1.4.3. Биометрия

С помощью электродов, размещенных на поверхности головы или введенных в вещество мозга, можно зафиксировать электрическую активность мозга, обусловленную разрядами его клеток. Запись электрической активности мозга с помощью электродов на поверхности головы называется электроэнцефалограммой (ЭЭГ). Она не позволяет записать разряд отдельного нейрона. Только в результате синхронизированной активности тысяч или миллионов нейронов появляются заметные колебания (волны) на записываемой кривой. При постоянной регистрации на ЭЭГ выявляются циклические изменения, отражающие общий уровень активности индивида. В состоянии активного бодрствования ЭЭГ фиксирует низкоамплитудные неритмичные бета-волны. В состоянии расслабленного бодрствования с закрытыми глазами преобладают альфа-волны частотой 7–12 циклов в секунду. О наступлении сна свидетельствует появление высокоамплитудных медленных волн (дельта-волн). В периоды сна со сновидениями на ЭЭГ вновь появляются бета-волны, и на основании ЭЭГ может создаться ложное впечатление, что человек бодрствует (отсюда термин “парадоксальный сон”). Сновидения часто сопровождаются быстрыми движениями глаз (при закрытых веках). Поэтому сон со сновидениями называют также сном с быстрыми движениями глаз. ЭЭГ позволяет диагностировать некоторые заболевания мозга, в частности эпилепсию.

Если регистрировать электрическую активность мозга во время действия определенного стимула (зрительного, слухового или тактильного), то можно выявить так называемые вызванные потенциалы — синхронные разряды определенной группы нейронов, возникающие в ответ на специфический внешний стимул. Исследование вызванных потенциалов позволило уточнить локализацию мозговых функций, в частности связать функцию речи с определенными зонами височной и лобной долей. Это исследование помогает также оценить состояние сенсорных систем у больных с нарушением чувствительности.

К числу важных нейромедиаторов мозга относятся ацетилхолин, норадреналин, серотонин, дофамин, глутамат, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), эндорфины и энкефалины. Помимо этих хорошо известных веществ в мозге, вероятно, функционирует большое количество других, пока не изученных. Некоторые нейромедиаторы действуют только в определенных областях мозга. Так, эндорфины и энкефалины обнаружены лишь в путях, проводящих болевые импульсы. Другие медиаторы, такие, как глутамат или ГАМК, более широко распространены.

Действие нейромедиаторов. Как уже отмечалось, нейромедиаторы, воздействуя на постсинаптическую мембрану, изменяют ее проводимость для ионов. Часто это происходит через активацию в постсинаптическом нейроне системы второго “посредника”, например циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Действие нейромедиаторов может видоизменяться под влиянием другого класса нейрохимических веществ — пептидных нейромодуляторов. Высвобождаемые пресинаптической мембраной одновременно с медиатором, они обладают способностью усиливать или иным образом изменять эффект медиаторов на постсинаптическую мембрану.

Большое значение имеет недавно открытая эндорфин-энкефалиновая система. Энкефалины и эндорфины — небольшие пептиды, которые тормозят проведение болевых импульсов, связываясь с рецепторами в ЦНС, в том числе в высших зонах коры. Это семейство нейромедиаторов подавляет субъективное восприятие боли.

Электрохимия и электрические процессы, протекающие в живом организме, тесно связаны с информационными вопросами понимания так называемого “энергетического состояния”. Изучение энергетических процессов в живом организме строится на известных законах преобразования энергии из одного вида в другой. Можно сказать, что источники энергии определяют принцип существования живых организмов в Природе. В современном представлении все живые организмы можно представить в виде двух групп в зависимости от того, в какой химической форме они получают углерод из окружающей среды.

Автотрофы (от греческого авто — само, трофа — пища) представляют собой группу самостоятельно питающихся организмов, которые могут использовать в качестве единственного источника углерода — оксид углерода СО_{2 .} К автотрофам относят растения фотосинтезирующие и хемосинтезирующие бактерии.

Гетеротрофы (от греческого гетерос — другой, трофа — пища) представляют собой группу организмов, которые получают углерод в виде готовых достаточно сложных органических соединений, например углеводов. К этой категории относятся животные и большое количество микроорганизмов.

Здесь важно отметить, что для энергетических процессов важным компонентом является использование определенных биохимических соединений в качестве либо донора, либо акцептора электронов. Из нашего практического опыта мы знаем, что многие организмы могут существовать как в аэробных, так и анаэробных условиях. В аэробных условиях они используют в качестве акцепторов кислород, который поступает в организм за счет дыхания. В анаэробных же условиях акцепторами электронов являются органические вещества, на основе которых работает механизм “брожения”. Этот механизм создания запасов энергии — преобразования энергии — не очень эффективен, но его реализация в Природе имеет очень длинную историю. И это действительно так, потому, что весь кислород, находящийся в атмосфере Земли, образовался в процессе фотосинтеза, другими словами, за счет деятельности анаэробной энергетики.

