В.Д. Цыганков, член-корр. МАИ, к.т.н.
АННОТАЦИЯ
В статье сформулированы постулаты, экспериментальное обоснование которых дает ключ к пониманию роли ритмических явлений в целостной, системной деятельности мозга. Вводится понятие ЛАБИТРОНА как нейрофизиологического элемента функциональной системы.
ВВЕДЕНИЕ
Принципы целостности и системности в работе мозга – наименее разработанная часть в общей теории мозга. Необходимость формулировки «рабочего принципа, который мог бы перебросить «концептуальный мост» между теми фактами, которые получаются при изучении явлений у целого животного, и теми, которые получаются при тонком аналитическом эксперименте» подчеркнута П.К. Анохиным [1]. Таким рабочим принципом в физиологии является сегодня концепция «функциональной системы», сформулированная П.К. Анохиным в 1935 году. Эта концепция, несомненно, может и должна стать основой общей теории работы мозга.
Однако, в этом системном подходе, во-первых, не нашли отражения фундаментальные закономерности реагирования живого организма, а именно, ритмическая природа и фазный характер протекания реакций на всех уровнях его организации, экспериментально установленные школой Н.Е. Введенского – А.А. Ухтомского; во-вторых, «полезный результат» всякой функциональной системы представляет собой частный, локальный результат, и не основывается на собственном результате работы каждой соматической клетки или нейрона. Это понятие также не базируется на фундаментальных закономерностях, открытых на молекулярном уровне по пластическому обеспечению функций (Меерсон), и на общебиологической реакции «нативного белка», напряженного, не денатурированного белка (Д.Н. Насонов, Э.С. Бауэр [2]). Ранее автором данной статьи была предпринята попытка разработки этих вопросов, в том числе, проблемы «центр – периферия» (Цыганков [4]).
ПОСТУЛАТ ПЕРВЫЙ
Центр допускает и обеспечивает Е такую двигательную (сократительную) активность F, которая дает работу, достаточную для почти полного восстановления разрушенных белковых структур и поддержания в неравновесном, нативном состоянии основной массы белка организма в течение максимально возможного времени при данных окружающих и внутренних условиях.
Постулат имеет отношение к проблеме взаимоотношения центра и периферии. Известно (Анохин [1]), что «полезный результат» любой функциональной системы заканчивается действием. Почти повсюду в целом организме таким действием является мышечная сократительная деятельность фибриллярных белков (актомиозина и ему подобных). Механизм работы антенн и ресничек рецепторных клеток, изменение формы или конформация белков в пресинаптических мембранах при секреции медиатора, изменение форм нейронов при их активности, изменение формы белковых молекул аксона при продвижении по нему спайка, ритмические изменения формы фермента и, наконец, работа мышечного веретена и мышечной клетки – всюду в основе деятельности – конформационные изменения белковых молекул.
Наиболее доступным для исследования и символического, формального представления и описания взаимоотношений между центром и периферией являются управление и координация движений.
Нами ранее (Цыганков [4) был предложен вид уравнения движения, модифицирующий известное уравнение Н.А. Бернштейна, учитывающий роль лабильности L во взаимоотношении центра и периферии, вид которого следующий
Jd2α/dt2 = F {E [t, α, dα/dt, LE (t, α, dα/dt)], α, dα/dt, LF (E,t)} + G(α),
где LE - лабильность центра, LF - лабильность периферии.
Это выражение может быть использовано для формального универсального описания работы любой функциональной системы, т. к. отражает ряд специфических свойств функциональных систем, хорошо известных из нейрофизиологии, а именно:
1. Взаимоотношение центра и периферии организовано по нескольким циклам,
2. Однозначной связи между командой E из центра и характером движения F нет.
3. Произвольное движение возможно лишь при условии лишь тончайшего, не предусмотренного заранее, согласования центральных импульсов (E) с локальными явлениями на периферии (α, dα/dt, LF ), а именно, возникновение цели «полезного результата» и акцептора действия по Анохину, обратная афферентация и ориентировочный рефлекс и т. д.
4. Устойчивость результата (F = const) с неизбежностью из – за переменной лабильности требует постоянной коррекции, непостоянства команд (E) из центра и неустойчивости локализации в нейронных сетях мозга функциональной системы, обеспечивающей получение данного результата. В этом заключается организующая роль полезного результата.
