Наблюдение как метод физиологического исследования. Подобный методический прием был и остается причиной многочисленных ошибок, так как экспериментатор должен проводить опыт, видеть и запоминать множество сложных процессов и явлений, что представляет собой трудную задачу. Действительно, физиологические процессы представляют собой динамические явления. Они непрерывно развиваются и изменяются, поэтому непосредственно удается наблюдать лишь 1—2 или, в лучшем случае, 2—3 процесса. Однако чтобы их анализировать, не обходимо установить связь этих явлений с другими процессами, которые при таком способе исследования остаются незамеченными. Вследствие этого простое наблюдение физиологических процессов как метод исследования является источником субъективных ошибок. Обычно наблюдение позволяет установить лишь качественную сторону явлений и лишает возможности исследовать их количественно.
Графическая регистрация физиологических процессов. Метод графической регистрации ознаменовал новый этап в физиологии. Он позволил осуществить объективную запись изучаемого процесса, сводившую до минимума возможность субъективных ошибок.
Исследования биоэлектрических явлений. (биоэлектрических потенциалов), Понять этот «язык» удалось значительно позже, после изобретения физических приборов, улавливающих биоэлектрические потенциалы. Одним из первых таких приборов был простой телефон
Объективная графическая регистрация биоэлектрических потенциалов послужила основой важнейшего раздела нашей науки — электрофизиологии.
Методы электрического раздражения органов и тканей. Существенной вехой в развитии физиологии было введение метода электрического раздражения органов и тканей. Живые органы и ткани способны реагировать на любые воздействия: тепловые, механические, химические и др. Электрическое раздражение по своей природе близко к «естественному языку», с помощью которого живые системы обмениваются информацией. Разработаны конструкции раз личных электронных стимуляторов, которые можно вживлять в организм. Электрическая стимуляция сердца стала надежным способом восстановления нормального ритма и функций этого жизненно важного органа и возвратила к труду сотни тысяч людей.
Химические методы исследования в физиологии. «Язык» электрических сигналов не единственный в организме. Распространенным является также химическое взаимодействие процессов жизнедеятельности (цепи химических процессов, происходящих в живых тканях). Поэтому возникла область химии, изучающая эти процессы, — физиологическая химия.
Метод острого эксперимента. Прогресс науки обусловлен не только развитием экспериментальной науки и методов исследования Основным методическим приемом аналитической физиологии были эксперименты на изолированных органах. При этом чтобы получить доступ к какому-либо внутреннему органу или системе, физиолог должен был заниматься вивисекцией (живосечением). Такие эксперименты называют также острыми опытами. Чтобы исследовать тот или иной процесс или функцию органа либо системы, нужно было проникнуть в глубь организма, а сама попытка такого проникновения нарушала нормальное протекание физиологических процессов, для изучения которых и предпринимался опыт. Кроме того, исследование изолированных органов не давало представления об их истинной функции в условиях целостного неповрежденного организма.
Метод хронического эксперимента. Величайшей заслугой русской науки в истории физиологии стало то, что один из самых талантливых и ярких ее представителей И. П. Павлов сумел найти выход из этого тупика. И. П. Павлов болезненно переживал недостатки аналитической физиологии и острого эксперимента. Он нашел способ, позволяющий заглянуть в глубь организма, не нарушая его целостности. Это был метод хронического эксперимента, проводимого на основе «физиологической хирургии». На наркотизированном животном в условиях стерильности предварительно производили сложную операцию, позволяющую получить доступ к тому или иному внутреннему органу, проделывали «окошечко» в полый орган, вживляли фистульную трубку или выводили наружу и подшивали к коже проток железы. Сам опыт начинали много дней спустя, когда рана заживала, животное выздоравливало и по характеру течения физиологических процессов практически ничем не отличалось от нормального, здорового. Благодаря наложенной фистуле можно было длительно изучать течение тех или иных физиологических процессов в естественных условиях поведения.
Методы физиологических исследований (наблюдение, острый опыт и хронический эксперимент). Вклад отечественных и зарубежных физиологов в развитие физиологии.