По современной терминологии высокоэнергетическими соединениями называются АТФ и вещества, способные образовывать АТФ в ферментативных реакциях переноса групп без участия окислительных процессов. Такие соединения содержат в своей молекуле связи, при гидролизе которых высвобождается большое количество свободной энергии. Реакция протекает при различных условиях, оказывающих влияние на величину изменения свободной энергии. Поэтому в биохимии используют термин — изменение стандартной свободной энергии —  G⁰ . Этим термином обозначают такое изменение свободной энергии при стандартных условиях: давлении в 1 атм.; исходной концентрации субстратов — 1 М; температуре — 25  C; pH = 7,0. Значение  G⁰ применяют для количественной характеристики как метаболических процессов, так и некоторых химических реакций. Такая интерпретация  G⁰ помогает соединить биохимические и термодинамические представления о механизме преобразования и расходования энергии в живом организме. Как и в термодинамике, здесь знаком “минус” обозначается отдача энергии, а знаком “плюс” ее приобретение. Если текущее значение  G⁰ для некоторой реакции имеет отрицательное значение, то принято считать, что такая реакция может происходить самопроизвольно с выделением свободной энергии. Такие реакции носят название экзергонических. Напротив, если текущее значение  G⁰ для некоторой реакции имеет положительное значение, то такая реакция происходит с поглощением энергии. Такие реакции носят название эндергонических. В качестве посредника между процессами, связанными с генерированием и использованием энергии, функционирует система высоко энергетических химических соединений. Величина стандартной свободной энергии гидролиза высокоэнергетических связей превышает 21 кДж/моль.

Высокоэнергетические соединения имеют, как правило, в своем составе высокоэнергетическую фосфатную группу и могут передавать ее другим веществам. Различают пять основных типов высокоэнергетических соединений: рибонклеозид 5’ — дифосфаты и трифосфаты; карбоксилфосфаты; ацилтиоловые эфиры; фосфорамидные соединения; енолфосфаты. Принимая во внимание, что вся энергетика живого организма строится по подобию клеточных энергетических процессов, выделяют аденилатную систему: АТФ и продукты ее гидролиза. Такая система может быть в самой простой образной форме представлена в виде “аккумулятора”, который постоянно заряжается энергией от других генераторов, и одновременно с этим снабжает энергией множество клеточных систем и тканей живого организма. И тут, можно сказать, мы подходим к главному пониманию энергетического процесса. Весь процесс “зарядки аккумулятора” представляется синтезом АТФ:

АДФ + Фи  Е₁  АТФ + Н₂О, (1)

а “разрядка аккумулятора” сопровождается гидролизом АТФ:

АТФ + Н₂О  Е₂  АДФ + Фи, (2)

где Фи можно для простоты рассмотрения представить как продукт гидролиза АТФ, а Е₁ и Е₂ — отождествлять с некоторым набором ферментов, при наличии которых данные реакции могут быть осуществлены.

Рассматривая полученные результаты, отмечаем их компактность представления об основной концепции жизни — наличии диссипативной системы. В такой открытой системе, далекой от равновесия, возникает динамическая упорядоченность. Полагая, что такая система отождествляется с живым организмом, мы ожидаем увидеть когерентное поведение, которое, как мы уже знаем, отвечает условию гомеостазиса. Наряду с этим не будем отклоняться от понимания прямого и обратного процессов, свидетельствующих о необходимости учитывать их неравнозначность, некоторую квазипериодичность и одновременно с этим очень сильную взаимосвязанность. В основе теории биологических систем так, как это мы представляем сегодня, на основах непостоянства, неточного соответствия прямого и обратного процессов рождается живая ткань. И здесь становится очевидным, что критерием возможности возникновения динамической упорядоченности в диссипативной системе может служить уровень отклонения от равновесного состояния.

Как мы отмечали, характеристика сложной биохимической реакции, состоящей из многих этапов, может быть выражена в типовых энергетических величинах, например в джоулях или калориях. Мы можем несколько расширить наши представления о живом организме и по аналогии с предыдущим сказать, что живая система в определенном смысле машина по преобразованию энергии. В такой системе в аналогичных единицах выражается энтропийная характеристика. В свою очередь, энтропия связана с информацией. Не включая всего механизма определений этих понятий, которые в той или иной степени должны быть знакомы читателю, рассмотрим тот аспект проблемы взаимосвязи биологических процессов с термодинамикой, который может быть раскрыт на представлениях об информационном потоке. На этой общей ступени рассмотрим простой пример, который в некоторой степени прояснит направленность наших рассуждений.

Будем исходить из того, что существуют P₀ равновероятных событий, которые могут произойти в некоторой системе. Если на известном интервале времени T происходит Р₁ событий, то информация о поведении системы, исчисляемая в битах, вычисляется так:

I = k ln P₀ / P₁ = k lg P₀ – k lg P₁,

где k — постоянная, зависящая от выбора системы единиц. Целесообразность представления информации через логарифмическую функцию продиктована желанием подчеркнуть свойство аддитивности информационного потока. Применительно ко многим задачам биометрии допустимо полагать значение k = 2,078, а само определение количества информации вести по известной формуле Шеннона:

, (3)

которая может быть охарактеризована как информационная энтропия. С точки зрения эволюционного процесса в системе, нас интересует характер изменения информации, который мы смогли бы наблюдать при смене одного состояния системы на другое. Такой информационный индекс можно определить так:

. (4)

Для задач, отдаленно связанных с биометрией, рекомендуется пользоваться постоянной Больцмана (  Дж/К).

Для пояснения полученного соотношения рассмотрим такую задачу. Положим, имеется некоторая система, которая самостоятельно способна перейти из состояния Р = (Р₁, Р₂, …,Р_n) в состояние Q = (Q₁, Q₂, …, Q_n). Возникает естественный вопрос о том, как будет изменяться информация о системе. Очевидно, что при пошаговом переходе от Р к Q справедливо равенство

.

Информационный индекс, при таком процессе всегда положителен. При Q=P сразу получается  I = 0. Из этого можно сделать вывод о том, что знание о “переходе” системы из Р в состояние Q уменьшает неопределенность и повышает информационную составляющую. Здесь мы приходим к выводу, что информационная энтропия тесно связана с реальной физической энтропией системы. С точки зрения практики это означает, что за полученную в ходе исследования объекта информацию надо платить увеличением энтропии окружающей среды. В таком случае, а это уже сегодня стало одним из биологических постулатов, мы можем утверждать, что сумма информации и энтропии всегда величина постоянная:

I + S = const. (5)

Соотношение этих параметров определяет основные динамические характеристики биологической системы. Знание о том, что это соотношение постоянно меняется, позволяет рассматривать много различных математических моделей описания поведения биологической системы. Одновременно с этим при наличии специальных аппаратных средств измерений появляется возможность зарегистрировать текущие состояния системы, представить их в форме информационных потоков. Регистрация информационных данных о поведении биологической системы, проводимая с помощью технических средств, осуществляется с помощью специальных датчиков.

Из обычных практических наблюдений за некоторыми событиями или явлениями, происходящими в Природе, очень часто получается хорошая концепция понятий и объяснений. Такое положение дел существует в тех областях исследований, где теоретические основы очень тесно переплелись и составили единое поле взаимосвязанных представлений. На основании такого подхода можно показать, что изменение во времени некоторого существенного параметра биологической системы, представленного в форме информационного сообщения регистрирующего датчика, может быть адекватным образом сопоставлено с энергетическим состоянием системы:

W=-klg2/r , (6)

где  r — обобщенный показатель кратности вырождения исследуемой системы. Размерность параметра  W получается в энергетических единицах и характеризует текущее состояние биологической системы.

Таким образом, используя введенные представления о механизмах образования сигнала, об энергетических процессах, протекающих в живом организме и направленных на реализацию закона гомеостазиса, мы пришли к пониманию взаимосвязанности этих многообразных явлений. Так, понятие симметрии и антисимметрии оказалось гораздо более глубоким и нашло свое зеркальное отражение в других не менее важных процессах таких, как “синтез” и “деструкция”, которые представляют собой обобщенный процесс. Понимание механизмов порождения такого процесса может составить основу — ступень, с которой следует приступать к поиску ключа биометрической процедуры, который обязательно должен связывать два нераздельных понятия энтропии и информации.

Начинать, конечно, нужно с энтропии. Это направление хорошо проработано в науке. Для биологии и медицины оно пока остается на уровне простого описания, фиксации уже свершившихся событий. В этих областях знаний еще предстоит научиться строить такие прогнозы, которые хорошо бы согласовывались с наблюдаемыми явлениями. Понятие “энтропийной характеристики” биологического сигнала можно получить, а это сегодня одна из актуальных тем многих научных работ, но вот вопрос о получении универсальной характеристики для разных типов сигналов несколько отодвигает торжества принятия новых постулатов. В биологии, там, где математик или физик заходит на поле проявления особенно ярких свойств Природы, все получается не так гладко, как в обычной физике или химии. Здесь нет возможностей повторить эксперимент в близких, очень близких условиях, и всегда приходится вносить определенные условные допущения. Результат — отсутствие четких законов, постулатов, которые исполняются в широком диапазоне условий эксперимента.

Рассматривая значение энтропии как показатель текущего состояния биологической системы, можно легко подойти к формулировке задачи о биометрии, в терминах которой требуется определить текущее состояние живого организма по данным, выполненным обычными аппаратными методами. Другими словами, мы стремимся провести некоторые натурные измерения на биологической системе с целью узнать ее текущее энергетическое состояние. Полагая, что измерительная процедура дает нам информационную характеристику состояния биологической системы, мы рассчитываем получить энергетическую оценку на основе массива биометрических данных.

Следуя традиционным путем биологической медицинской кибернетики, представим биологическую систему в виде закрытого ящика. Создавая некоторые тестовые воздействия на входе системы, можно убедиться в том, что одна категория возмущений будет приводить к понижению энергетического ресурса, а другая категория воздействий будет увеличивать такой ресурс. Промежуточный случай, когда не будет наблюдаться никаких изменений в системе, теоретически также возможен. Это случай, который может рассматриваться с точки зрения “чувствительности”, развитости внутренней структуры системы, особенностей и продолжительности внутренних информационных циклов.