Применение в биологических исследованиях электронных вычислительных машин

Annotation:

The article reveals the possibilities of application and the need to use electronic computers in modern conditions. The analysis of interaction between the computer and the experimenter is carried out. The question is raised about the need to increase the productivity of computers, due to the increasing complexity of the problems posed by people.

Главной особенностью биологических и, в главной степени, физиологических исследований — наличие большого количества экспериментальной информации. Часто обилие этих данных настолько велико, что исследовать тонет в них, проводя часы и недели на обработку итогов, полученных за сравнительно непродолжительный опыт. Естественно, исследователь с надеждой обращает своё внимание к быстродействующим ЭВМ, в надежде получить помощь в них.

При следующем анализе становится ясно, что точное определение вопроса отсутствует, и остается только надежда, что при анализе информации выявятся определённые закономерности. В таких ситуациях стоит объяснить следующее. Несомненно, ЭВМ могут многое: они значительно преувеличивают наши аналитические возможности, они способны хранить и быстро ориентироваться в больших запасах данных, но ЭВМ не смогут предоставить важных для исследования результатов без поставленной цели. Для выяснения способностей ЭВМ в научных исследованиях, следует рассказать о самой этой технике.

Разделение ЭВМ происходит на универсальные и специализированные машины. Специализированные машины осуществляют определённую совокупность действий: анализ частот, решение уравнений, их систем и так далее. Такая техника обычно не требует большого обслуживающего персонала, также они не так сложны и объёмны, что повышает доступность таких машин. Однако, при изменении метода обработки данных требуется и новая техника, так как в специализированных машинах уже зафиксирован способ анализа информации.

Более широким спектром возможностей обладают универсальные цифровые вычислительные машины или УЦВМ. Любая элементарная логическая цепь последовательных действий может быть реализована на такой технике.

Применение УЦВМ осуществляется в самых различных отраслях науки: решение математических задач, анализ древнего текста и так далее. При этом используются те же самые машины, а множество задач — это лишь многообразие программ, назначенных машине. Таким образом, благодаря программам УЦВМ возможно реализовать самые разные способы обработки данных в биологии.

Работоспособность современных ЭВМ составляет несколько миллионов действий ежесекундно, поэтому даже биологическая информация может обрабатываться в большом количестве. Тем не менее, меж ЭВМ и физиологическим опытом стоит немаловажная проблема, ведь техника распознает материал в цифровой форме и в определённой системе, тогда как данные биологического опыта в цифрах не выражены, что именуется "отсутствием единого языка". Перевод физиологических сведений в цифровую возможно осуществлять вручную, но такой процесс будет занимать достаточно много времени, теряя все свои преимущества. Значит, нужна автоматизация. Специализированные устройства, такие как аналого-цифровые преобразователи, как раз призваны автоматически выполнять эти преобразования. Они с достаточно быстрой скоростью переводят меняющиеся значения в цифры, понятные для восприятия машиной.

Безусловно, имея в лаборатории быстродействующую вычислительную технику, стоит попытаться возложить на плечи ЭВМ не только обработку данных, но и отчасти роль самого экспериментатора. Анализируя результаты опыта, машина сама может выполнять те или иные операции, например, вводить стимулятор и т.д. Немаловажно, что в таких ситуациях техника способна подмечать изменения даже быстрее экспериментатора-человека.

Далее хотелось бы отметить несколько примеров, в которых участие ЭВМ играло значительную роль, а временами и коренное значение. В биолаборатории профессора М.Н. Ливанова произошёл данный опыт на кроликах. Производилась единовременная запись потенциалов (до ста) частей коры головного мозга через специально предназначенную многоканальную систему и исследовалась стадия зависимости данных различных точек, допустим, при установлении условного рефлекса. Спустя маленькие интервалы времени измерялся размер потенциала по каждому из каналов, затем шло сравнение его значений в 2 близких мгновениях времени и, зависимо от убывания или возрастания потенциала, ставился знак "+" либо 0. Так, все изменения отоб- ражались в простом виде, как ряд из нулей, минусов и плюсов. Данные результаты вводились в ЭВМ, подсчитывающая коэффициент совпадений между последовательностями. Этот анализ позволил выявить важную информацию о работе мозга в процессе становления условного рефлекса. Обобщив ситуацию, можно сказать, что в начале выработки рефлекса процент синхронизации был незначителен, который возрастает в самом процессе и снова угасает после обработки рефлекса.

Однако, в эксперименте информация значительно упрощалась и часть данных отбрасывалась (считалось только направление потенциала в точке, а не его величина), но анализ и таких данных собственноручно занял бы достаточно много времени.

ЭВМ также используются в диагностике, в медицине, например, в последнее время различные сердечные заболевания выявляются с помощью кардиограмм. Кардиограмма — кривые, отображающие электрическую работу сердца.

Суть кардиограмм состоит в дальнейшем: сердце ритмично сокращается, проводя по объёму возбуждающие волны и в связи с этим, создаётся изменчивое электрическое поле. Именно кардиограмма и фиксирует все изменения в этом поле. На практике электроды прикладываются к определённым точкам тела человека, после чего происходит запись проекции вектора, соответствующей электрическому полю сердца.

Различные не предписанные нормой изменения позволяют врачу-кардиологу судить о состоянии сердца, о наличии сердечных заболеваний таких как стенокардия или инфаркт, а также об их расположении в органе. На первый взгляд, кажется, что диагностика ничего сложного из себя не представляет, однако всё намного сложнее. Такое понятие как "нормальная кардиограмма" отсутствует, ведь у каждого человека наблюдаются различные отклонения в локализации сердца, что зависит от очень многих факторов, которые не связаны с наличием болезни. Поэтому кардиограмма анали- зируется вместе с другими признаками (боли в сердце, изменение состава крови) и требует от врача наличия опыта.

Делать выводы и медицинские заключения по кардиограмме, конечно, поспешно, но полученная информация велика и может служить в целях профилактики. Это является важной задачей обследования различных возрастных слоёв населения, но медицинские штаты не безграничны, поэтому эта задача перекладывается на ЭВМ. Интересен процесс анализа кардиограмм вычислительными машинами, ввиду возникновения здесь непростых математических вопросов.

Для этого были установлены параметры кардиограммы, применимые для диагностики, например, отношения высот зубцов, расстояния между ними и т.д. Но самое главное — правильно поставить диагноз, поэтому тут два пути решения задачи. Во-первых, возможно оставить за ЭВМ определение заданных параметров и выявление ошибочных сведений, а постановка диагноза останется за врачом. Во-вторых, ЭВМ может выступить в роли клинициста, определяющего само заболевание, путём введения данных об отклонениях в кардиограмме. Такой выход, конечно, является непростым делом, но в настоящее время уже существуют некоторые методы такой работы.

Стремительный прогресс ЭВМ стал ответом на нужды человечества в машинах, имитирующих процессы в реальности и совершающих другие нелёгкие задачи. ЭВМ, являясь достижением научно-технического развития, задают темп развития и остальных машин.

На данный момент рост производительности ЭВМ соответствует увеличению сложности проблем людей. Не трудно заметить, что современные вычислительные машины настроены на количественное приумножение характеристик, что можно назвать "выделением" максимума из уже существующего. Это означает, что развитие ЭВМ находится в относительной стабильности и решающих изменений ждать не стоит.

Понятно, что после этапа бурного развития следует этап угасания, когда ЭВМ не смогут отвечать на нужды человечества, что поспособствует в переходе на новый качественный уровень машин.