Введение в кардиофизику

С моей точки зрения, причиной события Б допустимо считать только такое событие А, которое является одновременно необходимым и достаточным условием наступления события Б; это означает, что высказывание «событие А является причиной события Б» признаётся истинным лишь в том случае, когда высказывания «произошло событие А» и «произошло событие Б» одновременно оба являются либо истинными, либо ложными, причём дополнительно событие А должно предшествовать событию Б так, чтобы ещё и выполнялся принцип физической причинности. Всякое иное событие, в отношении которого пусть бы и проявлялась корреляция с исследуемым событием Б, следует считать сопутствующими условиями, но никак не причиной! Сопутствующие условия могут, в свою очередь, либо облегчать наступление события Б, либо затруднять его. Очевидно, что облегчающими условиями называются такие, присутствие которых увеличивает вероятность наступления события Б, а затрудняющие его условия – это такие, присутствие которых уменьшает вероятность наступления события Б.

На кафедре патологической физиологии московского медицинского университета, в котором обучался я, придерживались принципа моноэтиологичности каждой болезни: этот принцип классификации болезней означает, что у каждой нозологической формы должна быть одна и только одна причина; если же исторически сложилось так, что какому-либо заболеванию приписывают более одной причины, то это уже следует рассматривать как ошибку классификации. В качестве наиболее известных и очевидных примеров принципа моноэтиологичности приводили обычно туберкулёз и малокровие. Длительное время причиной туберкулёза ведь считалась бедность, скверное питание и плохие бытовые условия; однако после выявления палочки Коха стало очевидным, что истинной причиной развития туберкулёза является именно эта специфичная инфекция, без наличия которой туберкулёз развиться не может ни при каких иных сопутствующих условиях. «Малокровие» же распалось на несколько самостоятельных нозологических форм анемии после того, как были выявлены специфические уникальные истинные причины развития той или иной формы анемии. Такого же принципа необходимо придерживаться и при решении иных вопросов о причинности тех или иных физиологических или патологических процессов, поскольку лишь этот принцип соответствует классической логике как науке о верных суждениях.

Вернёмся же теперь к рассмотрению понятия «триггерная активность» в электрофизиологии. Триггерной (пусковой) активностью принято считать (1992, Шестаков, с. 128) «внеочередное» появление ПД, возникающего не спонтанно, а имеющего в качестве источника предшествующее возбуждение. Определительное слово «внеочередное» в данном случае не вполне удачно, поскольку оно имеет смысл лишь в ситуации «очерёдности» волн возбуждения, приходящих к рассматриваемому миокардиоциту от синусового узла или от экспериментального стимулирующего электрода; вместе с тем, его смысл представляется вполне ясным в указанной ситуации: следующего стимула нет, а возбуждение, тем не менее, возникло. «Триггерная активность» рассматривается в качестве одного из основных механизмов экстрасистолии (1992, Шестаков, с. 128). Принято различать два варианта такой «триггерной активности», в зависимости от времени возникновения внеочередного ПД по отношению к предшествующему очередному ПД: 1) как «ранняя триггерная активность» интерпретируется внеочередной ПД, возникший в III фазу предшествующего очередного ПД; 2) в качестве «поздней триггерной активности» рассматривается внеочередной ПД, возникший «после окончания потенциала действия, когда происходит восстановление диастолического соотношения электролитов на наружной и внутренней поверхности клеточной мембраны» (1992, Шестаков, с. 128).

В качестве «причин» триггерной активности (а я же склонен их называть сопутствующими факторами) традиционно в соответствующей медицинской литературе перечисляются следующие: 1) для ранней – гиперкатехоламинемия, гипоксия, гиперкапния; 1) для поздней – избыток ионов кальция в клетках, избыток катехоламинов, токсическое воздействие сердечных гликозидов, ишемические повреждения миокарда. Как основной признак обоих видов «триггерной активности» (отчего-то в литературе называемого «механизмом») указывают «осцилляторные колебания потенциалов мембран», некоторые из которых «могут достигать порогового уровня и вызывать внеочередное возбуждение клетки» (1992, Шестаков, с. 128). Интересен этот признак тем, что в точности такое же явления было описано знаменитым учёным Ричардом ФитцХью (1961, FitzHugh), и наблюдал он это явление при исследовании той самой концептуальной модели (1). Однако есть существенные нюансы. Прежде всего, никакого «порогового уровня» такие осцилляции достигать не могут по причине принципиального отсутствия «порогового уровня» в том состоянии клетки (и её соответствующей математической модели), при которой такие осцилляции наблюдаются, – это в точности так же, как и в выше рассмотренном случае автоматии (автоколебательного режима).

Для пояснения той гипотезы, которой в рамках кардиофизики склонен придерживаться я, рассмотрим рисунок 3.

Здесь очередной ПД возникает (рис. 3.А) так же, как ранее было показано на рисунке 1.А, то есть под воздействием очередного стимула. Однако сопутствующие условия (перечисленные выше и традиционно указываемые в качестве «причины») приводят к тому, что точка O0, лежащая на левой ветви Z-образной нуль-изоклины при возникновении очередного ПД (рис. 3.А), смещается по левой ветви ниже в область перехода с левой ветви на среднюю часть Z-образной нуль-изоклины к моменту завершение «очередного» ПД, как это показано на панели Б рисунка 3. В этом новом положении точка O0 превращается в неустойчивый фокус, и фазовая точка системы, оказавшись (случайно ли или же в силу эволюции прежнего ПД) в её окрестности, станет по спирали раскручиваться, пока не выйдет на предельный цикл; последнее воспринимается в электрофизиологии как внеочередной ПД, обусловленный якобы «триггерной активностью». Таким образом, нарушается первый закон логики, потому как система в начале очередного ПД и при его завершении в данном случае не идентична сама себе; поэтому «порогового уровня» уже нет в момент завершения очередного ПД перед появлением внеочередного ПД. Указанная переходная область (рис. 3.Б) разделяет два разных режима автоволновой системы (кардиомиоцита в данном случае) – режим ожидания и режим автоколебательный; иными словами, в этой области находится точка бифуркации системы. По фундаментальной причине, известной как теорема о непрерывной зависимости движений системы в фазовом пространстве от параметров этой системы, в этой промежуточной области, то есть вблизи точки бифуркации системы, возникают явления так называемой задержки потери устойчивости (бифуркационной памяти). Простыми словами для этой конкретной бифуркационной ситуации наблюдаемое поведение системы можно описать так: система готова сорваться к правой ветви, как это происходит для автоколебательного режима (рисунка 2.А); однако она как бы «помнит» что чуть левее она была всё ещё устойчивой в режиме ожидания, – и потому перед тем, как уйти к правой ветви Z-образной нуль-изоклины, система совершает несколько оборотов вокруг точки бифуркации (как бы «в нерешительности топчется на месте»). Возможно также воспользоваться и иным пояснением: в точке O0 в данном случае (рисунка 3.Б) располагается стационарное решение типа неустойчивого фокуса, и потому фазовые траектории от него разбегаются по расходящейся спирали – это и выглядит в физиологических экспериментах как «триггерная активность». Сравните рисунок 3 и (1961, FitzHugh, Fig. 5). Эти несколько оборотов, отражающих фундаментальные свойства системы, физиологами и врачами наблюдаются как те самые «осцилляторные колебания потенциалов мембран». Далее, если параметры системы нормализуются самостоятельно после этого внеочередного ПД, то система снова возвращается в режим ожидания; иначе может наблюдаться на ЭКГ не одна экстрасистола, а их серия. Наблюдаемые же ионные токи в клеточных мембранах не обусловливают этот фундаментальный процесс, а лишь его сопровождают.

Сам ФитХью наблюдаемые осцилляции малой амплитуды был склонен объяснять несовершенством используемой им вычислительной техники. Однако более поздние исследования привели к пониманию, что их следует рассматривать как проявление феноменов бифуркационной памяти, о которой мы поговорим ниже более подробно. Любопытно отметить то обстоятельство, что, хотя ФитХью и описал эти явления ещё в 1961 году, они так до сих пор всё ещё остаются непонятыми и даже незамеченными исследователями из биологических наук, хотя считаются обычными и понятными для математиков, особенно после открытия французами так называемых «решений-уток»; более детально об этом смотрите в обзоре (2019b, Москаленко и соавторы).

