17 ноября, 00:00

О роли биологического компонента в биотехнических системах для оценки запаховых раздражителей в окружающей среде

Шеповальников Александр Николаевич,
доктор медицинских наук, профессор,
главный научный сотрудник ИЭФБ РАН
Shepovalnikov@mail.ru

Цицерошин Михаил Николаевич,
доктор биологических наук, профессор, заведующий
лабораторией № 1 ИЭФБ РАН


Попечителев Евгений Порфирьевич,
доктор технических наук, профессор кафедры
биотехнических систем СПбГЭТУ («ЛЭТЙ»)

 

Аннотация

  В статье рассмотрена возможность практического использования биотехнической системы (БТС), построенной на базе бионической методологии для диагностики и дифференцирования определенных запахов. Приводятся также сведения о результатах ранее выполненных нами наблюдений по идентификации агрессии у человека посредством моделирования этого состояния в гипнозе. Намечена стратегия поиска решения задачи дистантного выявления «заданных запахов» (включая «феромоны агрессии»), на основе использования гибридной БТС, в которой сочетаются преимущества анализаторных функций живых организмов и программно-аппаратного комплекса.

Annotation

   Possibility of practical use of biotechnology system (BTS), constructed on basis of bionic methodology, for detection and differentiation of certain odors is considered in the article. Results of previously performed observations on identification of aggression in humans by modeling this state in hypnosis is presented. The strategy for finding a solution to the problem of distant detection «set smells» (including «aggression pheromones») is outlined. It is done through the use of hybrid BTS, which combines the advantages of analyzing functions of living being from one side, and a universal hardware-software complex on the other side.

Введение

   Очевидно, будет правомерным признать, что теоретическая и инженерная бионика как наука, нацеленная на создание оригинальных технических систем и технологических процессов на основе идей, заимствованных у природы, прошла периоды, как неоправданного оптимизма, так и чрезмерного разочарования. Однако сегодня появились предпосылки для оживления интереса к этому перспективному направлению технических разработок. Сдержанное отношение к возможностям создания надежных гибридных бионических систем было связано, главным образом, с двумя факторами. Во-первых, с отсутствием достаточно универсальных материалов, обеспечивающих долговременную связь между тканями живого организма и техническими устройствами, а во-вторых, с удручающей неполнотой наших знаний, характеризующих закономерности организации процессов жизнедеятельности, особенно в отношении функций центральной нервной системы.

   В последнее время наметился прогресс, позволяющий оценивать возможности развития бионики более оптимистично. Это связано с появлением синтетических материалов, более «дружественных» по отношению к живым тканям. Будет справедливым, с другой стороны, отметить, что широкое использование принципиально новых средств и методов изучения функций головного мозга (ПЭТ, фМРТ, МЭГ, Оптическая топография) обеспечили условия для быстрого расширения и углубления наших знаний о принципах организации работы центральной нервной системы. Наконец, следует отметить важную роль крупных достижений в разработке всё более совершенных программно-аппаратных средств.

   Тем не менее, нам представляется не вполне оправданным считать создания универсальных гибридных биотехнических систем (БТС) для использования в интересах безопасности государства легко решаемой задачей сегодняшнего дня. Слишком много «белых пятен» на этом пути.... Термин БТС был введен в 1975 г. проф. В.М.Ахутиным и был определен им как класс систем, представляющих «совокупность биологических и технических элементов, объединенных в единую функциональную систему целенаправленного поведения».

О возможностях БТС, включающих управляемую биологическую составляющую

   Преимущества БТС по сравнению с чисто техническими или биологическими системами определяются «возможностью сочетания положительных качеств этих систем, при взаимной компенсации их недостатков». Биологический объект, в частности человек или животное, при реализации определенных функций, например сенсорных, нередко имеет существенные преимущества перед техническими системами, что не позволяет исключить его из БТС, без утраты принципиально важных качеств. Однако и технические системы за счет скорости, точности, качества выполнения многочисленных операций и возможности быстрого обучения сложным стереотипам и поиску оптимальных решений по заданным параметрам превосходят живые системы, не исключая человека-оператора.

   Поиск оптимального сочетания положительных качеств живого организма (или какой-то его конкретной функции) с достоинствами технической системы при взаимной компенсации их недостатков корректируется особенностями поставленной задачи и условиями, при которых она должна выполняться. Некоторые важные особенности оптимизации такого подхода - сочетания «живого с неживым» успешно исследуются одним из учеников и соратников В.М.Ахутина - проф. Е.П Попечителевым, который развивает в своих работах концепцию «биотехтоники», нацеленной на поиск рациональных путей взаимной адаптации, с учетом развития технологических потенциалов и совершенствования наших знаний о закономерностях жизнедеятельности живых организмов.

