Пользовательский поиск

Информационная характеристика сложности и организации морфологических систем

Информационная характеристика связана с определением сложности системы. В настоящее время большинство исследо­вателей склоняются к мнению, согласно которому сложность любой системы можно характеризовать ее разнообразием, т. е. числом состояний, которое может принимать система в опре­деленных условиях.

Продолжение ниже

Медицинская морфометрия

... «ко­личественная морфология» — раздел морфологии, использую­щий математический анализ изменений формы изучаемых объ­ектов на базе системной морфометрии и стереометрии. Мор­фометрия — часть метрологии (науки об измерениях)—уче­ние о правилах применения количественных характеристик ...

Читать дальше...

всё на эту тему


В процессе морфогенеза в каждый объект благодаря фило- и онтогенезу закладывается определенное число структурных элементов, обеспечивающих надежность функции в норме, воз­можности ее адаптации и работы в условиях патологии. Следо­вательно, сложность любой морфологической системы можно охарактеризовать ее разнообразием, т. е. числом состояний, ко­торое она может принимать в определенных условиях, что по­зволяет оценить количество заложенной в ней морфологической информации [Автандилов Г. Г., 1975, 1978, 1980].

Введем некоторые основные понятия из теории информации, связанные с теорией вероятностей, изучающей закономерности большого числа случайных событий, которые могут быть досто­верными, невозможными и случайными (вероятностными). До­стоверные события — это события, которые обязательно должны произойти, невозможные, — которые заведомо не должны про­изойти, вероятностные, — которые могут произойти или не про­изойти.

Количественно случайное событие оценивается величиной его вероятности Р, определяемой отношением числа исходов т, при которых событие осуществлялось, к общему числу исхо­дов п.

Изложенное выше позволяет перейти к краткому рассмот­рению основ теории информации.

В числе различных понятий термина «информация» в био­логии применяют обозначения единичной (сообщение, осведом­ление, сигнал) и групповой (снятие неопределенности или уменьшение энтропии и отражение разнообразия) информации. Информация — основное свойство материи, выражающееся в связи разнообразия с отражением, что обусловливает воз­можности проявления материи в любой форме и любых усло­виях. В биологии и медицине любое групповое явление имеет разнообразие, воздействие на которое проявляется соответст­вующими ее изменениями [Плохинский Н. А., 1980]. В литера­туре введено понятие «информационная морфологическая ха­рактеристика», отражающее изменение упорядоченности морфо­логии биологического объекта в условиях патологии [Автан­дилов Г. Г., 1975, 1977, 1980; Автандилов Г. Г., Черный В. Н., 1979, и др.]. Известно, что превращение энергии сопровождает­ся необратимыми качественными изменениями, возрастание эн­тропии равносильно переходу упорядоченного маловероятного состояния в более вероятное — хаотическое. Величина энтропии пропорциональна двоичному логарифму состояния морфологи­ческой системы и, как было показано ранее, может быть выра­жена формулой во снятой информации. Значения энтропии долей приводятся в табл. X Приложения [Автандилов Г. Г., 1980; Плохинский Н. А., 1980].

Предметом теории информации в целом является сообщение, представляющее собой материальную форму воплощения ин­формации. Информация — это некая измеримая абстрактная величина, характеризующая систему в целом. Живая клетка, например, как и любой организм, обладает большим числом иерархически взаимосвязанных элементов и механизмов, и по­нятие физиологической системы включает функционально це­лостную организацию ряда морфологических образований. Сле­довательно, разнообразие становится одним из параметров лю­бой системы. Сравнение разных явлений (объектов) природы для установления их соответствия друг другу может произво­диться и с помощью положений теории информации.