— 2 основных метода: наблюдение и эксперимент. При наблюдении за животным или человеком в определенных условиях можно описать ту или иную функцию любого органа или работу целого организма, но нельзя ответить на вопрос, почему возникает данная функция или почему она изменилась.
Эксперимент может быть острым и хроническим:
1 – острый опыт осуществляется в условиях вивисекции (резать по живому) и позволяет изучить какую-то функцию за короткий промежуток времени. Недостатки: наркоз, травма, кровопотеря могут извратить нормальную функцию организма.
2 – хронический эксперимент позволяет в течение длительного времени изучать функции организма в условиях нормального взаимодействия его с окружающей средой. Хронический эксперимент применяется в виде целенаправленных хирургических операций (наложение фистул, нервнососудистых анастомозов, пересадка разных органов, вживление электродов и др.).Функции органов могут быть изучены не только в целостном организме, но и вне его, при искусственной их изоляции. Объектом исследования могут быть мышечные, нервные и другие клетки. По изменению биоэлектрической активности клетки судят о ее функции.
В последние десятилетия широкое применение в физиологических исследованиях нашли инструментальные методы (электрокардиография, электроэнцефалография, регистрация активности нервной системы путем вживления макро- и микроэлементов и др.) еченов Иван Михайлович (1829—1905). Великий отечественный физиолог, основоположник учения о высшей нервной деятельности, показал возможность приложения физиологических знаний к явлениям психической деятельности. Им было установлено наличие электрической деятельности в мозгу, открыто центральное торможение, показана рефлекторная природа произвольных актов, описан «профессиональный делирий». Книга И. М. Сеченова «Рефлексы головного мозга» (1863) вошла в золотой фонд отечественной и мировой науки.
Павлов Иван Петрович (1849—1936). Выдающийся советский физиолог, создатель учения о высшей нервной деятельности. Внес вклад в изучение гипноза, механизма образования бреда, неврастении, психастении, навязчивых состояний, а также действие на нервную систему различных медикаментов, применяемых при лечении психически больных. Им было разработано учение о первой и второй сигнальных системах, сформулированы физиологические основы типов высшей нервной деятельности. Он внес большой вклад в изучение патогенеза и лечения психических заболеваний и понимания психического заболевания как заболевания мозга и всего организма.
Балинский Иван Михайлович (1827—1902), профессор, которому принадлежит приоритет в создании учения о психопатиях, является одним из основоположников судебно-психиатрической экспертизы, основателем и председателем первого в нашей стране общества психиатров, ввел термин «навязчивые идеи». Гризингер Вильгельм (1817—1868). Выдающийся немецкий психиатр, основатель общего учения о психических болезнях, впервые утвердил психиатрию как медицинскую дисциплину, высказал мысль о том, что психотические состояния не являются болезнями, но лишь симптомами мозгового процесса (концепция единого психоза). Уделял огромное внимание рефлекторной деятельности, патологоанатомическим исследованиям головного мозга, считал, что обязательно существует патологоанатомическая основа психозов.
Конолли Джон (1794—1866) —известный английский психиатр, профессор. Осуществил в Англии отмену механических стеснений при лечении душевнобольных. В 1856 году издал книгу «Лечение душевнобольных без механического стеснения». Д. Конолли выдвинул принцип — «насилие равнозначуще небрежности». В эпоху Возрождения в естествознании и медицине большое значение начали придавать опыту и наблюдению. Дальнейшее развитие физиологии связано с успехами анатомии, где работы Леонардо да Винчи и Андреаса Везалия подготовили почву для открытий в области физиологии.
Методы физиологии
Методы исследования в физиологии
Физиология является экспериментальной наукой, т.е. все ее теоретические положения основываются на результатах выполнения опытов и наблюдений.
Для изучения различных процессов и функций живого организма в физиологии используются методы наблюдения и эксперимента.
Наблюдение — метод получения информации путем непосредственной, как правило, визуальной регистрации физиологических явлений и процессов, происходящих в определенных условиях.