Рис.1 - Информационные взаимодействия в структуре биотехнической системы [1].
Условные обозначения: ЧО - человек-оператор; ОУ - объект управления; БИП - блок измерительных преобразователей; УВ - оконечные технические устройства; КИВ - канал информационного взаимодействия; ТСОС - технические средства оценки состояния; PC - рабочая среда; ТСВ - технические средства воздействия; УОИ - устройства отображения информации; ПУ - пульт управления; ТСУС - технические средства управления средой; ТСОИ - технические средства обработки информации.

 

   Рассмотрим схему БТС, предложенную Е. Лопечителевым [1], с точки зрения возможного её применения для решения конкретной задачи - дистантной диагностики и дифференцирования определенных запахов. На этой схеме (Рис. 1) биологический объект (например, охотничья собака или крыса) является начальным звеном, воспринимающим сигнал и в то же время - объектом управления (ОУ). Запаховый раздражитель квазидистантно или дистантно, с током воздуха, поступающим из рабочей среды (PC), улавливается высокочувствительными обонятельными рецепторами этих животных и передаются в кору соответствующих сенсорных отделов головного мозга. Как известно, при передаче любого сенсорного сигнала от рецептора до коры проходит поэтапное преобразование сигналов - временное и пространственное.

   На каком этапе передачи информации, кодирования или детектирования сигналов целесообразно производить их регистрацию и анализ - зависит от поставленной задачи. Весьма возможно, что окажется оправданным (особенно на начальных этапах исследования) некоторая избыточность информации. Посредством блока измерительных преобразований (БИП) электрические сигналы от нервных структур должны преобразовываться, анализироваться (посредством ТСОС и ТСОИ), а затем поступать в банк данных. Устройство отображения информации (УОИ) позволяет оператору (ЧО) контролировать динамику этих процессов, а посредством ТСУС и технических средств воздействия (ТСВ) вносить коррективы в проведение эксперимента по ходу наблюдения, Например, в условиях исследования действия запаховых раздражителей - усиливать или ослаблять перепад давления воздуха между зоной, окружающей объект наблюдения и камерой, где находятся животные, обладающие хорошим обонянием. Иногда целесообразно воздействовать на ОУ для усиления мотивации животного при правильном выполнении задачи (например, счет автоматического поступления подкрепляющего сигнала в «центрах удовольствия», расположенных в гипоталамусе). Понятно, что по мере проведения конкретных наблюдений отдельные блоки БТС могут дополняться, исключаться или видоизменяться.

   Пример планирования БТС, включающей бионическую составляющую, при исследовании диагностических возможностей обонятельного анализатора и некоторые результаты проведенных наблюдений. Оперативное дистантное определение определенных запахов, в частности, взрывчатых веществ (гексогена, пластида С4, динамита и тротила), наркотиков или выявление обонятельных признаков скрытой агрессии человека (по запаху пота) относится к числу весьма актуальных задач. Известно, что возможности обонятельного анализатора ряда животных, например крысы или собаки [2,3], намного превосходят возможности этой сенсорной системы человека. Разносторонние технические возможности радикального улучшения функции зрительного, слухового и кожного анализаторов человека хорошо известны, в то время как многочисленные попытки создания «электронного носа», хотя и принесли существенные успехи, однако пока в соревновании разработанных технических средств для улучшения обоняния они существенно проигрывают животным. Например, на расстоянии 5-6 метров крысы и собаки надежно дифференцируют заданные запахи, а технические средства диагностики плохо справляются с этой задачей и часто ошибаются, зато при работе с живыми помощниками возникают специфические проблемы. Возникает вопрос: нельзя ли объединить достоинства «живых индикаторов запахов» и «электронного носа» на базе высококачественной БТС? Такой подход нам представляется вполне корректным и достаточно универсальным. Рассмотрим примерную схему подобной экспериментальной установки и принципы её работы в применении к квазидистантной (т.е. на расстоянии порядка 50 см) диагностики «феромонов агрессии» (рис. 2).

Рис.2 - Гибридная система для анализа обонятельных раздражителей (пояснения в тексте).

   В полуоткрытом пространстве, имитирующим привычную «рамку» для контроля пассажиров на вокзале или в аэропорту, короткое время находится испытуемый. Примерно на высоте его головы находится решетка, за ней камеры, в которых обеспечивается постоянный перепад давления, чтобы поддерживался ток воздуха. В камерах находятся собака, крыса, а также техническое устройство - «электронный нос». От животных по телеметрическим каналам непрерывно передаются сигналы в БИП. Потребуется по меньшей мере четыре канала связи для каждого животного, поскольку обонятельная система достаточно сложна, и как показали недавние исследования на разных уровнях передачи сигналов от запаховых раздражителей могут быть выявлены важные информативные признаки [4,5]. Следовательно, потребуется отводить сигналы от обонятельной луковицы, от обонятельного тракта, от глубоких структур мозга (в частности, от ядер миндалевидного комплекса) и от височной коры.

   Очевидно, на начальных этапах исследования будет целесообразным использовать избыточное количество отведений от каждой из отмеченных четырех структур, поскольку роль пространственных характеристик на различных этапах передачи импульсов, которые способствуют опознанию и тонкой дифференцировке обонятельных сигналов, физиологами изучена ещё недостаточно. По мере накопления информации возможно уменьшение числа отведений биопотенциалов от животных, но не исключено, что число каналов связи с биообъектом потребуется увеличить. Техника стереотаксиса (для прицельного введения погружных электродов) для собак и крыс хорошо отработана. Кроме того, возможно потребуется использование механизма положительного подкрепления животного для стимуляции точности диагностики. Это целесообразно делать посредством стимуляции у подопытной крысы или собаки «центров удовольствия» (это также достаточно хорошо отработанный нейрофизиологами методический прием). Гибкие возможности БТС, корректируемые оператором, позволят быстро модифицировать условия наблюдения по мере накопления информации. Возможно также, что «животные-эксперты» помогут усовершенствовать «электронный нос».

   При проведении наблюдений, нацеленных на выявление потенциального агрессора, возникает принципиальная трудность: как верифицировать личность, нацеленную на противоправные действия, например, человека, который намеревается совершить террористический акт? Физиологи, исследующие особенности деятельности головного мозга при различных эмоциональных состояниях, обычно привлекают для имитации этих состояний (в частности, страха, ужаса) профессиональных артистов. Такой подход имеет свои преимущества, однако в условиях, когда человек - потенциальный агрессор должен скрывать свои намерения (а террорист обязательно постарается быть незаметным!) возникают дополнительные серьезные трудности. Тем не менее, полностью замаскировать экстремальное эмоциональное состояние вряд ли удастся, поскольку кроме поведенческих реакций неизбежны малозаметные, но трудно блокируемые вегетативные реакции, в частности усиленное потоотделение, которое обычно сопровождается выделением еще мало изученных «феромонов страха и агрессии». Однако, каким образом можно обеспечить в эксперименте эквивалент такого состояния? Возможно, для этого окажется полезным наш опыт моделирования состояния скрытой агрессии в глубоком гипнозе.

   Такие наблюдения были нами предприняты в лаборатории № 1 ИЭФБ РАН (в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы). При проведении совместно с ООО «Элсис» научно-исследовательской работы по теме «Создание системы дистанционного бесконтактного сканирования и идентификации психофизиологического состояния человека» возникла необходимость верифицировать результаты наблюдений при различных состояниях испытуемых, в частности, при состояний тревоги и агрессии. Используя приоритетную в мире и запатентованную нами методику анализа структуры поля биопотенциалов мозга, мы смогли выявить информативные признаки состояния агрессии у загипнотизированных добровольцев, которым внушалось, что они должны незаметно подойти к группе врагов и кинуть гранату (Рис. 3) Особенности методики и детали проведенных наблюдений изложены в нашей монографии [6].

   При внушении испытуемому в стадии глубокого гипноза чувства агрессии наблюдалась (при полном отсутствии каких-либо видимых моторных реакций!) существенная и высоко статистически значи¬мая (р=0.001) реорганизация структуры пространственно-временных отношений колебаний биопотенциалов коры головного мозга. Такая реорганизация проявлялась в резком уменьшении уровня попарной корреляции ЭЭГ между нижнелобными (F7-F8), височными, а также центральными (СЗ-С4) отделами мозга обоих полушарий, главным образом в пределах каждого из полушарий. Снижение уровня этих корреляционных связей ЭЭГ в состоянии «агрессии» по сравнению с фоном (состояние покоя в глубоком гипнозе!) достигало -0.22. Важно, что в этом внушенном состоянии определенные области мозга, в особенности передние отделы правого полушария и заднелобные отделы обоих полушарий демонстрировали значительное (до +0.27) увеличение корреляционных связей ЭЭГ как в пределах одноименного полушария, так и в меньшей степени с дистантно отдаленными зонами коры контрлатерального полушария.

   Можно предполагать, что зарегистрированные изменения в организации системной деятельности мозга при внушении агрессии были обусловлены не только особым состоянием корковых полей, но и отражением высокой активности ядер миндалевидного комплекса, расположенных в глубине височных долей и принимающего самое активное участие в организации эмоциональных реакций [7,8 ]. Примечательно, что изменение установки при моделировании состояния испытуемых в сомнамбулической стадии гипноза, например, внушение помимо агрессии, состояния страха или тревоги приводило к иному виду специфической реорганизации системной деятельности мозга, причем нередко более реактивным оказывалось правое полушарие мозга (см. [6]).

   Выявленная нами реорганизация системной деятельности мозга при имитации в гипнозе определенных эмоциональных состояний подтверждает эффективность ранее проведенных исследований по моделированию различных состояний [9,10] и показывает эффективность подобного методического подхода при исследовании определенных эмоциональных состояний человека.

  

Рис.З - Изменение пространственной структуры региональных взаимосвязей колебаний биопотенциалов мозга при моделирования в гипнозе состояния агрессии.
Испытуемый Ст-в, 22 года [6] Условные обозначения: красные линии - увеличение уровня корреляционных связей ЭЭГ; синие - их снижение. Цифры и толщина линий обозначают различие уровня корреляции между состоянием покоя в глубокой стадии гипноза и внушенным состоянием скрытой агрессии.



   Полезно было бы также учесть мнение специалистов, обсуждавших на организованном ФПИ в Москве семинаре 24 декабря 2013 г. «Научно-методические основы и способы дистанционного анализа пси-хофизиологического состояния и поведения человека», что, несмотря на многообразие предложенных средств и методов для оценки эмоционального состояния человека по различным моторным и вегетативным показателям, наиболее достоверные результаты удается получить, только на основе данных, зарегистрированных при изучении состояния головного мозга.

   Поскольку дистантная регистрация непосредственной деятельности мозга на современном этапе развития нейрофизиологии пока недоступна, приемлемой альтернативой могло бы быть сочетание комплекса уже разработанных и апробированных методов оценки состояния человека на расстоянии по упомянутым выше эффекторным проявлениям с одномоментным анализом тех процессов, которые параллельно развиваются в корковых и глубоких структурах мозга испытуемого при моделировании определенного внушенного состояния в глубоком гипнозе.

   Таким образом, возможно определение качества тех или иных способов дистантного анализа особых психофизиологических состояний, а также целесообразности их сочетания, что позволит существенно минимизировать количество ошибок. Подобное исследование было бы целесообразным сочетать с лабораторным наблюдением эффекта воздействия на «потенциального агрессора» различных субсенсорных раздражителей (например, ультра и инфразвуковых), поскольку дополнительная функциональная нагрузка способствует выявлению замаскированных реакций. Это - реальная задача сегодняшнего дня, а целенаправленное применение моделирования заданных состояний испытуемых в гипнозе может вплотную приблизить результаты лабораторных исследований к решению проблем, связанных с предотвращением агрессивных актов.

Выводы

1. Применение БТС, включающей достоинства биологического компонента (способного улавливать из воздуха слабые обонятельные сигналы), повышает вероятность успешного решения задачи дистантного выявления потенциального агрессора, в роли которого целесообразно использовать гипнабельного испытуемого с формулой внушения, соответствующей поставленным задачам.

2. Сочетание многопараметрического исследования корковых процессов с одновременной оценкой активности глубоких структур мозга при одновременной комплексной регистрации эффекторных проявлений эмоциональных реакций человека - наиболее перспективный путь для разработки эффективных методических подходов для дистантного выявления потенциальных агрессоров.

Литература

1. Попечителев Е.П. Проблемы синтеза биотехнических систем// Медтехника. № 2 (278). 2013. С. 1-13.
2. Карпов В.К. Исследование обонятельной ориентации у служебных собак. Автореферат дисс. на соискание ученой степени канд. ветеринарных наук. Л. 1981. Ленинградский ветеринарный институт.
3. Rajan R., Clement J.R, Bhall U.S. Rats smell in sterio// Science. 2006. 311. Pp. 666-670.
4. Touhara K., Vasshall L.B. Sensing Odorants and Pheromones with Chemisensor Receptors. Ann.Rev. Physiol. 2009. 71. Pp. 307-332.
5. Yeshurun Y., Sobel N. An Odor is Not Warth a Thousand Words: From Multimensional Odors to Unidimonsional Odor Objects// Ann. Rev. Physiol. 2010. 61. Pp. 219-241.
6. Цицерошин M.H., Шеповальников A.H. Становление интегративной функции мозга. (Отв. редактор акад. Н.П. Бехтерева). СПб.: Наука. 2009. 249 с. ( см. Пат. на изобретение № 2177716 С 2. 2000 г.).
7. Симонов П.В. Избранные труды. Т. 1. Мозг, эмоции, потреб-ности, поведение. 2004. М. 437 с.
8. LikhtikE., Stujenske J.M., TopiwalaM. et al. Prefrontal entrainment of amygdala activity signals safety in learned fear and innate anxiety// Nat. Neurosci. 2014.17 (1). Pp. 106-113.
9. Гримак Л.П. Моделирование состояний человека в гипнозе (Отв.редактор К.К.Платонов) 2 изд. 2009. М. Либриком. 272 с.
10. Burnand G. A right hemisphere safety backup at work: Hypotheses for deep hypnosis, post-traumatic stress disordes ana dissociation identity disorder//Medical Hypotheses. 2013. 81. Pp. 383-388.