Biofizica inimii este o direcție științifică la intersecția dintre cardiologie și astfel de secțiuni ale biofizicii precum biofizica sistemelor complexe, biofizica medicală, bioenergetica , bioelectricitatea, biofizica metabolismului, studiază aspectele fizice ale activității cardiace la toate nivelurile organizării sale, de la molecule și celule la sistemul cardiovascular, în general, și, de asemenea, studiază efectul diferiților factori fizici asupra sistemului cardiovascular.
Termenii „ fizică cardiovasculară” și „ fizică cardiovasculară ” pot fi, de asemenea, utilizați ca termeni echivalenti .
Printre domeniile sale practice se numără următoarele:
Ca urmare a interacțiunii strânse dintre fizicieni și cardiologi, a apărut aritmologia [b 1] - o știință biomedicală interdisciplinară a ritmului cardiac , folosind abordări biofizice atunci când se analizează activitatea inimii în condiții normale și patologice.
Studiul științific al activității cardiace este de obicei urmărit din activitatea medicului, anatomistului și fiziologului italian Luigi Galvani , care în 1791 a publicat A Treatise on the Forces of Electricity in Muscular Movement. Această descoperire a dat impuls dezvoltării electrofiziologiei . Odată cu dezvoltarea microscopiei , perfecţionarea tehnicii de înregistrare a fenomenelor electrice ale obiectelor vii a devenit esenţa unei noi ştiinţe - fiziologie .
Lucrările fiziologului olandez Willem Einthoven , care a reușit să construiască un galvanometru cu coarde , și a prietenului său rus Alexander Samoilov au pus bazele electrocardiografiei [aprox. 1] , care, de fapt, de-a lungul întregului secol al XX-lea, a rămas principala metodă de studiu a muncii inimii atât în practica medicală, cât și în cercetarea științifică.
Conceptul fiziologic de descriere a obiectelor vii a dominat complet până în anii 1980.
În legătură cu discutarea neajunsurilor abordării mecaniciste a sistemelor complexe (care sunt obiecte biologice), este util să amintim lucrarea [b 2] publicată în 1987 de A.K. Grenadier . Acesta descrie în detaliu modul în care funcționează diferitele canale ionice ale celulelor miocardice, ce agenți farmacologici pot influența conductanța anumitor canale ionice și la ce consecințe va duce aceasta în ceea ce privește reglarea funcționării miocardului. Ca urmare a acestei lucrări și a unor lucrări similare, în practica medicală au fost introduse noi grupuri de medicamente antiaritmice. Cu toate acestea, atunci când s-au efectuat studii multicentrice în cadrul medicinei bazate pe dovezi, zece ani mai târziu, s-a dovedit că mortalitatea la persoanele care au primit orice antiartimice a fost mai mare decât în grupul de control care nu a primit tratament antiaritmic. [b 1] [b 3]
Până în prezent, farmacoterapia rămâne principala metodă de tratare a pacienților cu aritmii periculoase, dar succesul este de fapt obținut la nu mai mult de 60% dintre toți pacienții care utilizează medicamente antiaritmice de toate clasele și combinațiile lor [a 1] [a 2] - cu alte cuvinte , cu o probabilitate de aproximativ 50 până la 50. S.P. Golitsyn caracterizează starea actuală a farmacoterapiei aritmiilor cardiace care pun viața în pericol în următoarele cuvinte:
eventual oricare dintre medicamentele antiaritmice cunoscute poate: a) asigura un efect antiaritmic; b) să nu-l furnizeze; c) prezintă efect aritmogen. Și toate acestea sunt individual imprevizibile. Prin urmare, pentru pacienții cu aritmii ventriculare maligne, alegerea terapiei nu numai eficiente, ci și sigure necesită teste farmacologice.S.P. Golitsyn, 2000 [a 1]
Procese autowave în inimăPentru prima dată, oamenii au început să vorbească despre autowave după publicarea în 1946 a unui articol de Norbert Wiener și Arthur Rosenbluth , devenit de mult un clasic [a 3] [b 4] ; și era vorba doar despre inimă, sau mai degrabă despre miocard .
Pe măsură ce cunoștințele noastre despre biologie se adâncesc, vom descoperi că distincția dintre biologie și electronică va deveni din ce în ce mai neclară.F. Dyson . Rupând pacea universului
Asemenea cuvinte în 1984. ales ca epigraf pentru cartea lor [b 5] V.I. Krinsky și A.S. Mihailov . Epigraful nu a fost ales întâmplător: la urma urmei, chiar și atunci a devenit clar că proprietățile materiei vii cunoscute încă de la sfârșitul secolului al XIX-lea (de exemplu, excitabilitatea) se supun acelorași legi ale naturii (și sunt descrise prin ecuații matematice similare). ), care sunt valabile și pentru dispozitivele utilizate în industria electronică creată la acea vreme. De exemplu, sub conducerea A.A. Andronov , o echipă de oameni de știință sovietici ( M.I. Feigin și alții) a studiat proprietățile unui declanșator , un element necesar pentru memoria electronică de orice tip. Asemănarea găsită între viu, creat de evoluția biologică, și neviu, creat de mâinile omului, a fost într-adevăr izbitoare.
La 7 februarie 1970, un articol de A.M. Zhabotinsky și A.N. Zaikin , dedicat fenomenelor autounde într-o soluție chimică (care acum a rămas în istorie ca reacția Belousov-Zhabotinsky ).
Puțin mai devreme, în 1968, V.I. Krinsky a emis ipoteza [b 6] că procesele autounde similare cu cele observate în natura neînsuflețită (într-o soluție chimică) pot fi, de asemenea, responsabile pentru aritmii cardiace. Această presupunere i-a apărut lui V.I. Krinsky ca urmare a comparării aceluiași articol al lui Norbert Wiener și Arthur Rosenbluth din 1946 și rezultatele lui A.N. Zaikina , A.M. Zhabotinsky , A.M. Taranenko (care atunci era student absolvent) și alți angajați ai centrului științific de cercetare biologică fiind creați în acele vremuri în orașul Pușchino de lângă Moscova. La mijlocul anilor 1980, V.I. Krinsky a publicat două lucrări care sintetizează rezultatele cercetării [b 5] [b 7] ; deja în acei ani, toate ideile principale au fost exprimate în ele, care apoi au inspirat cercetătorii autowave în inimile lor în următorii 20 de ani, până la sfârșitul secolului al XX-lea și în primii ani ai secolului al XXI-lea.
Astfel, la Pușchino s-a format în acei ani un grup de oameni de știință: I. R. Efimov , V. V. Biktașev , O. A. Mornev , A. V. Panfilov , R. R. Aliev și alții, care au constituit, de fapt, școala științifică sovietică a undelor auto, școala științifică a lui V.I. Krinsky , și acești oameni au fost cei care au determinat în mare măsură cursul cercetării asupra proceselor autounde în inima științei mondiale, menținând contacte strânse unul cu celălalt chiar și după emigrarea din URSS care s-a despărțit în 1991 în părți .
Dintre rezultatele care nu par inspirate de V.I.Krinsky , dar par a fi idei științifice independente, poate doar două merită atenție:
1) elaborate de o echipă de oameni de știință condusă de I.R. Teoria lui Efimov a electrodului virtual [a 4] [a 5] [a 6] și
2) dezvoltată de M.E. Teoria sincronizării oscilatorilor a lui Mazurov [ a 7] [a 8] , — care a zguduit semnificativ sistemul original de axiome creat de școala lui V. I. Krinsky pentru undele auto.
Unul dintre principalele rezultate ale lui M. E. Mazurov este dovada faptului că, în sistemul de stimulatoare cardiace autowave, frecvența lor totală de oscilație nu este deloc predeterminată de elementul de cea mai înaltă frecvență, așa cum susține școala Krinsky, ci este stabilită conform unei mai multe model complex, bine descris matematic.
M. A. Tsyganov este, de asemenea, un puternic cercetător independent Pushchino al undelor auto .
Printre cercetătorii străini, un rol uriaș îi revine lui Denis Noble și echipei sale, atât în dezvoltarea modelelor autowave ale diferitelor tipuri de miocard, cât și în dezvoltarea conceptului de biofizică a inimii.
În paralel cu munca „autowavers”, studiul activității cardiace a mers în alte direcții.
Generator electric de inimăConcomitent cu studiul fenomenelor autounde din miocard, ei au încercat să descrie procesele electrice din inimă din punctul de vedere al electrodinamicii clasice pentru a stabili dacă aceleași legi ale naturii câmpului electromagnetic rămân valabile pentru organismele vii, care au fost revelat pentru materia neînsuflețită.
Dintre lucrările timpurii pe această temă, cităm ca exemplu cartea lui V. E. Belousov, publicată în 1969 [b 8] .
R.Z. Amirov a publicat o carte [b 9] dedicată măsurării câmpului electric de pe suprafața pieptului uman.
O lucrare amplă și interesantă a fost realizată în laboratorul O.V. Bauma [a 9] [a 10] .
Lucrarea clasică în acest domeniu este lucrarea lui P. Kneppo și L. I. Titomir [b 10] , ale căror eforturi au formulat conceptul de generator electric echivalent al inimii și, de asemenea, au dezvoltat abordări teoretice pentru o soluție practic acceptabilă a problemei inverse a inimii. electrodinamica în electrocardiologie .
O echipă de oameni de știință condusă de L.I. Titomir, cu ajutorul modelelor matematice ale generatorului electric al inimii, au fost create metode fundamental noi de „DEKARTO” și „MULTEKARTO” pentru prezentarea semnificativă și figurativă a datelor pentru evaluarea stării electrofiziologice a inimii cu referire precisă la ea. structura anatomică (această metodă a fost folosită pentru a analiza datele privind activitatea electrică a inimii la astronauți de pe stația spațială „Lumea”). Complexul DECARTO este utilizat cu succes în Departamentul de Noi Metode de Diagnostic al Complexului de Cercetare și Producție Cardiologie Rusă al Ministerului Sănătății al Federației Ruse, Departamentul de Diagnostic al Institutului de Fiziologie Normală și Patologică al Academiei Slovace de Științe și în alte instituții medicale.
O mare contribuție la rezolvarea problemei inverse a electrodinamicii în electrocardiologie și dezvoltarea imagisticii medicale a avut-o și omul de știință american Yoram Rudy [aprox. 2] , sub conducerea căreia o echipă de oameni de știință a creat o metodologie [a 11] similară cu sistemul rusesc DECARTO.
Aplicarea abordării ciberneticeExperții în domeniul ciberneticii medicale și biologice căutau și o descriere științifică optimă a activității cardiace.
Printre reprezentanții acestui „gen științific”, poate cel mai faimos este PM Baevsky , care este unul dintre fondatorii cardiologiei spațiale - o nouă secțiune științifică și aplicată a medicinei spațiale. Premierul Baevsky a fost implicat direct în pregătirea și sprijinul medical al primelor zboruri spațiale ale animalelor și oamenilor. El este implicat activ în implementarea realizărilor medicinei spațiale în practica medicală. În anii 60, el a propus o metodă de analiză a variabilității ritmului cardiac pentru a studia reglarea autonomă a circulației sângelui în timpul zborului în spațiu. În anii următori, această metodă a devenit utilizată pe scară largă în diverse domenii ale practicii clinice și fiziologiei aplicate. În prezent, metoda sa de analiză a variabilității ritmului cardiac [b 11] este în general recunoscută și una dintre cele mai populare în diverse domenii ale medicinei clinice și fiziologiei aplicate.
O dezvoltare destul de interesantă – atât teoretică cât și practică – a metodelor propuse anterior de PM Baevsky poate fi găsită în lucrarea de disertație „ Cronocardiografie diferențială ” [aprox. 3] [aprox. 4] , scris de un alt reprezentant al ciberneticii interne - V.F. Fedorov.
O altă dezvoltare „cibernetică” de succes în cardiologie poate fi numită proiectul Cardiovisor , realizat sub conducerea lui G.V. Ryabykina și A.S. Sula ca aplicare practică a teoriei recunoașterii modelelor [b 12] .
Haos dinamic în inimăUn număr semnificativ de cercetători, în urma lui PM Baevsky , și-au dezvoltat propriile abordări în ceea ce privește analiza cardiogramelor obținute într-un fel sau altul (electrocardiograme, pulsograme, ritmograme etc.). Treptat, printre toate aceste abordări, s-au format metode de analiză a seriilor temporale bazate pe teoria haosului dinamic și și-au ocupat nișa complet unică .
Există deja un număr mare de lucrări pe această temă în lume, de exemplu, lucrările școlii științifice sovietice, realizate de L.V. Mezentseva [b 13] [a 12] împreună cu alți angajați la NII NF im. P. K. Anokhin RAMS.
Conjugarea mecanoelectrică în inimăDatele experimentale moderne indică existența unui feedback între funcția contractilă a inimii și procesul de excitare a acesteia, influența semnificativă a condițiilor mecanice de contracție a mușchiului inimii asupra procesului de excitare a acestuia. Spre deosebire de natura bine studiată a conjugării excitației cu contracția, mecanismele molecular-celulare ale feedback-ului mecanoelectric și rolul său fiziologic și patofiziologic nu sunt încă pe deplin înțelese.
Cercetătorii filialei Ural a Academiei Ruse de Științe V.S. Markhasin și personalul laboratorului său ( L.B. Katsnelson , O.E. Solovieva , T.B. Sulman , P.V. Konovalov ) consideră că conexiunea mecanoelectrică este semnificativă din punct de vedere fiziologic pentru reglarea funcției normale a miocardului: oferă modificări coordonate ale potențialului de acțiune și ale cineticii calciului intracelular. în funcţie de condiţiile mecanice şi reprezintă un factor suplimentar în adaptarea muşchiului cardiac la modificările condiţiilor mecanice externe de contracţie [a 13] .