В этом аспекте становится ясным, что в морфологических исследованиях и патологии большую роль играют вероятност­ные информационные оценки совокупности морфологических изменений, структурной упорядоченности, определения избыточ­ности морфологической информации [Автандилов Г. Г., 1976, 1978; Невзоров В. П. и др., 1979]. В результате эволюции каж­дая морфофункциональная система формирует адаптационные резервы, обеспечивающие ее работу в условиях нормы. Утрата этих резервов приводит к дизадаптации и к новым качествен­ным состояниям и процессам, определяющим морфогенез и па­тологическую анатомию общепатологических изменений и нозо­логических единиц [Автандилов Г. Г., 1973, 1977, 1980].

Информационный анализ позволяет показать определенны­ми обобщенными индексами оптимальное состояние морфоло­гической системы и ее сдвиги в различных условиях патоло­гии, а также выявить скрытые и избыточные резервы структур, которые частично используются или уже заложены в них для увеличения надежности функционирования, расширения адап­тационных возможностей органа, клетки, ультраструктур, мак­ромолекул.

Анализ изменения морфометрических характеристик с уче­том теории информации позволяет получить интегральные кри­терии состояния биологической системы в норме и при патоло­гии [Бандарин В. А., 1974; Леонтюк А. С. и др., 1974; Автанди­лов Г. Г., 1975, 1977; Невзоров В. П., 1979; Плохинский Н. А., 1980, и др.].

В теории информации количество изучаемых элементов, символов кода (основание кода) обычно обозначают буквой т, а совокупность используемых элементов, число возможных по­зиций (разрядность) — буквой п. Основание кода и разряд­ность полностью определяют все комбинации элементов в мор­фологической системе, которые могут возникнуть в различных условиях. Таким образом, если изучается динамика морфоло­гических перестроек, то в зависимости от числа учтенных при­знаков и вариантов их соотношение будет меняться. Информа­ционная емкость системы обозначается буквой Q.

Если емкость оценивается по двоичным логарифмам, то ко­личество информации выражают в двоичных единицах (битах). Для получения вероятностного распределения отдельных морфологических элементов частоту появления или изменения каждого морфологического признака в структуре экстенсивных (например, процентных) показателей принимают за его веро­ятность (Pi), которая умножается на соответствующий ей дво­ичный логарифм, взятый со знаком минус (—Pilog2P() (188).

Эта функция позволяет учитывать вероятностное распреде­ление отдельных элементов в сложной системе (см. табл. X Приложения).

Обозначив эти элементы множества через Pi, получаем мно­жество.

Набор элементов Р, должен в этом случае описывать состоя­ние отдельных морфологических элементов. Все они в целом должны быть взаимосвязаны и взаимозависимы. Отсюда сле­дует, что общее состояние данной биологической системы может характеризоваться информационной (структурной) энтропией вычисляемой по формуле Шеннона.

Под элементами этого множества Р, следует понимать мор­фометрические показатели. Необходимо отметить, что их набор должен быть по возможности полным, чтобы наиболее адекват­но отражать систему в целом.

Свойства энтропии в сущности являются мерой неопределен­ности, упорядоченности ситуации. Всякое упорядочение, увели­чение степени организованности и определенности любой систе­мы уменьшает энтропию. В связи с этим энтропия, с одной стороны, представляет собой меру количества информации, а с другой — ее можно рассматривать как меру неопределенности ситуации и морфологической организации.

Определение энтропий для разных систем и ситуаций позво­ляет сравнить их с упорядоченностью и определенностью. По­скольку информационная энтропия есть мера неопределенно­сти, всякое ее возрастание свидетельствует о дезорганизации механизмов регуляции структурно-функциональной целостно­сти, что дает возможность оценивать уровень организации био­логического объекта в целом и его патологию.

Величина энтропии системы зависит от числа составляющих элементов. В связи с этим одна величина энтропии не может полностью характеризовать систему. Для оценки ее величины как степени неопределенности необходимо использовать поня­тие максимальной энтропии.

