Проводить экспериментальные исследования на людях — очень сложно. Это связано как с риском причинить испытуемому вред, так и с этическими и техническими затруднениями. Препятствует экспериментам и сложность биологических систем. Особенно это проявляется в исследованиях, посвященных изучению того, как вегетативная нервная система управляет сердечно-сосудистой. В этом процессе участвуют два контура управления — симпатический и парасимпатический. Первый из них вызывает ускорение работы сердца, а второй способствует восстановлению затраченной энергии и балансирует симпатический контур. Однако экспериментальными методами ученые не могут их разделить и оценить их вклад, поэтому исследования часто дополняются математическими моделями. Это значительно облегчает понимание механизмов контроля сердечно-сосудистой системы. С их помощью врачи могут выявлять особенности работы вегетативных контуров управления, что может способствовать, например, развитию персонализированной медицины.
Существует ряд моделей сердечно-сосудистой системы, но они не учитывают самовозбуждающуюся природу ее вегетативного контроля. Этого достаточно для моделирования, но остаются возможности для дальнейшего развития методики.
Ученые из Национального медицинского исследовательского центра сердечно-сосудистой хирургии имени А. Н. Бакулева совместно с коллегами из Института радиотехники и электроники РАН (Саратовский филиал) разработали новую математическую модель, как вегетативная нервная система управляет сердечно-сосудистой. Она учитывает симпатический и парасимпатический самовозбуждающиеся контуры нервной системы, которые контролируют частоту сердечных сокращений и тонус периферических сосудов, доставляющих кровь к частям тела. За счет этого контуры управляют током крови в организме. Их ритм зависит от активности расположенных в аорте, сонной артерии и нижней части тела барорецепторов, которые воспринимают изменения кровяного давления. Компьютерное моделирование позволяет обеспечить непрерывное наблюдение за работой сердечно-сосудистой системы и ее показателями, например, концентрацией норадреналина в стенках сосудов и сердечной мышце, периферическим сосудистым сопротивлением и артериальным давлением. Благодаря этому ученые смогут лучше понимать, как действует сердечно-сосудистая система.
Авторы исследования испытали свою модель, сравнив ее результаты с результатами эксперимента. Для этого они использовали тест, при котором испытуемые переходили из положения лежа в положение сидя. Ученые фиксировали электрокардиограмму и фотоплетизмограмму (кровяной поток с помощью света) среднего пальца правой руки и мочки уха, а также дыхание у 50 здоровых испытуемых в возрасте от 20 до 40 лет. На основе этих данных исследователи измеряли артериальное давление у пациентов. В результате эти модели сошлись с усредненными показателями эксперимента.
«Предложенная модель лучше воспроизводит экспериментальные данные по сравнению с другими известными моделями аналогичной сложности для состояния покоя, а также при моделировании поведения системы во время тестов с наклоном тела»,— прокомментировал Владимир Шварц, доктор медицинских наук, доцент кафедры сердечно-сосудистой хирургии, аритмологии и клинической электрофизиологии НМИЦ ССХ имени А. Н. Бакулева.