S-a dovedit ca:
eterogenitatea miocardică, împreună cu secvența „corectă” a activării sale (de la elementele mai lente la cele mai rapide) este un atribut necesar al unui sistem miocardic normal, oferind o activitate locală coordonată a elementelor și optimizând funcția globală a sistemului în ansamblu.V.S. Markhasin și colab., 2006 [a 13]
Astfel, s-a constatat că aritmiile cardiace pot fi asociate nu numai cu o încălcare a activității electrice a inimii, ci și cu o încălcare a funcției sale contractile și că cea mai importantă cauză a aritmiilor este o încălcare a interacțiunii sincrone dintre procese electrice și mecanice la nivelul miocardului. Aritmia inimii nu este doar o încălcare a activității sale electrice, ci este o încălcare a activității sale în ansamblu . Dacă perturbările activității electrice sunt compensate cu succes de proprietățile mecanice ale sistemului multicelular al miocardului, atunci inima continuă să îndeplinească eficient funcția de pompare. În schimb, chiar și cu o secvență „normală” de propagare a excitației electrice în inimă, pot apărea tulburări grave ale funcției de pompare a inimii.
De la începutul secolului al XXI-lea, o nouă înțelegere științifică a biologiei în general, și în special a modului în care funcționează inima, a început treptat să prindă contur.
Un rol major în aceasta îi revine lui Denis Noble , ale cărui lucrări [a 14] [a 15] [a 16] [a 17] au contribuit în mare măsură la formarea unei noi gândiri biologice - gândire integrativă, gândire sinergică.
Lucrările [b 14] [a 13] privind studiul cuplării mecanoelectrice în cardiomiocite, realizate în comun de echipe de oameni de știință din Rusia și Marea Britanie, atât în experimente fiziologice, cât și în cele de calcul, au reprezentat, de asemenea, o piatră de hotar importantă în dezvoltarea biofizicii inimii. Unul dintre co-directorii acestor studii este un student al lui Denis Noble - Peter Kohl , care la un moment dat a primit cu succes specialitatea „Cibernetică medicală”, absolvind Facultatea de Medicină și Biologie a Ordinului 2 din Moscova al Medicilor de Stat Lenin. Institutul .
Un rol major în dezvoltarea biofizicii inimii îi revine lui Niels Wessel . În special, el și-a exprimat înțelegerea nevoilor cardiologiei moderne în următoarele cuvinte:
Complexitatea gravă a reglării cardiovasculare, cu diversitatea interacțiunilor sale hormonale, genetice și externe, necesită o analiză multivariată bazată pe o combinație de diferiți parametri liniari și neliniari. (…) Sistemele de control biologic conțin multe bucle de feedback, rezultatul interacțiunii dintre care este dinamic. (…) Având în vedere aceste caracteristici, care ar trebui mai degrabă atribuite teoriei sistemelor, dezvoltarea metodelor neliniare, precum și a metodelor bazate pe cunoștințe ar trebui să conducă la rezultate de diagnostic îmbunătățite la stratificarea riscurilor. (…) Un alt obiectiv, prin urmare, este de a face un pas calitativ nou: combinarea analizei datelor și modelării.
Text original (engleză)[ arataascunde] Complexitatea mare a reglării cardiovasculare, cu multiplicitatea sa de interacțiuni hormonale, genetice și externe, necesită o abordare multivariată bazată pe o combinație de diferiți parametri liniari și neliniari. (...) Sistemele de control biologic au mai multe bucle de feedback, iar dinamica rezultă din interacțiunea dintre ele. (…) Având în vedere aceste caracteristici mai degrabă teoretice de sistem, dezvoltarea unor metode neliniare și, de asemenea, bazate pe cunoștințe ar trebui să conducă la o îmbunătățire diagnostică în stratificarea riscului. (…) Un alt scop, prin urmare, este de a parcurge un nou pas din punct de vedere calitativ: combinația dintre analiza datelor și modelareaWessel și colab., 2007 [a 18]
Niels Wessel a folosit în 2009 cuvintele „fizică cardiovasculară” în numele oficial al echipei sale de cercetare - Grupul de dinamică neliniară și fizică cardiovasculară al Universității Humboldt din Berlin .
Un alt dintre fondatorii biofizicii inimii poate fi considerat Alexander Yurievich Loskutov [b 15] [b 1] [b 16] [a 19] [a 20] [b 17] .
Se pot distinge următoarele direcții principale ale dezvoltării moderne a biofizicii inimii: