Раздел "Кибернетическая кардиология":
Зарисовка истории развития научного направления

Начало

Начало кибернетической кардиологии было положено в 1946 году отцами кибернетики Норбертом Винером и Артуром Розенблютом. Именно они впервые предложили математическую модель процесса возбуждения сердца — модель, впоследствии получившую название аксиоматической [Arch. Inst. Cardiologia de Mexico 1946;16(3-4):205-265]. Именно они впервые получили ревербератор и обосновали природу желудочковых аритмий сердца. Классическая аксиоматическая модель Винера-Розенблюта давала в общих чертах верное представление о характере поведения и форме ядра вихря в сердечной ткани, но из-за своей простоты не позволяла моделировать более сложные эффекты и, главное, не позволяла найти соотношения между параметрами модели и физиологическими параметрами миокарда.

Дальнейшее развитие математического моделирования сердечной деятельности (как часть кибернетической кардиологии) было неотъемлемо связанно с работами Ходжкина и Хаксли, которые в 1952 году предложили феноменологическую математическую модель мембраны аксона кальмара [J. Phisiol. 1952;117:500-544]. Это была первая модель возбудимой среды, записанная на языке дифференциальных уравнений.

Модели ФицХью и ФицХью-Нагумо. Модели Билера-Рейтера и Лео-Руди. Исследования в США

В 1961 году ФицХью предложил модификацию модели Ходжкина-Хаксли [Biophys. J. 1961;1:445-465]. Модифицированная модель представляет собой систему из всего двух дифференциальных уравнений и является классической моделью активной среды, которая сохраняет свою значимость, хотя впоследствии и было предложено множество ее модификаций.

В 1977 году двумя исследователями (G.W. Beeler и H. Reuter) была предложена математическая модель, которая на тот момент описывала свойства сердечной ткани лучше других моделей [J. Physiol. 1977;268:177-210]. Она так и вошла в историю как модель Билера-Рейтера.

Из американских исследователей в первую очередь следует, несомненно, отметить Артура Винфрии, который 1985-1991 годах опубликовал ряд работ, сразу же ставших классическими. Например, его статья, посвященная построению параметрического портрета модели ФицХью-Нагумо [Princeton Univ. Press, 1987, Chaos 1991;1(3):303-334].

С 1995 года ряд интересных результатов было получено Фрэнком Стармером, - например, [CSF 1995;5(3/4):417-424, Phys. Rev. E 1997;55:1193-1196, Int. J. Bif. and Chaos 2002;12:1953-1969] Следует отметить, что Стармер активно сотрудничал с пущинской группой ученых (см ниже).

Сердечные модели Д.Нобла. Оксфордская группа (Англия)

В 1962 году Денис Нобл предложил новую математическую модель возбудимой ткани, которая была более адаптирована к свойствам миокарда [J. Physiol. 1962;160:317-352]. С тех пор Оксфордская группа Дениса Нобла постоянно занимает одно из лидирующих мест в компьютерной физиологии (кардиологии). Подробнее смотрите обзоры [Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 2000;358:579-610, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 2001;359:1049-1054, BioEssays 2002;24:1156-1163, Science 2002;295:1678-1682].

Именно в Оксфордской группе с 1998 года занимается моделированием механической деятельнсти сердца (см ниже) выпускник Медико-биологического факультета РГМУ Петер Коль...

В начале 21-го века именно Оксфордская группа стала инициатором и вдохновителем международного проекта Физиом (см ниже).

Пущинская группа (СССР - РФ)

Пущинских исследования в области компьютерной физиологии восходят, пожалуй, к работам группы Валентина Кринского, опубликовавшего в 1966-68 годах несколько работ по математическому моделированию сердечной фибрилляции [Проблемы кибернетики. М:Наука, 1968;(20):59-80] и ряд других работ в разные годы. Среди наиболее значимых исследований пущинских биофизиков советского периода в области моделирования свойств биологических возбудимых тканей следует назвать работы Юрия Кокоза (наиболее значимая работа - 1975), Александра Панфилова (наиболее значимая работа того периода - 1986), Игоря Ефимова (наиболее значимая работа того периода - 1991-92) и Вадима Бикташева.

Далее начался "российский" этап пущинских исследований. Вот каковы были краткие итоги на 1999 год: << Кукушкин Н.И., Медвинский А.Б., Сидоров В.Ю., Москаленко А.В. в докладе "Изучение механизма полиморфных аритмий" прояснили до сих пор не установленный механизм возникновения полиморфных желудочковых тахикардий(ПЖТ). ПЖТ часто предшествует желудочковой фибрилляции и внезапной сердечной смерти. В последнее время как на компьютерных моделях, так и в экспериментах на сердечных препаратах получены данные в пользу того, что ПЖТ может быть результатом дрейфа источника спиральных волн. Авторами в экспериментах показано, что полиморфные тахиаритмии возникают тогда, когда в пространственно-временной картине распространения возбуждения наблюдается явление перекрытия соседних волн, и степень перекрытия волн при переходе от одной волны к другой существенным образом изменяется.
Развитие методов анализа сложных систем и возможность формирования новых представлений о механизмах сердечных аритмий даны в докладе: "Отражение сталкивающихся импульсов возбуждения" Асланиди О.В. и Морнева О.А.
Наконец, о важнейшем развитии подходов к кардиологии рассказал в докладе "Проблема идентификации биоэлектрического генератора по неинвазивным измерениям его электромагнитного поля" Л.И. Титомир. Существенным преимуществом методов исследования живого организма, основанных на биоэлектрических и биомагнитных измерениях, является возможность неинвазивной оценки состояния электрогенных органов (сердца, мозга и др.). В работе обсуждены новые подходы к оценке информативности биоэлектрических и биомагнитных измерений на основе электродинамики стационарных токов и скалярного мультипольного разложения, формулируемого отдельно для электрического и магнитного полей и дающего исчерпывающее описание характеристик генератора, доступных при неинвазивном исследовании. Представленные закономерности следует учитывать при разработке измерительно-вычислительных систем и компьютерных алгоритмов для медицинской (в частности, электрокардиологической) диагностики. >> [По материалам II Съезда биофизиков России (Москва, 1999), см. library.biophys.msu.ru/sjezd99/ (ссылка верна на 30/12/2004г.)]