1.6. Адаптация и общий адаптационный синдром

Большую популярность среди физиологов и врачей обрели идеи Ганса Селье о неспецифической реакции на стрессор, проявляющейся набором физиологических и патофизиологических проявлений, получивших название «общий адаптационный синдром». Эта реакция была впервые описана в 1936 г. как «синдром, вызываемый различными вредоносными агентами» и сам Селье дал ей определение вполне чёткое: «Биохимические приспособительные реакции клеток и органов удивительно сходны независимо от характера воздействия (…) как ответ на любое предъявленное организму требование (…) Стресс есть неспецифический ответ организма на любое предъявленное ему требование» (1979, Селье). Селье также указывал с горечью, что его учение переврано его последователями до неузнаваемости: «Многие слова становятся модными, когда научное исследование приводит к возникновению нового понятия, влияющего на повседневное поведение или на образ наших мыслей по коренным жизненным вопросам. (…) Но многие ли из горячих спорщиков, защищающих свои твёрдые убеждения, утруждают себя поисками подлинного значения термина "стресс" и механизмов его? Большинство людей никогда не задумывались над тем, есть ли разница между стрессом и дистрессом! (…) Термин "стресс" часто употребляют весьма вольно, появилось множество путаных и противоречивых определений и формулировок» (1979, Селье).

Идеи Селье были удачно дополнены затем теоретическими представлениями Романа Марковича Баевского о «функциональных резервах организма»; в развитие этих представлений Баевским была разработана методика оценки этих самых функциональных резервов по ритму синусового узла сердца (1984, Баевский) – получившая после 1996 года уже вполне официальное название «анализ вариабельности сердечного ритма» (ВСР). С моей точки зрения, идеи эти весьма полезны и перспективны; однако с их современным пониманием и использованием наблюдаются некоторые проблемы.

Прежде всего, отметить следует, что идеи Селье всё же изложены несколько размыто даже им самим, а некоторые им употреблённые фигуры речи, хотя и стали последователями его идей использоваться в функции терминов, чёткого смысла так и не обрели. Например, Селье использует фигуру речи «запасы адаптационной энергии», и на интуитивном уровне читатель вроде бы понимает примерно, о чём тут может идти речь, – однако какого-либо чёткого и уж тем более количественного значения этот набор слов так и не получил. То же замечание полностью уместно и для введённого Баевским набора слов «функциональные резервы организма», по смыслу на уровне художественных образов весьма близкому к «запасам адаптационной энергии».

В отношении третьей фазы общего адаптационного синдрома сам Селье указывал: «В конце концов наступает истощение. Мы до сих пор точно не знаем, что именно истощается, но ясно, что не только запасы калорий: ведь в период сопротивления продолжается нормальный прием пищи». Иными словами, исследователи наблюдают некоторую феноменологию и констатируют достоверность факта наблюдения, но какой-либо гипотезы, не говоря уже о теории, предложить не могут до сих пор. Это мне напоминает ситуацию, описанную физиками в одной весьма остроумной книге (1988, Григорьев): в ней рассматривается ошибочная теория древних учёных, утверждающая, что подброшенный камень устремляется упасть на землю потому, что в нём существует мотивация упасть, подобная той, которая побуждает кошку устремляться к блюдцу со сметаной. В обоих примерах на основе достоверных наблюдений фактов построены словесные модели, пытающиеся эти факты увязать в стройную систему; однако в обоих этих примерах словесные модели оказались ошибочными, ибо построены они в результате допущения логической ошибки предвосхищённых оснований.

Попытки как-либо исправить недостаток научных представлений о причинах и механизме истощения «запасов адаптационной энергии» предпринимались разными исследователями. Например, был предложен механизм необратимого монотонного повышения порога чувствительности к кортизолу, срабатывающий, предположительно, при каждом стрессовом воздействии и тем больший, чем больше сила и длительность стресса (1982, Дильман); по достижению некоторого максимально допустимого значения этого порога организм погибает. В качестве другого гипотетического механизма была предложена (2014, Парин) дополнительная фаза общего адаптационного синдрома, названная опиатной, поскольку в эту фазу организм сам себя отравляет опиатами из-за активации эндогенной опиоидной системы: поначалу это способствует лучшему перенесению полученных повреждений, однако в случае затяжного течения этой фазы наступает гибель организма (то есть как бы ничего и не «истощается» вовсе).

Проблемы с использованием традиционного анализа вариабельности сердечного ритма требуют отдельного пояснения, причём весьма объёмного; и такое пояснения, я надеюсь, будет предоставлено в последующих выпусках ОЗК.