5. Мозг, центр неотделим от периферии, от тела. Нельзя понять и описать работу мозга в отрыве от главного результата его деятельности – работы мышц. Согласно современным данным, работающая белковая структура теряет свою неравновесную конформацию, форму, понижая во время своей работы степень своей работоспособности, нативности или неравновесного своего состояния.
На восстановление этого неравновесного состояния или работоспособности белковой молекулы усиленно расходуются запасы АТФ, пищи и возникает потребность в их восполнении. Внешняя работа мышцы – это необходимое условие для работы функциональных систем, восстанавливающих ее.
Наиболее правдоподобными индикаторами возникающей потребности, внутренней причиной возникновения мотивации, могут быть изменения состава отходов, выводимых из клетки и из целого организма, изменение запасов буферных систем, поддерживающих постоянство щелочной среды рН. Эти показатели служат пусковым стимулом и связующим звеном между отдельной клеткой и целым организмом, активатором специфической деятельности подсистем клетки и организма.
ПОСТУЛАТ ВТОРОЙ
Единство механизмов, обеспечивающих процессы «пластичности» и «компенсации», основываются на существовании универсальной общебиологической закономерности, изменяющейся естественным образом и принудительно ЛАБИЛЬНОСТИ.
Ритмирующая природа возбудимых систем – это закономерное проявление их жизнедеятельности. В основе ритмики лежит противоречие между внешней и внутренней работой живой системы, открытое нашим соотечественником Э.С. Бауэром [2. Во время сокращения невозможно восстановление структуры миофибрилл, т. е. расслабление, а когда идет процесс восстановления (внутренняя работа по Бауэру), белок не производит никакой работы (не развивает напряжение и не укорачивается). Для сохранения возбудимости и работоспособности в течение продолжительного времени нужен непрерывный приток пищи и работа систем восстановления, либо нужен еще легко и оперативно доступный запас энергии в виде ее универсального эквивалента АТФ.
Падение лабильности может быть хорошим индикатором степени истощения запасов и ограниченности работы систем восстановления по сравнению ис интенсивностью внешней работы, вызываемой внешним раздражителем.
Понижение лабильности, снижение частоты, проявляющееся при гиперполяризационной адаптации, свидетельствует об увеличении интенсивности обменных восстановительных процессов, о росте запасов АТФ и питательных веществ в клетках. Оба механизма изменения лабильности организмом используются как механизмы «внезапной мобилизуемости» при образовании функциональных систем путем «усвоения ритмов» по Ухтомскому (вариант биорезонанса) и синхронизации ритмирующих образований (нейронов, синапсов, двигательных единиц) и является физиологической нормы.
Этот вопрос более подробно обсуждался и обосновывался в других наших более ранних работах (Цыганков, 1969, 1970 ).
ПОСТУЛАТ ТРЕТИЙ
Универсальным функциональным элементом нервной системы или материальным субстратом функциональной системы организма является не только клетка-нейрон, окруженная мембраной или жестко анатомически очерченный и локализованный в пространстве орган, но и подвижное, часто не имеющее постоянных морфологических и мембранных границ, функционально определенное по «полезному эффекту» надклеточное и внутриклеточное ритмирующее образование – ЛАБИТРОН.
Ране (Цыганков [1970]) было показано, что собственный полезный результат клетки – это поддержание работоспособного «устойчивого неравновесного состояния» или устойчивого динамического метаболического равновесия образующих клетку белковых структур. Абсолютные величины степени неравновесности структур, которые стремятся поддержать системы восстановления определяется активностью оперонов хромосомного набора ядра.
Всякое нарушение обменного процесса под кратковременным воздействием раздражителя приводит к формированию одиночного цикла «покой - деятельность», который К.В. Судаков назвал «системоквантом». Известно, что одиночный цикл, как правило, не является рабочим режимом, а может служить лишь целям изменения функционального состояния. Об его изменении наглядно свидетельствует кривая «функционального парабиоза» Н.Е. Введенского.
Рабочим режимом является ритмическая активность. Непрерывная ритмика менее выгодна энергетически, поэтому считается прерывная ритмика, режим пачек импульсов оптимальным и естественно необходимым режимом функционирования большинства физиологических приборов или систем.
На всех этажах биологической организации организма можно обнаружить ритмирующие образования: вибрирующие ферменты, медиаторные системы синапсов, мышечные волокна, последовательность спайков нейронов, органы (сердце, легкие, …), и даже мозг в целом с его α–ритмом.
Эти ритмогенераторы имеют некоторый, каждый свой предельный ритм, который характеризует их функциональное состояние. В основе собственной ритмики каждого образования лежат молекулярные механизмы – конформационные обратимые, если не произошла денатурация белка, процессы или превращения.
Используя термин Н.Е. Введенского лабильность, такой активный биологический ритмогенератор нами был назван лабитроном [4. Потребность в новом термине продиктована необходимостью отличать биологический функционально перестраиваемый самим организмом от обычного физического и технического осциллятора.
Лабитрон имеет ряд чисто биологических отличающихся признаков и особенностей.
Он может находиться в различных функциональных состояниях, которые и определяют его роль и место в данной функциональной, лабитронной системе в данный момент.
Наиболее важные состояния лабитрона:
1. Спонтанная ритмическая активность или динамическое метаболическое равновесие.
2. Ждущий режим, т.е. накопленная энергия, высокий порог возбуждения, гиперполяризационное торможение.
3. Режим трансформации ритма с кратным понижением частоты или разрежение ритма при истощении запасов и полное прекращение пульсации.
4. Режим усвоения ритма с повышением частоты при мобилизации обменных метаболических процессов или с понижением собственной частоты, так называемый биорезонанс.
5. Прерывистая генерация пачек импульсов.
6. Режим длительного, так называемого оптимального, наиболее экономичного воспроизведения собственного ритма.
Другими словами, лабитрон может находиться в любой фазе общебиологической парабиотической реакции, открытой Н.Е. Введенским. В отличие от физического осциллятора, лабитрон имеет непрерывно меняющийся по биологическим законам спектр, собственную ритмику, даже при неизменных внешних условиях. Это первое из условий быть системе живой, по определению Э.С. Бауэра [2]. Изменение лабильности может осуществляться принудительно со стороны сенсорных входов, со стороны гуморальных систем, а также механическим воздействием через рецепторы растяжения. Лабильность может изменяться самопроизвольно.
Видимо, все системы организма, компоненты клеток представляют собой множество различных лабитронов, объединенных в различные функциональные системы, образуемые по механизму биорезонанса путем усвоения ритма или по принципу доминанты А.А, Ухтомского. Лабитрон и есть материальный субстрат функциональной системы.
Особый интерес представляет попытка создания электронной модели (рис) лабитрона, предпринятая И.Н. Довгим [3]. Эта работа позволяет получить предварительный ответ на вопросы: Что будет представлять собой элементная база бионических устройств и систем? Верна ли выбранная теоретическая база как фундамент для моделирования и создания лабильных приборов? Первые эксперименты с моделью показали, что мы имеем функционально новый элемент сложной системы, принцип работы которого совсем не похож на алгоритмы работы известных формальных нейронов и нейронных сеней. От ближе к реальным биологически прототипам. Тем более, в отличие от жестко детерминированных принципов программного моделирования работы мозга и его элементов на ПК и суперЭВМ. Радиоэлектронная модель лабитрона дает реальную возможность для конструирования систем управления и координации в сложных динамических системах с нежесткой локализацией функций.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Сформулированные постулаты рассматриваются как основа механизмов целостности или системности в работе мозга. Необходимы экспериментальные работы по проверке этих постулатов.
2. Концепция лабитрона и лабитронных функциональных систем открывает новый аспект технического моделирования механизмов работы мозга и открывает путь для создания новых биоподобных систем.
3. Разработка и экспериментальная проверка радиоэлектронной модели лабитрона является реальным подтверждением правильности исходных теоретических положений и высоких технических возможностей такого типа моделей, по сравнению их с существующими моделями формальных нейронов.
4. В настоящее время* уже имеются многочисленные материалы, обосновывающие и подтверждающие правильность сформулированных постулатов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анохин П.К. Принципиальные вопросы общей теории систем. АН СССР М. 1971.
2. Бауэр Э.С. Теоретическая биология. М. ВИЭМ. 1935.
3. Довгий И.Н. Модель лабильного элемента – лабитрона. Пенза, ПНИИММ. 1972.
4. Цыганков В.Д. Некоторые замечания к общей теории мозга. М. Наука. 1973.
