20
20
-lg (p )
ä í è ñ ÃÌ Â , %
30
1 .0
10
15
0 .5
0 .0
0
10
0
10
20
30
Êð -è í ä å êñ
40
50
1
2007
2008
2009
2010
âð å ì ÿ , ì å ñ
Слева – зависимость между значениями Кр-индекса и показателя микроциркуляции.
Кривая - аппроксимация зависимости линейной функцией дает R2= 0.25, полиномом 3го 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.
0
0
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, 46doi: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 возбужденияторможения, 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
r(Ñ À Ä -Ò)
0.3
r(Ï Ì -Ò)
0.4
0.2
0.3
0.2
0.1
0.1
0.0
0.0
-0.1
-0.1
-0.2
-0.2
-0.3
-20 -15 -10
-0.3
-20 -15 -10
-5
0
5
10
15
20
Ñä â è ã, ñóò
-5
0
5
10
15
20
Ñä â è ã, ñóò
Связь различных ЛДФ-показателей
с Кр-индексом
Периоды
колебаний
кровотока,
с
7
6
5
Аэ
50-100
4
Ан
15-50
Ам
5-15
Ад
1.5-5
Ас
0.6-1.5
3
1
2
3
1
5
7
9
Ас
Ад
Ам
Ан
сигма
ПМ
0
Puzzle-подход – второе приближение.
Синхронизация вариаций показателей вегетативной
нервной системы и геомагнитного поля
MOSZ, IZMIRAN, 29 04 2012
30
Period, min
25
20
15
10
5
10
20
30
40
Time, min
V1, HR, 29 04 2012
50
60
70
80
10
20
30
40
Time, min
50
60
70
80
30
Period, min
25
20
15
10
5
Предварительные результаты зависимости
степени синхронизации от среднего уровня ГМА в
период наблюдений
N
Ki=0-1
N
8
8
6
6
4
4
2
2
0
Ki=2-4
1
2
Level of similarity
Ki=5-6
4
2
0
0
N
0
0
1
2
Level of similarity
0
1
2
Level of similarity
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)
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 солнечнобиосферных связей из шума, создаваемого усреднениями по
времени, пространству и популяции.
Спасибо
за внимание