Однако основная проблема с теорией общего адаптационного синдрома обусловлена вовсе не множеством разным мелких неточностей, как перечисленных выше, так и многих иных. Во всей этой «теории стресса» существуют некоторые концептуальные внутренние противоречия. Так, например, если в этой теории утверждается, что болезнь развивается вследствие истощения «функциональных резервов организма», то из этого прямо следует, что обычный ежедневный сон следовало бы признать «сонной болезнью». Более того, известно же, что после «сильного стресса» сон у людей часто становится более продолжительным и глубоким, – и это вполне хорошо согласуется ведь с общими представлениями о здоровье и болезни: чем сильнее патогенный фактор, тем тяжелее болезнь, не так ли? Ну, тогда ведь и глубокий сон следовало бы признавать «тяжёлым течением сонной болезни», верно? Ну, или же, наоборот, то, что ныне принято относить к болезням, следует признавать лишь вариантами отдыха, подобного сну. Иными словами, принципиальная проблема заключается в следующем: существует ли в рамках «теории стресса» чёткий критерий (то есть необходимое и достаточное условие, выражаясь языком математики), позволяющий однозначно разделить реакции на внешнее воздействие на два класса – на здоровый отдых, подобный сну, и на болезнь, как нарушение адаптации?

Кроме уже указанной принципиальной проблемы «теории стресса» следует обозначить и ещё одну проблему, столь же принципиальную – это явные противоречия между медицинской теорией и современной теорией динамических систем. Так, например, у Баевского находим, что адаптацию он считает то переходным процессом, то новым состоянием системы. Однако в рамках теории динамических систем состояния системы понимают обычно как её стационарные состояния, устойчивые или неустойчивые; а переходные процессы – это то, что происходит с системой по пути к стационарному состоянию. Болезнь – это некое стационарное состояние или же это переходный процесс, ведущий систему, выбитую патогенным фактором из стационарного состояния здоровья, обратно в это же состояние здоровья? Этот же вопрос можно переформулировать в следующем виде: согласны ли медики и биологи с теорией материального мира, предложенной сэром Исааком Ньютоном и доведённой его последователями до уровня современной теории динамических систем, – или же они желают развить некую альтернативную теорию систем? То есть это вопрос о концептуальной картине материального мира.

На эти принципиальные проблемы «теории стресса» указывал в 2001 году Виктор Фёдорович Фёдоров, призывая, в частности, различать чётко процесс и состояния – адаптацию, как процесс приспособительных изменений организма и личности человека, и адаптированность, как меру текущего результата адаптации. Кроме того, им дополнительно введено понятие адаптивность, как способность системы приспосабливаться к меняющимся условиям внешней среды, сохранив при этом свои свойства и функции. Индивидуальное здоровье предложено им было оценивать как меру, выражающую соотношение адаптированности и адаптивности индивида. При этом оптимальное состояние здоровья – это наличие удовлетворительной адаптированности к данным конкретным условиям существования при сохранении достаточной адаптивности (адаптационной готовности к перемене условий). Соответственно, нарушением здоровья, то есть болезнью, в рамках этой парадигмы, следует признавать снижение индивидуального здоровья ниже некоторого условного порового значения (задаваемого, например, соответствующим распоряжением Министерства здравоохранения). Мне уже довелось несколько раз достаточно детально пересказывать основные положения концепции, развитой В. Ф. Фёдоровым, и потому интересующиеся могут легко найти их в соответствующих научных публикациях (2009, Елькин и Москаленко; 2014, Moskalenko; 2023, Makhortykh, Moskalenko).

Мне представляется, что приведённые в этом разделе доводы уже вполне убедительно указывают на необходимость существенного пересмотра «теории стресса».

1.7. Равновесие и стационарность

В продолжение обсуждения предыдущего раздела следует указать ещё несколько исторически сложившихся в медицинской науке недоразумений, существенно противоречащих современной теории динамических систем.

Например, в медицинской литературе можно довольно часто найти утверждения, похожие на следующее (1968, Амосов, с. 71): «Разумеется, нет нужды добиваться абсолютно точного сбалансирования модели, поскольку в реальных живых системах стационарных состояний вообще не бывает, а постоянно происходят колебательные процессы на всех уровнях». В этом утверждении усматриваются, с позиций современной теории динамических систем, две серьёзных ошибки.

Во-первых, стационарными состояниями быть колебания могут; даже если это нелинейные колебания; даже если это не строго периодические колебания. Понятие «предельный цикл» было предложено ещё Пуанкаре, затем развито в работах ван дер Поля и советского академика Александра Александровича Андронова. Именно предельный цикл представляет собой простейшее стационарное состояние динамической системы, наблюдаемое как нелинейные колебания. К 1968 году, времени издания процитированной книги Николая Михайловича Амосова, предельный цикл уже был хорошо известен математикам и физикам; однако в медицинские науки это понятие в те времена ещё не проникло, – отсюда и происходит указанная оплошность у Амосова.