Величина максимальной энтропии показывает, как может возрастать энтропия системы из определенного числа элемен­тов. При достижении энтропией Я максимальной величины Нmax (или Нт) биологическая система перестает функциониро­вать как система, все ее элементы теряют функциональную взаимосвязанность, взаимообусловленность и превращаются в ничем не связанный набор элементов. Равенство Я = Ятах означает полный распад системы, прекращение ее существова­ния или переход в другие состояния. Известно, что самооргани­зация связана с процессами, направленными на поддержание упорядоченности. Неблагоприятные воздействия приводят к на­рушению упорядоченности структурной организации и ее функции. Мера этой структурной неупорядоченности может быть выражена с помощью величины структурной энтропии.

Мера неупорядоченности и организации морфологических систем в условиях нормы и различной патологии позволяет проводить сравнения и судить о динамике процесса. Если от­нести текущую энтропию к максимальной для данной системы, то можно получить показатель относительной энтропии:

Этот показатель демонстрирует относительную «загружен­ность» системы информацией по сравнению с ее максимальной емкостью. Параметр весьма интересен для количественной оценки адаптационных и компенсаторных возможностей системы, для определения пороговых и предельных параметров, а также запредельных состояний системы (патологии), так как исчер­панность резерва структурной упорядоченности приводит к ее переходу на новые уровни функционирования и структурной организации или к гибели [Автандилов Г. Г., 1975, 1980; Невзо­ров В. П., 1979]. Так, выражая относительную энтропию в про­центах, можно определять, в каких пределах система может еще наращивать энтропию, что позволяет прогнозировать по­тенциальные возможности биологических объектов, например клеток, и очертить границы, в которых еще возможно продол­жение отрицательных воздействий. Затем изменения в клетке, например дистрофические, становятся необратимыми, и она переходит в фазу паранекроза и некроза, т. е. перестает сущест­вовать как функциональная единица.

Изучая развитие патологического состояния, по значениям относительной энтропии можно ориентировочно оценить развитие процесса во времени. Например, если получена относитель­ная энтропия клетки, равная /і = 0,6, или h = 60%, то относи­тельная «загруженность» системы информацией составляет 60% максимально возможной и система может наращивать энтро­пию только в пределах 40%. Чем тяжелее патологическое со­стояние клетки, тем больше относительная энтропия.

Следующей весьма полезной информационной характеристи­кой патологических процессов является так называемый коэф­фициент относительной организации системы (или коэффици­ент избыточности), определяемый как параметр показывает долю информации, которая не вно­сит нового по сравнению с оптимальной, но обеспечивает ее на­дежность, препятствует помехам и является структурным запа­сом, т. е. мерой надежности биологической системы, в том чис­ле и морфологической. Снижение коэффициента избыточности, например, для клетки свидетельствует о дезориентации органелл, о неадекватном реагировании и нарушении саморегули­рующих и самоуправляющих механизмов клетки в ответ на патологические условия функционирования. Следовательно, низ­кий коэффициент избыточности указывает на опасность инфор­мационной «поломки» или срыва компенсаторных резервов биологической системы.

Таким образом, уменьшение коэффициента избыточности в информационных системах, возникающее при развитии пато­логического процесса, следует трактовать как неблагоприятный признак. Если коэффициент избыточности становится очень низким или почти полностью исчезает, то можно говорить о кризисных состояниях клетки. В острых ситуациях уменьше­ние избыточности, по-видимому, может рассматриваться как мобилизация резервов. Одновременно с этим сохранение избы­точности на достаточно высоком уровне при интенсивном воз­действии на систему может быть объяснено включением адап­тационных механизмов, которые компенсируют нарушенный гомеостаз клетки.

Весьма перспективным в оценке построения клетки как си­стемы может быть параметр, отражающий разность показате­лей энтропий для нормы и патологии, т. е. величина ненадеж­ности эквивокации функционирования системы. Эта величи­на связана с показателем энтропии.

Для получения информационной характеристики любой мор­фологической системы, в том числе и клетки, необходимо рас­полагать следующими морфометрическими данными:

  1. число учитываемых основных элементов (т);
  2. вероятностью их по­явления (Pi) в различных фазах изучаемого процесса.