Продуктивно занимающимися компьютерной кардиологией пущинскими учеными "российского" периода (на момент написания это текста 1991-2010 гг) остаются Олег Морнев, Олег Баум, Рубин Алиев, Андрей Москаленко, Юрий Елькин.

А.Панфилов, И.Ефимов и В. Бикташев свои исследования сердца продолжают в зарубежных лабораториях...

Модель Алиева-Панфилова

В 1996 Алиевым и Панфиловым был предложен новый вариант модели класса ФХН, которая демонстрирует ряд новых весьма любопытных свойств [CSF 1996;7(3):293-301]. Модель Алиева-Панфилова является модифицированной версией популярной модели ФитцХью-Нагумо и, как указывают ее авторы, имеет ряд существенных отличий, которые приближают ее свойства к свойствам сердечной ткани.

Именно с использованием этой модели в 2006 году удалось обнаружить новое автоволновое явление — серпантин (см. подробнее здесь).

Аналитические исследования моделей активных сред.

Давыдов...

Кокоз...

Бикташев [Int. J. Bifurc. Chaos. 1996;6(12A):2433–2440], Елькин..............

Морнев...

Автоматные модели миокарда

Предложенная Винером первая модель возбудимой среды относилась к классу автоматных моделей. Впоследствии это направление моделирования активных сред хоть и было сильно потеснено исследованиями систем дифференциальных уравнений, но продолжало развиваться. В частности, весьма успешны работы Олега Баума (из пущинских исследователей - см выше). Подробнее см. обзоры, написанные недавно этим автором вместе с коллегами: [Биофизика 2006; 51(6):1069-1086, Биофизика 2009;54(1):97-113]

Модельные исследование электро-магнитных полей, порождаемых деятельностью миокарда

Белоусов [Минск: Беларусь, 1969]...

Амиров [М:Наука, 1973]...

Титомир [М.:Наука. Физматлит, 1999], эквивалентный электрический генератор сердца...

Баум (см. выше).

Москаленко, Елькин [Биофизика 2001;46(2):319-329, Биофизика 2007;52(2):339-343, CSF, 2008;36(1):66-72, Биофизика 2009;54(1):62-67, В кн.: Клиническая аритмология]...

Y. Rudy публикует статью [Nature Medicine 2004;10:422-428], которая является итогом его многолетних исследований, посвященных решению обратной задачи кардиографии. В настоящее время эта технология успешно внедряется в кардиологические клиники по всему миру, в т.ч. и в России.

Модели механической работы сердца.

В 1999 году появилась статья Петера Коля, Петера Хантера и Дениса Нобла о влиянии механической работы сердца на частоту и ритм электрической активности. Подключаются к данному направлению исследований и российские ученые, и в 2002 году в Journal of Physiology публикуется статья "Математическое моделирование механических эффектов на потенциал действия в неоднородном миокарда" под авторством звездной команды имен, среди которых Ольга Соловьева, Владимир Махарсин и Денис Нобл. В 2003 Петер Коль публикует статью "Механо-электрическая обратная связь и сердечные аритмии", а также, совместно с Владимиром Махарсиным и Ольгой Соловьевой, статью об новом методе оценки влияния различных внутриклеточных механизмов на механически индуцированные изменения электрического потенциала действия. За 2001-2005 годы у этой группы авторов выходит еще ряд статей, развивающих и уточняющих данную концепцию. После этих работ необходимость учитывать влияние сократительной функции миокарда на его автоволновую функцию стала очевидной.

В 2004 Мартин Нэш и Александр Панфилов публикуют статью "Электро-механическая модель возбудимой ткани для изучения сердечных аритмий"....

Основываясь на этих работах, А. Москаленко 2009 году показывает ошибочность убеждения, распространившегося в последние два десятилетия как в научных кругах, так и среди практикующих врачей, что аритмии сердца обусловлены нарушением какой-то гипотетической "электрической функции сердца" — см. подробнее в [В кн.: Клиническая аритмология]. Никакой такой специальной "электрической функции сердца" не существует в природе, а существуют лишь электрические проявления автоволновой функции сердца. Именно нарушение последней приводит к различным нарушениям сердечной деятельности, в том числе и к аритмиям сердца.

Интегративные модели сердца. Международный проект Физиом

С 2000 года ряд авторов пишут целую серию работ, нацеленых на стимулляцию интегративных междисциплинарных подходов при изучении физиологических явлений и предлагающих заинтересованным ученым объединиться в совместный международный проект Физиом ( см, например, статьи Петера Коля, Петера Хантера, Дениса Нобла, Р. Винслоу)... (продолжение следует...)