Учёные с кафедры динамического моделирования и биомедицинской инженерии с помощью математического моделирования проанализировали связь процессов переключения между сном и бодрствованием с динамикой секреции кортизола. Мы поговорили с Анатолием Сергеевичем Караваевым о ведущих проектах научной группы его кафедры.
— Расскажите об исследованиях когнитивных процессов и о методах диагностики ментальной усталости, над которыми работает ваша кафедра.
Сейчас мы реализуем несколько интересных проектов с исследованием когнитивных процессов. Один из них связан с диагностикой уровня стресса и ментальной усталости. Обычно стресс ассоциируется с негативными факторами, но психологи выделяют так называемый эустресс, полезный стресс, и дистресс, негативное состояние, при длительном нахождении в котором могут, в том числе, развиваться заболевания.
Когда человек начинает заниматься ментальной деятельностью, например, это студент на учебных занятиях, требуется время для «врабатывания»: в этот период эффективность его работы ниже. Затем человек переходит в состояние полезного эустресса, в котором производительность максимальна. Когда же человек устаёт, он переключается в состояние дистресса, где его эффективность снижается.
Задача проекта в том, чтобы по биологическим сигналам, регистрируемым неинвазивно, определить момент, когда человек входит в состояние эустресса и дистресса. Это позволит улучшать процесс обучения и повышать эффективность работников умственных и особо ответственных профессий, операторов сложных машинных механизмов. Работаем мы с коллегами с факультета психологии: они нас консультируют, помогают нам с экспериментальными исследованиями и формулировкой выводов. Надеемся, что по результатам проекта удастся создать не только теоретические методы, но аппаратно-программные устройства – носимый гаджет будет подсказывать, в каком состоянии находится человек.
— Ментальная усталость также зависит от качества сна. Какую работу ваша научная группа ведёт в этом направлении?
Методами радиофизики, статистики и нейросетевых подходов можно количественно оценивать степень взаимодействия между системами регуляции сердечно-сосудистой системы, дыхательной и некоторых других. Эти же методы эффективны для диагностики иных когнитивных состояний, в частности, разных стадий сна. Это ещё один наш проект.
Выделяют быстрый сон и несколько стадий глубокого. Если в сравнении с нормой стадии следуют в неверном порядке или их длительность существенно отклоняется, это свидетельствует о нарушениях сна и, может, даже о патологиях других органов и систем. Предложенные нами методы позволяют достаточно эффективно производить это стадирование.
Проблема заключается в том, что диагностика стадий сна решается в области науки сомнологии и экспериментальные исследования требуют, чтобы человек спал в стационарных условиях в специально оборудованном помещении. Регистрируются несколько десятков различных сигналов: электроэнцефалограммы, кардиограмма и ряд других, и такие исследования должен проводить квалифицированный специалист. Сомнологических комплексов не так много, как и специалистов в этой области, а проблема со сном в последние годы очень существенной. Мы же предлагаем решение, которое позволит диагностировать стадии сна с помощью компактного устройства в привычных человеку условиях. Это поможет скрининг-диагностике: если будут выявлены отклонения, тогда уже человек пройдёт стационарное исследование.
— Основным инструментом вашей работы выступает математическое моделирование. Каким образом используется этот подход в биомедицинской инженерии?
Бывают модели, которые пытаются воспроизвести форму сигналов, в частности биологических. Но наши успехи в этой области связаны с созданием моделей «из первых принципов» – когда уравнения пишутся исходя из структуры исследуемого объекта. В нашем случае это модели дыхательной и сердечно-сосудистой системы – учитывается известная из физиологических исследований информация о связи элементов этих систем. В моделях участвуют коэффициенты, которые физиологи получают в прямых экспериментах. Часть коэффициентов неизвестна, но нам удалось определить некоторые из них, сопоставив свойства сигналов наших моделей с экспериментальными данными.
Функции, связанные с сознанием, – самый сложный для исследования объект. С ними трудно работать, потому что, в отличие от технических систем, нельзя измерить сигналы в любой точке организма. В этих условиях математические модели – один из немногих инструментов для изучения, как взаимодействуют различные системы.
Кроме того, они позволяют решать вопросы, которые в экспериментах воссоздать затруднительно, например, спрогнозировать реакцию организма на препарат и воздействия внешних условий, на физическую нагрузку, на развитие патологий. Здесь у нас тоже есть успехи. Несколько лет назад выпустили в престижном журнале работу, где моделировали чередование стадий сна: учли влияние процессов высшей нервной деятельности на сердечно-сосудистую систему. Это позволило объяснить ранее неизвестные факты об особенностях человеческого организма.
Текст: Вероника Кухта
Фото: Дмитрий Ковшов, Арслан Эрендженов
По материалам печатного журнала «СГУщёнка», выпуск №43, 2025 г.