На ос­новании этих данных рассчитывают информационные показа­тели: энтропию (структурную) системы — меру неупорядочен­ности (Я); максимальную структурную энтропию (Ятах); ко­эффициент избыточности (/?); показатель эквивокации е = = Я„—Я„ (196); относительную энтропию (h).

Информационная характеристика патологии пока не нашла широкого применения в морфологии, хотя этот подход весьма перспективен, выгодно отличается от традиционной описатель­ной морфологии своей объективностью и позволяет установить степень связи с любыми параметрами, характеризующими функцию клетки и ткани.

Морфологу очень важно определить силу влияния изучае­мого фактора (например, оценка лечения по данным исследо­вания биоптатов и др.). Решение этой задачи достигается путем определения разности показателей энтропии до (50) и после лечения (Зв), другими словами, оценка снятой энтропии опре­деляется как разность двух значений: Э0Эв. Если отнести эту разность к общей энтропии, то получают информационный показатель влияния (ИПВ) изучаемого фактора.

Разработка теоретических основ математической морфоло­гии связана с созданием морфолого-математических моделей. Для этого необходим перевод морфологических задач с «язы­ка» морфологии на «язык» математики [Марчук Г. И., 1980]. Каждая морфолого-математическая модель должна отра­зить условия задач (ограничения) для имеющихся параметров, затем определить цель (критерий) оптимального ее решения и установить значения входящих в модель переменных величин с определенным знаком.

В результате морфометрического анализа получают ряд за­висимых и независимых переменных. Статистический анализ устанавливает, какие из них существенны для изучаемого про­цесса, а математическое описание позволяет отобрать наибо­лее важные переменные, которые объединяются в определен­ную систему — математическую модель. Оптимизация модели призвана выявить наилучшее взаимодействие переменных, обес­печивающих динамическую устойчивость морфологической си­стемы. Аксиоматизация представляет собой заключительный этап исследования, превращая математически доказанную ги­потезу в закономерность, закон.

Отметим, что степень достижения поставленной цели опре­деляют при помощи числового, а не описательного критерия, что возможно только при использовании морфометрических ме­тодов исследования. Наилучшее соответствие условий состоя­нию морфологической системы (организма, органа, ткани, клет­ки и т. д.) достигается тогда, когда критерий оптимальности примет максимальное значение, а в случае оценки распростра­ненности и глубины, повреждения — минимальное значение.

В математической форме задача определения оптимального морфологического состояния органа, ткани и т. д. формируется в общем виде следующим образом: имеется комплекс морфо­метрических характеристик, полученных во время исследова­ния, которые могут принимать различные значения в заданных пределах. Требуется найти такие значения величин, которые в конечном итоге оптимизируют критерии состояния морфоло­гической системы. На этом основании можно судить о преде­лах нормы компенсации и патологии морфологической системы.




© Авторы и рецензенты: редакционный коллектив оздоровительного портала "На здоровье!". Все права защищены.


 
Текст сообщения*
Защита от автоматических сообщений
Загрузить изображение
 

nazdor.ru
На здоровье!
Беременность | Лечение | Энциклопедия | Статьи | Врачи и клиники | Сообщество


О проектеКарта сайта β На здоровье! © 2008—2015
nazdor.ru, nazdor.com
Контакты Наш устав

Рекомендации и мнения, опубликованные на сайте, являются справочными или популярными и предоставляются широкому кругу читателей для обсуждения. Указанная информация не заменяет квалифицированную медицинскую помощь, основанную на истории болезни и результатах диагностики. Обязательно проконсультируйтесь с врачом.

Размещенные на сайте информационные материалы, включая статьи, могут содержать информацию, предназначенную для пользователей старше 18 лет согласно Федеральному закону №436-ФЗ от 29.12.2010 года "О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию".