Моделювання біофізичних процесів зорової системи

моделювання зоровий аналізатор

Поняття моделювання біофізичних процесів

Живий організм являє собою занадто складну систему, щоб його можна було розглядати відразу у всіх подробицях, тому дослідник завжди вибирає спрощену точку зору, що підходить для рішення конкретно поставленої задачі. Це свідоме спрощення реальних біосистем і лежить в основі методу моделювання.

Модель – це умовний образ реального об'єкта, сконструйованого дослідником так, щоб відобразити характеристики об'єкта (властивості, взаємозв'язку, структурні і функціональні параметри і т.д.), істотні для цілей дослідження. Під моделюванням у даний час розуміють не тільки предметне, що копіює моделювання, але і науковий метод дослідження і пізнання глибокої сутності явища й об'єктів. Основою моделювання є єдність матеріального світу й атрибутів матерії – простору і часу, а також принципів руху матерії.

Моделі, використовувані в медицині і біології, звичайно поділяють на три категорії:

1. Біологічні предметні моделі, на яких вивчаються загальні біологічні закономірності, патологічні процеси, дія різних препаратів, методи лікування і т.д. До цього класу моделей можуть бути віднесені лабораторні тварини, ізольовані органи, культури кліток, суспензії органел, фосфоліпідні мембрани і т.д.

2. Фізичні (аналогові) моделі, тобто фізичні системи, що володіють аналогічним з моделюємим об'єктом поводженням. Наприклад, деформації, що виникають у кісті при різних навантаженнях, можуть бути вивчені на спеціально виготовленому макеті кісти. Рух крові по великих судинах моделюється ланцюжком опорів, ємностей і індуктивностей. До фізичних моделей можна також віднести технічні пристрої, чи тимчасово постійно заміняють органи і системи живого організму: апарати штучного дихання (модель легень), штучного кровообігу (модель серця), кардіостимулятори і т.д.

3. Математичні моделі являють собою системи математичних виражень – формул, функцій, рівнянь і т.д., що описують ті чи інші властивості досліджуваного об'єкта, явища, процесу. При створенні математичної моделі використовують фізичні закономірності, виявлені при експериментальному вивченні об'єкта моделювання. Так, математичні моделі електричних явищ в органах, наприклад, опис форми електрограм, засновані на законах електродинаміки, а моделі кровообігу – на законах гідродинаміки. Останнім часом завдяки використанню ЕОМ різко розширилися можливості одержання кількісних відповідей методом математичного моделювання, і стало можливим вивчати цим методом набагато більш складні системи. Це привело до значного підвищення наукового і практичного значення математичного моделювання.

Математичне моделювання як метод дослідження володіє рядом безсумнівних достоїнств:

По-перше, сам метод викладу кількісних закономірностей математичною мовою, тобто мовою графіків і формул, точний і ощадливий.

По-друге, перевірка гіпотез, сформульованих на основі досвідчених даних, може бути здійснена шляхом іспиту математичної моделі, створеної на основі цієї гіпотези. Результати такого дослідження або дають додаткові підтвердження гіпотез, або приводять до необхідності їхнього уточнення чи навіть перегляду.

По-третє, математична модель дозволяє судити про поводження таких систем і в таких умовах, що важко створити в експерименті в чи клініці, вивчати роботу досліджуваної системи цілком чи роботу будь-якої її окремої частини.

Практична цінність методу математичного моделювання полягає в наступному:

1) правильно складена і усебічно використана математична модель дозволяє зменшити час дослідження біосистем, скоротити кількість тварин, необхідних для такого дослідження, і число досвідів;

2) математична модель полегшує рішення задач прогнозування ходу і результатів експериментів, плину хвороб, ефектів лікувальних впливів. Таке прогнозування дозволяє підібрати оптимальні варіанти, лікування, зокрема застосування лікарських препаратів.

Сучасна біофізика включає математичне моделювання як необхідний етап наукового дослідження. Типова робота в області біофізики починається з експерименту, і одержувані експериментальні дані піддаються математичній обробці (побудова таблиць, графіків, гістограм, підбор емпіричних формул для опису експериментальних залежностей). Цей матеріал є основою для створення робочої гіпотези.

Математична модель, створена на основі цієї гіпотези, може правильно описувати поводження системи, хоча фізичні основи спостерігаються в експерименті й описуваних моделлю процесів можуть бути не розкриті. Поглиблення досліджень на другому етапі, так чи інакше, зв'язано з вивченням молекулярної і клітинної будівлі досліджуваних біологічних систем. У кінцевому рахунку, це дозволяє сформулювати більш змістовну структурно-функціональну модель роботи даної клітки, чи тканини органа. Кінцевою метою такого дослідження є створення біофізичної теорії, що дозволяє пояснити властивості і поводження складної біологічної системи на основі знання фізичних принципів, що лежать в основі функціонування складових її елементів.

Моделі бувають геометричні, біологічні, фізичні (фізико-хімічні) і математичні.

Геометричні моделі – найбільш простий їхній різновид. Це зовнішнє копіювання оригіналу. Муляжі, використовувані у викладанні анатомії, біології і фізіології, є геометричними моделями. У побуті геометричні моделі часто використовуються з пізнавальної чи декоративно – розважальною метою (моделі автомашин