СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ДВИГАТЕЛЬНОЙ ЕДИНИЦЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

МЕДИЦИНСКИЕ НАУКИ

УДК 57.054

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ДВИГАТЕЛЬНОЙ ЕДИНИЦЫ

Васильев Г.Ф.

Инженер, Санкт-Петербург, Россия

SYSTEM ANALYSIS OF THE MOTOR UNIT

G. F. Vasilyev

Engineer, St. Petersburg, Russia DOI: 10.31618/NAS.2413-5291.2023.1.93.779

АННОТАЦИЯ

Принципиальное отсутствие физического носителя при передаче сигнала обратной связи в системах биорегуляции вызывает у специалистов-физиологов затруднения в проведении системного анализа биологических систем. Представленный системный анализ двигательной единицы с дополнительными пояснениями позволит преодолеть эти проблемы.

ABSTRACT

The fundamental absence of a physical carrier when transmitting a feedback signal in bioregulation systems causes difficulties for physiologists in conducting a systematic analysis of biological systems. The presented system analysis of the motor unit with additional explanations will help to overcome these problems.

Ключевые слова: физиология, двигательная единица, регуляция, следящая система, обратная связь

Keywords: physiology, motor unit, regulation, tracking system, feedback

Известно, что мышца состоит из двигательных единиц (далее, ДЕ), представляющих собой минимальную структурно-функциональную

единицу двигательной системы. Таких ДЕ в различных мышцах может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч. Задание для каждой ДЕ формирует двигательный центр (далее, ДЦ) головного мозга. Сформированное задание в виде комплекса сигналов активации (а, уз, поступает на вход системы регуляции ДЕ.

Активация той или иной доли ДЕ, входящих в состав мышцы, обеспечивает необходимое усилие для преодоления возникающего при сокращении сопротивления. Не активированные ДЕ остаются в расслабленном состоянии, и не мешают работе активированных. При этом, в расслабленном состоянии мышечные волокна ДЕ очень податливы и к сжатию активированными ДЕ, и к растяжению при сокращении активированных ДЕ мышц-антагонистов,

Процесс сокращения ДЕ происходит во времени. В этот период задание от ДЦ не остается неизменным. По разным причинам может потребоваться изменение и скорости, и величины сокращения ДЕ. Поэтому поток сигналов активации ДЕ представляет собой программу, а система регуляции ДЕ работает в режиме следящей системы.

Для обеспечения необходимого качества движения, следящая система снабжена

управляемым пропорционально-

дифференциальным регулятором и имеет компенсацию динамической ошибки.

Для повышения живучести, сигнал обратной связи в системе используется там, где формируется, поэтому он не нуждается в носителе, и, следовательно, его невозможно оборвать. Разрушение любого элемента системы переводит ДЕ в нормальное расслабленное состояние, в котором она не мешает работе остальных ДЕ мышцы.

Наукой разработана теория автоматического регулирования, обеспечивающая эффективный анализ систем с отрицательной обратной связью. Основой анализа является использование математической модели системы [3]. Эта методология успешно используется в технической сфере деятельности человека [4], однако ее использование в физиологии оказалось затруднительным из-за безуспешности поисков сигнала обратной связи. Помочь специалистам физиологам воспользоваться теорией

автоматического регулирования - цель данной статьи.

В качестве примера безуспешного поиска сигнала обратной связи рассмотрим публикацию [5]. На рис. 1 приведена цитата из этой публикации, касающаяся системы регуляции ДЕ.

Вход команд

г

Контроллер

Вход КиМЛнд

Управляющий сигмал

ЭгВШЖНЫЙ сигнал

Си г нал

обеатной

(ВПЭи

Регулируемая гКмченцвя

ЩлЬектоп,

fj

Управ-лАеман системь

U

«опт-роллер

Мозг

а-Могонеирон

1Прео6реэо-

i bitwlt. CHrHSni

n

Управляемая система

А(г-

ВОЛОКМ!)1 1

гФ

" ,■

Ifl-

Bc^OKhfOJ L

Возмущение

Б

НпсдоДЯщие

T fU ЦТ ы

0"'

Motu-нейрон

ЕГышечнле. веретене

Экстрафузальнан мускулатура

Рис. 15,2. Схемы систем управления универсальная <Д) и применимая к рефлексу растяжений (6). А Блок-схеме простой цепи управления. Линии га стр&киян показывают направление, в котором элементы с*емы (кднтроллер, управляемая система! взаимодействуют эа счет потока, информации. Сигнал овратнпй связи дает контроллеру сведения о состоянии управляемом переменной, постоянство которой нужно лоддерживдть. Б. Блок-схема Солее сложной цепи управления {красным показаны добавочные детали, которых наг в А). В данном случае в противоположность/! эталонный сигнал влияет как на контроллер, так и на преобразователе сигнала обратной связи. В. Счема спимяльного рефлекса растяжения; вход соответствует нисходящий путям из мозга. Схема показывает точки соответствия цепи на 5

Рис. 1. Рисунок является цитатой из [5], с 334, рис. 15.2.

В части "А" рисунка показана математическая модель системы регуляции, заимствованная из теории, а в части "Б" рисунка показано, как, по мнению автора, следует применить эту математическую модель к описанию функционирования ДЕ. Часть "В" детализирует модель системы, приведенной в части "Б". Здесь показано 1а-волокно, якобы выполняющее функцию передачи сигнала обратной связи от мышечного веретена на вход узла сравнения, функцию которого якобы выполняет альфа-мотонейрон.

Однако, описание функционирования системы регуляции ДЕ, посредством модели, приведенной в

частях "Б" и "В", не раскрывает, как мышечное веретено при формировании сигнала обратной связи отличает свое сокращение в результате сокращения экстрафузальной мускулатуры (что используется при регуляции), от своего сокращения в результате активизации мозгом гамма-мотонейрона для поддержания мышечного веретена в натянутом состоянии. Поскольку такого разъяснения автор привести не может, эта модель не имеет отношения к реальности.

Автором настоящей статьи был проведен системный анализ системы регуляции ДЕ [2] и на рис. 2 приведена функциональная схема этой системы.

Элементы системы:

ДЦ - двигательный центр головного мозга; уБ-МН - уБ-мотонейрон ДЕ, принимающий задание по пропорциональной регуляции; ИФб - интрафузальное волокно пропорционального регулятора ДЕ; у^МН - у^мотонейрон ДЕ, принимающий задание по дифференциальной регуляции; ИФd - интрафузальное волокно дифференциального регулятора ДЕ; РР - рецепторы растяжения интрафузальных волокон ДЕ, преобразующие сигнал управления из линейного размера в импульсацию; ЧН - чувствительный нейрон ДЕ, принимающий сумму всех сигналов управления от регуляторов; а-МН - а-мотонейрон ДЕ; ЭФ -экстрафузальное волокно ДЕ (эффектор).

Сигналы:

а, у8, - сигналы активации от ДЦ (импульсация); СЗs - пропорциональный сигнал задания (линейный размер); СЗd - дифференциальный сигнал задания (линейный размер); СОС - сигнал обратной связи ДЕ (линейный размер); СУ - сигнал управления (линейный размер); СФ - сигнал форсировки от ДЦ (импульсация); РВ - регулируемая величина ДЕ (линейный размер).

Рис. 2. Функциональная схема системы регуляции двигательной единицы (ДЕ)

Программа, формируемая ДЦ, содержит в своем составе два сигнала и которые поступают, соответственно, на '^-мотонейрон и мотонейрон. Эти мотонейроны при активации сокращают интрафузальные волокна мышечного веретена, (соответственно, ИФs и ИФd), которые сокращаясь, растягивают свои рецепторы растяжения РР. Это происходит в результате того, что ИФ-волокно состоит из двух одновременно сокращаемых половин, между которыми находится РР. Величина растяжения РР, выраженная в виде длины, и является, собственно, сигналом задания от ДЦ для следящей системы, соответственно, СЗs и СЗd.

Растяжение является стимулом для РР, и на их выходе появляется соответствующая импульсация. При этом, частота импульсации на выходе РР ИФs-волокна пропорциональна амплитуде растяжения, а частота импульсации на выходе РР ИФd-волокна пропорциональна скорости растяжения. Соотношением частот сигналов у8 и ДЦ придает регулятору ДЕ пропорционально-

диференциальные свойства в нужном соотношении (управляемый пропорционально-

дифференциальный регулятор), что и обеспечивает устойчивость системы при высоком быстродействии в широком диапазоне инерционных нагрузок.

Выходы всех РР в мышечном веретене объединяются, образуя ^-волокно, которое всю сумму импульсаций мышечного веретена подает на вход чувствительного нейрона (ЧН). Импульсация с выхода ЧН поступает на вход а-мотонейрона ДЕ, и это приводит к сокращению экстрафузальных волокон (ЭФ-волокна) ДЕ. Таким образом, сигнал, передаваемый по ^-волокну, не является сигналом обратной связи. Это сигнал - прямо пропорциональный сигналу управления.

Поскольку ИФ-волокна присоединены своими концами к концам ЭФ-волокон, то степень активации ИФ-волокон (это сигнал задания), растягивает РР, а возникшее в результате этого сокращение ЭФ-волокон (это эффектор), уменьшает растягивание. Это и есть алгоритмический процесс вычитания сигнала обратной связи из сигнала задания. Таким образом, комплекс мышечных волокон в целом (эффектор и мышечное веретено) представляет собой узел сравнения следящей системы. На модели системы регуляции ДЕ (рис. 2) жирными линиями выделены все структурные элементы, и все связи (СЗ, СОС, СУ) между ними. На схеме видно, что указанные сигналы имеют размерность длины, передаются между элементами системы только механическим

контактом, ни один сигнал не выходит за пределы комплекса и поэтому сигналам не грозит обрыв.

Следящая система отрабатывает задание ДЦ только благодаря наличию СУ>0, и чем выше заданная скорость движения, тем выше становится значение СУ (таковы свойства эффектора). С другой стороны СУ - это ошибка в слежении. Таким образом, чем выше в программе от ДЦ заданная скорость, тем выше ошибка слежения (иногда ее так и называют - "скоростная ошибка").

Для компенсации скоростной ошибки, от ДЦ, одновременно с импульсациями уь и прямо на вход а-мотонейрона ДЕ подается импульсация а. На схеме этот сигнал обозначен, как СФ (сигнал форсировки).

Таким образом, СФ - не сигнал слежения, т.к. поступает прямо на вход а-мотонейрона ДЕ. Это сигнал управления скоростью сокращения. Он добавляет скорость сокращения, тем самым, компенсируя скоростную ошибку следящей системы. Этот сигнал также обеспечивает необходимое ускорение, что особенно важно при увеличении массы перемещаемого органа.

Но, чтобы орган остановился в необходимой позиции, сигнал СФ своевременно отменяется. Если произойдет задержка отмены, то эффектор сократится на величину более заданной. Орган переместится дальше, чем заложено в программе (произойдет перерегулирование). В этом случае сработает мышца - антагонист и вернет орган на нужную позицию. Но процесс позиционирования будет колебательным, что снижает качество управления.

Таким образом, несвоевременная отмена СФ снижает качество сокращения. Ранняя отмена СФ приводит к замедлению отработки задания. Запоздалая отмена СФ приводит к колебательному процессу позиционирования. Оптимум достигается тренировкой.

Представленная модель системы регуляции ДЕ позволяет понять, как работает система, а также воспользоваться методологией теории

автоматического управления [4]. При этом исходная нелинейная модель системы может быть представлена в виде линеаризованной математической модели, а функциональная схема системы, заменена структурной схемой с передаточными функциями. Такая замена позволяет для анализа системы применить методы компьютерного моделирования, что обеспечит повышение уровня диагностики двигательной системы организма.

Список использованной литературы

1. Васильев Г. Ф. Основы регуляции, адаптированные для физиологии // British journal of innovation in science and technology, том 3, № 4, c. 25-34. DOI: 10.22406/bjist-18-3.4-25-34

2. Васильев Г. Ф. Система биорегуляции двигательной единицы //British journal of innovation in science and technology, том 3, № 6, c. 35-44. DOI: 10.22406/bjist-18-3.6-35-44

3. Винер Н., Кибернетика или управление и связь в животном и машине: перевод с англ. (Главная редакция изданий для зарубежных стран издательства "Наука", М., 1983).

