Математический аппарат теории информации в интегральной оценке капилляров эндомизия передней большеберцовой мышцы при дистракции голени в различных ритмах

В научном творчестве главная задача – раздвинуть рамки принятых аксиом и сформулировать новые, охватывающие задачи, которые в прежних рамках не находили решения [5, 7]. В последнее время в точных и естественных науках произошли существенные изменения, так что современная наука по глубине и красоте не уступает музыке В.А. Моцарта [19].

Изучение живых организмов и жизненных явлений в информационном аспекте представляет собой стремление наук медико-биологического профиля к математизации. Математика используется для того, чтобы слова "похож" или "не похож" обрели количественное выражение. Она используется также для формализации процесса распознавания, последнее удается не всегда, но если удалось, то формулируется алгоритм распознавания [20]. Возможность математизации таких явлений, которые не поддавались этому до создания теории информации, представляет одну из весьма ценных ее сторон. Главнейшая причина, побуждающая ратовать за информационный подход и использование теории информации в области медицины и биологии, заключается в том, что саму информацию необходимо рассматривать как фундаментальное свойство материального мира [4]. Появилась возможность с помощью математических моделей исследовать механизм непредсказуемых (случайных) явлений. Особую роль здесь играет хаос (энтропия), который возникает, длится конечное время и затем исчезает, именно на стадии выхода из хаоса возникает новая информация [8]. В монографии Ю.М. Романовского с соавторами изложены принципы построения и методы качественного исследования математических моделей, описывающих развитие биологических процессов во времени и в пространстве, возникновение структур, распространение волн в активной среде, явление синхронизации; обсуждаются вопросы биологической информации и возникновения жизни, дифференциации тканей и морфогенеза, динамики реакции иммунной системы и ее взаимодействия со злокачественными образованиями, нарушений клеточного цикла и перерождение клетки [13]. Работа E. Schrodinger [24] дала старт активному внедрению методов точных наук в теорию и практику биологических исследований.

XXI век – век интеграции наук, проникновение науки в тайны природы привело ее к внутренней перестройке, главные черты которой сводятся к интеграции научного познания, служащей могу-

МАТЕРИАЛ

Изучали капилляры эндомизия передней большеберцовой мышцы опытной и контралатеральной конечностей 10 взрослых беспородных собак, которым через 5 дней после закрытой флексионной остеоклазии начинали удлинение голени с темпом 1 мм в сутки: в I серии методом круглосуточной автодистракции по 0,017 мм за 60 приемов; во II – по 0,25 мм в течение рабочего дня за 4 приема. Животных выводили из опыта через 28 суток дистракции и 30 суток фиксации. Из средней трети брюшка передней большеберцовой мышцы в области, прилежащей к большеберцовой кости, иссекали фрагмент (4 мм × 3,5 см), ткань фиксировали в смеси 2 % параформальдегида и 2 % глютаральдегида (1:1), постфиксировали в 4 % окиси осмия, обезвоживали и полимеризовали в аралди- чим фактором ее дальнейшего развития в настоящее время. Морфология охватывает весь комплекс наук, связанных с изучением строения живой материи во всех ее формах – от целых органов до клеточных органелл, фибрилл, корпускул и мембран. Стратегия и тактика научных исследований направлены на познание законов развития, строения и функционирования организма человека и животных. Морфология участвует в поиске эффективных способов направленного воздействия на формообразование и дает надежные критерии для оценки полученных результатов, налицо тенденция ее смыкания с математикой и техникой, физикой и химией.

Информационный анализ позволяет получить дополнительную информацию, скрытую при обычных количественных методах исследования морфологических объектов, дает интегральную оценку динамики морфогенетических процессов. Применение математического аппарата теории информации дает возможность сравнить наблюдающиеся изменения при помощи обобщенных критериев, характеризуя уровень организации биологического объекта как целостной системы [3, 9]. Классическим объектом для информационного анализа является периферический нерв как система передачи информации от нейронов головного мозга к органам и обратно, описана методика расчета информационных показателей распределения нервных волокон в периферических нервах [10]. Данный метод используют для сравнения характера ответа зон ацинуса печени на различные патогенные воздействия [11]; для получения объективных критериев изменений различных отделов поджелудочной железы после наложения лигатуры [6].

Цель работы: ультраструктурно-стереологические характеристики капилляров эндомизия с последующим информационным анализом, выявляющим их морфофункциональные и адаптационные возможности.

И МЕТОДЫ те (56 ºС). Материал исследовали методом трансмиссионной электронной микроскопии. Поперечные ультратонкие срезы изготавливали на ультратоме "Nova" фирмы LKВ (Швеция) с последующим контрастированием уранилацетатом и цитратом свинца по Рейнольдцу [15]. Изображения капилляров получали с помощью электронного микроскопа JEM-100B при стандартном увеличении ×11800, с фотопластинок, используя фотоувеличитель "Нева-5" (увеличение ×3,8), получали проекции изображений поперечных срезов капилляров при суммарном увеличении ×44840 на открытую тестовую решетку коротких отрезков с шагом 1 см 1 . Для ультраструктурно-стереологического анализа использовали поперечные срезы капилляров в их безъядерной зоне. Определяли: а) измеряе- мые величины, выявленные в признаках 1-4: Рi – число тестовых точек, попавших на i-структуру, соответствует числу единиц объема, использовали следующие признаки: 1 – число единиц объема просвета капилляра (РП), 2 – число единиц объема эндотелия капилляра (РЭ), 3 – число единиц объема гранулярного эндоплазматического ретикулума (РГЭР), 4 – число единиц объема митохондрий (РМТХ); б) расчетные величины, выявляемые в признаках 5-10: 5 – число единиц объема эндотелия на единицу объема просвета капилляра (РЭ/РП), признаки 6, 7, 8 – доля объема, занимаемая люминальными, базальными и цитоплазматическими микропиноцитозными везикулами, от объема эндотелия (РЛВ/РЭ, РБВ/РЭ, РЦВ/РЭ); 9 – доля объема, занимаемая гранулярным эндоплазматическим ретикулумом, от объема эндотелия (РГЭР/РЭ); 10 – доля объема, занимаемая митохондриями, от объема эндотелия (РМТХ/РЭ). Первичные данные анализировали с использованием методов непараметрической статистически в программе Ms. Excel-2000, достоверность различий определяли на основании критериев Вилкоксона и рандомизации компонент для независимых выборок [12, 14]. С целью получения дополнительных характеристик капилляров был осуществлен информационный анализ. Для определения численных значений информационной энтропии (Н, бит), относительной энтропии (h), избыточности (R, %), организации (О, бит) системы пользовались общепринятыми формулами [2, 4]: Н = -Pi log2 Pi, h = H/Hmaх, R = 1 – H/Hmaх, О = Нmaх – Н, где Нmaх – максимальная энтропия системы, равная log2N (N – число состояний системы).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Проведенные ранее исследования позволили выявить количественные отличия в ультра-структурной организации эндотелия капилляров эндомизия передней большеберцовой мышцы, свидетельствующие об особенностях проявления их адаптации к дозированному удлинению голени в различных ритмах [16, 17, 18]. В условиях круглосуточной автодистракции для капилляров передней большеберцовой мышцы был характерен более тонкий эндотелий с активной транспортной системой микропиноци-тозных везикул в двух исследованных сроках эксперимента. Во II серии необходимый уровень гематотканевого обмена достигался увеличенным периметром люминальной поверхности, повышающим всасывательную способность; усилением интерцеллюлярных связей, свидетельствующем о высокой потребности в адгезии, улучшении проницаемости капилляров и усилении сосудодвигательных реакций. Количественные данные биосинтетического и митохондриального аппаратов указывали на более высокую метаболическую активность и интенсификацию окислительно-восстановительных процессов в условиях дистракции с малой дробностью (табл. 1).

По вышеизложенным данным не удавалось сделать однозначных выводов о характере влияния двух рассмотренных режимов дистракции на морфофункциональное состояние капилляров, выполняющих важную роль при дозированном удлинении. Расчет информационных характеристик позволил сравнить наблюдающиеся особенности капилляров из различных экспериментальных серий при помощи обобщенных критериев и тем самым продемонстрировать несомненное преимущество метода круглосуточной автодистракции.

Через месяц фиксации показатели информационной и относительной энтропии во II серии значительно уменьшались относительно предыдущего срока, но несколько превышали аналогичные значения в I серии. Показатели, отражающие структурный резерв системы, возрастали в 2,4 раза для опытной конечности и в 1,3 раза для контралатеральной по сравнению с предыдущим сроком исследования, но составляли лишь 86 % от значений в I серии (табл. 2).

Таблица 1

Данные ультраструктурно-стереологического анализа капилляров эндомизия передней большеберцовой мышцы при различной дробности дистракции

Таблица 2

Информационные параметры капилляров эндомизия передней большеберцовой мышцы при различной дробности удлинения голени

Обозначения: H max – максимальное разнообразие системы; H – информационная энтропия; h – относительная энтропия (коэффициент сжатия информации); R – коэффициент избыточности; O – абсолютная организация.

По окончании периода дистракции в I серии коэффициент избыточности и показатель абсолютной организации были в 2 раза выше, чем во II серии для опытной конечности и в 1,6 раза – для контралатеральной. При этом показатель структурного разнообразия, меры неупорядоченности системы (информационная энтропия) в условиях автодистракции несколько ниже относительно второй серии.

Через месяц фиксации показатели информационной и относительной энтропии во II серии уменьшались по сравнению с предыдущим сроком, тем не менее, несколько превышая аналогичные значения в I серии. Показатели, отражающие структурный резерв системы (коэффициент избыточности и абсолютная организация), возрастали относительно предыдущего срока опыта в I серии в 1,4 раза для опытной конечности и почти не изменялись для контралатеральной; во II серии значение данных параметров увеличивалось, соответственно, в 2,4 и в 1,3 раза (см. табл. 2).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Главная функция микрососудов – транскапиллярный обмен, осуществляющийся в основном посредством микропиноцитоза – фундаментального клеточного процесса, наиболее развитого в эндотелиальных клетках, где микровезикулы генетически и функционально связаны с клеточной мембраной, отражают ее биологию и функциональное состояние. Известно, что состояние нервно-мышечного аппарата при дистракции определяется темпом и ритмом дистракции [23]. Темп не должен превышать скорости аксотранспорта [21], определяющей интенсивность регенераторных процессов в нервных волокнах, и роста сосудов, поскольку известно, что сосудисто-нервный пучок является наиболее чувствительным к данному воздействию звеном, лимитирующим процесс удлинения [22]. По данным информационных характеристик видно, что к концу периода удлинения в условиях автодистракции первая составляющая сосудисто-нервного пучка испытывает значительно меньшую структурную напряженность, так как неупорядоченность и дезорганизация в данном случае ниже, а надежность системы капилляров, определяемая коэффициентом избыточности, и абсолютная организация более чем в 2

раза превосходят аналогичные параметры в случае с применением 4-кратной дробности. Через месяц фиксации информационные характеристики в двух экспериментальных сериях различались не столь существенно, демонстрируя тем не менее преимущество режима автодистракции. В контралатеральной конечности для двух исследованных сроков эксперимента наблюдались в основном явления синергизма.

Таким образом, полученными результатами были продемонстрированы различные проявления компенсаторно-приспособительных реакций эндотелия капилляров эндомизия передней большеберцовой мышцы в условиях дозированного удлинения голени в двух наиболее часто используемых режимах, свидетельствующие о высокой метаболической активности и об интенсификации окислительно-восстановительных процессов эндо-телиоцитов в условиях дистракции с малой дробностью. Благодаря применению математического аппарата теории информации, было показано несомненное преимущество метода круглосуточной автодистракции голени, особенно по окончании периода дозированного удлинения.