Однако намного более прискорбным является то обстоятельство, что и в современной медицине начала XXI века представления о гомеостазе как о неком «равновесии» всё так же ретранслируется из учебника в учебник, из монографии в монографию. Поэтому «открою секрет»: гомеостаз – это вовсе не равновесие; это стационар, причём колебательный и, более того, вероятно, колебательный хаотически. Равновесие же – это лишь один из вариантов стационарного состояния динамической системы, причём достаточно простенького и в сложных системах едва ли играющего существенную роль.

Аналогичная путаница в понятиях равновесия и гомеостаза обнаруживается и в книгах Р. М. Баевского; да, и вообще во всей теории гомеостаза, где исторически гомеостаз понимается как равновесия, хотя с точки зрения современной нелинейной физики гомеостаз следует считать стационарным колебательным процессом. В чём различие этих двух точек зрения? Дело в том, что при постулировании, что гомеостаз – это равновесие, в дальнейшем любое отклонение от «нормальных» значений физиологических величин исследователь обязан рассматривать как «нарушение гомеостаза». С позиции же физики, колебания значений физиологических величин в некотором диапазоне значений, соответствующих стационарному нелинейному колебательному процессу, являются нормой для гомеостаза; причём стационарный колебательный процесс вовсе не обязан быть вариантом предельного цикла, а вполне может быть также и вариантом странного (хаотического) аттрактора.

Такое изменение точки зрения на гомеостаз является революционным, ибо оно требует радикального пересмотра всей теории гомеостаза и стресса. Включая и пересмотр методов исследования так называемой «вариабельности сердечного ритма», которые принято рассматривать как один из способов оценки уровня стресса.

Отметим также, что для получения сведений о количестве, положении и типах стационаров для конкретной системы, – в данном контексте, для человека! – необходимо проводить для каждого пациента процедуру параметрической идентификации системы, что в медицине практически игнорируется. Проблема параметрической идентификации пациентов была мной недавно рассмотрена, по предложению моего соавтора, в (2023, Makhortykh, Moskalenko); она будет затронута также и здесь в соответствующем разделе этого выпуска ОЗК. С этой же проблематикой тесно связаны представленные ниже разделы, посвящённые динамическим болезням и нормальной аритмической деятельности сердца.

1.8. Информация

Немало путаницы сложилось вокруг понятия «информация».

Сложилось мнение, что первым его употребил Шеннон в своей знаменитой статье (1948, Shannon). Однако у Шеннона отсутствует явное определение для им используемого термина «информация». Хотя это и так, из текста статьи можно вполне однозначно, на мой взгляд, понять, что Шеннон информацией называл факт наблюдения изоморфного отображения набора измеряемых физических величин одной рассматриваемой системы в набор измеряемых физических величин другой рассматриваемой системы. И далее, основываясь на таком неявно им введённом определении, Шеннон затем всю статью посвящает основной её теме: надёжности обнаружения изоморфного отображения в условиях зашумления.

В этой связи интересна позиция Амосова (1969, Амосов, с. 6): «Информация – это сведения об объекте, представленные моделью, в которой с упрощениями и искажениями отражены его структура и функция. Понятия модели и информации неотделимы».

Из этих базовых определений Амосов выстраивает систематизацию как моделей, – как тех, что построены при помощи средств естественного человеческого языка, так и математических моделей.

И отсюда выводится далее (1968, Амосов, с. 9–10): «Переработка информации заключается в превращении одних моделей в другие», – великолепное и предельно точное определение, на мой взгляд.

Мной проведено небольшое теоретическое исследование, результаты которого были уже анонсированы в ряде публикаций; например в (2020, Москаленко и соавторы). Наиболее существенным результатом этого исследования считаю вывод, что понятие «информация» неотрывно связано с понятием изоморфизма из теории множеств: одно множество содержит информацию о другом множестве лишь в той части, в какой эти множества изоморфны, то есть, выражая мысль более аккуратно, укоренившаяся фигура речи «содержать информацию» семантически соответствует утверждению, что некое подмножество одного множества является изоморфным некому подмножеству другого множества. В этом смысле первое из указанных подмножеств обозначать принято терминами «сигнал» или «сообщение», а второе принято воспринимать как некий физический объект, сигнал от которого исходит. Хотя с точки зрения чистой математики эти два подмножества допустимо поменять местами без изменения их свойств и взаимоотношений (однако на практике в этом едва ли есть много толка).