УДК 631: 665. 71 (470. 57)

4. Практикум по автоматике. Математическое моделирование систем автоматического регулирования / Под ред. Б. А. Карташова. - М.: КолосС, 2004. - 184 с.: ил. (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

5. Циммерман М., Общие принципы регуляции//Физиология человека: В 3-х томах. Т. 2. Пер. С англ./Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса.-М.: Мир, 1996. -313 с., ил. ISBN 5-03-002544-8 с. 339, рис 15.5

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВЕННО-ЗЕМЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ НЕФТЕПРОДУКТАМИ, АГРОХИМИКАТАМИ И ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ В РЕГИОНЕ С РАЗВИТЫМ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ И НЕФТЕХИМИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ

Рахматуллин Н.Р., Рафиков С.Ш., Рахматуллина Л.Р.

ФБУН «Уфимский НИИ медицины труда и экологии человека», Россия, г. Уфа, 450106, ул. Ст. Кувыкина, 94,

CONTAMINATION OF SOIL AND LAND RESOURCES WITH PETROLEUM PRODUCTS,

AGROCHEMICALS AND HEAVY METALS IN A REGION WITH A DEVELOPED AGRO-INDUSTRIAL AND PETROCHEMICAL COMPLEX

N.R. Rakhmatullin, S.Sh. Rafikov, L.R. Rakhmatullina

Ufa Research Institute of Occupational Medicine and Human Ecology of Rospotrebnadzor,

Ufa, Russia

DOI: 10.31618/NAS.2413-5291.2023.1.93.780

АННОТАЦИЯ

В работе сформулированы результаты исследований, выполненные в рамках отраслевой программы Роспотребнадзора на 2021-2025 гг. «Научное обоснование национальной системы обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия, управления рисками здоровью и повышения качества жизни населения России» по теме 1.1.7. «Эколого-гигиеническое обоснование рисков здоровью населения, обусловленных воздействием факторов окружающей среды на территориях размещения предприятий нефтегазового, горнорудного и агропромышленного комплексов». Исследования подтверждают и дополняют данные о существующем загрязнения почвы в радиусе не менее 20-25 км от таких действующих комплексов. Обнаруженные концентрации нефтепродуктов, органических соединений, тяжелых металлов, солей и др. продуктов переработки нефти и использования минеральных удобрений на расстояниях «1 - 3» и «3 - 6» км позволяют условно отнести загрязнённость почвы, соответственно к категории «высокоопасный» и «умеренно опасный» (2-3 классы опасности). Применяемые санитарно-гигиенические и экологические методы оценки опасности загрязнения почвенного покрова с использованием полученных данных о загрязнителях с их ПДК и фоновыми показателями загрязнителей в почве, является недостаточно точной и информативной. Необходимо дальнейшее совершенствование методических подходов для безопасного применения агрохимикатов, а также оценить и обосновать новые агротехнические нормы их внесения. Авторы анализируют данные о наиболее актуальных нормативно-методических документах, управленческих и природоохранных решениях, мониторинговых исследованиях санитарно-гигиенического надзора.

ABSTRACT

The work formulated the results of studies performed as part of the Rospotrebnadzor industry program for 2021-2025. "Scientific justification of the national system for ensuring sanitary and epidemiological well-being, managing the risk of health and improving the quality of life of the population of Russia" on the topic 1.1.7. "Environmental and hygienic justification of risks of the health of the population due to the influence of environmental factors in the location of the oil and gas, mining and agro-industrial complexes." Studies confirm and complement data on the existing soil pollution within a radius of at least 20-25 km from such existing complexes. Detected concentrations of petroleum products, organic compounds, heavy metals, salts, etc. Products of oil processing and the use of mineral fertilizers at distances "1 - 3" and "3 - 6" km allow the soil pollution, respectively, as "highly hazardous" and "moderately Dangerous" (2-3 hazard classes). The applied sanitary-hygienic and ecological methods of assessing the danger of soil contamination using the obtained data on pollutants with their MPC and background indicators of pollutants in the soil are insufficiently accurate and informative. It