Эксперимент — метод получения новой информации о причинно-следственных отношениях между явлениями и процессами в контролируемых и управляемых условиях. Острым называется эксперимент, реализуемый относительно кратковременно. Хроническим называется эксперимент, протекающий длительно (дни, недели, месяцы, годы).
Метод наблюдения
Сущность этого метода заключается в оценке проявления определенного физиологического процесса, функции органа или ткани в естественных условиях. Это самый первый метод, который зародился еще в Древней Греции. В Египте при мумицифировании трупы вскрывали и жрецы анализировали состояние различных органов в связи с ранее зафиксированными данными о частоте пульса, количестве и качестве мочи и другими показателями у наблюдаемых ими людей.
В настоящее время ученые, проводя исследования методом наблюдений, используют в своем арсенале ряд простых и сложных приборов (наложение фистул, вживление электродов), что позволяет надежнее определить механизм функционирования органов и тканей. Например, наблюдая за деятельностью слюнной железы, можно установить, какой объем слюны выделяется за определенный период суток, ее цвет, густоту и т.д.
Однако наблюдение явления не дает ответа на вопрос, каким образом осуществляются тот или иной физиологический процесс или функция.
Более широко наблюдательный метод применяют в зоопсихологии и этологии.
Экспериментальный метод
Физиологический эксперимент — это целенаправленное вмешательство в организм животного с целью выяснить влияние разных факторов на отдельные его функции. Такое вмешательство иногда требует хирургической подготовки животного, которая может носить острую (вивисекция) или хроническую (экспериментально-хирургическая) форму. Поэтому эксперименты подразделяются на два вида: острый (вивисекция) и хронический.
Экспериментальный метод, в отличие от метода наблюдения, позволяет выяснить причину осуществления какого-то процесса или функции.
Вивисекцию проводили на ранних этапах развития физиологии на обездвиженных животных без применения наркоза. Но начиная с XIX в. в остром эксперименте стали использовать общую анестезию.
Острый эксперимент имеет свои достоинства и недостатки. К достоинствам относится возможность моделировать разные ситуации и получать результаты в относительно короткий срок. К недостаткам относится то, что в остром эксперименте исключается влияние центральной нервной системы на организм при применении общей анестезии и нарушается целостность реагирования организма на разные воздействия. Кроме того, часто животных после острого эксперимента приходится усыплять.
Поэтому позднее были разработаны методы хронического эксперимента, при котором проводят длительное наблюдение за животными после оперативного вмешательства и выздоровления животного.
Академиком И.П. Павловым был разработан метод наложения фистул на полые органы (желудок, кишечник, мочевой пузырь). Использование фистульной методики позволило выяснить механизмы функционирования очень многих органов. В стерильных условиях анестезированному животному выполняют хирургическую операцию, позволяющую получить доступ к определенному внутреннему органу, вживляют фистульную трубку или выводят наружу и подшивают к коже проток железы. Непосредственно опыт начинают после заживления послеоперационной раны и выздоровления животного, когда физиологические процессы приходят в норму. Благодаря этой методике стало возможным длительно изучать картину физиологических процессов в естественных условиях.
Метод эксперимента, как и метод наблюдения, предусматривает использование простой и сложной современной аппаратуры, приборов, входящих в системы, предназначенные для воздействия на объект и регистрации различных проявлений жизнедеятельности.
Изобретение кимографа и разработка метода графической регистрации артериального давления немецким ученым К. Людвигом в 1847 г. открыло новый этап в развитии физиологии. Кимограф позволил осуществлять объективную запись изучаемого процесса.
Позднее были разработаны методы регистрации сокращения сердца и мышц (Т. Энгельман) и методика регистрации изменения сосудистого тонуса (плетизмография).
Объективная графическая регистрация биоэлектрических явлений стала возможной благодаря струнному гальванометру, изобретенному голландским физиологом Эйнтховеном. Ему впервые удалось записать на фотопленке электрокардиограмму. Графическая регистрация биоэлектрических потенциалов послужила основой развития электрофизиологии. В настоящее время электроэнцефалографию широко используют в практике и научных исследованиях.
Важным этапом в развитии электрофизиологии явилось изобретение микроэлектродов. При помощи микроманипуляторов их можно вводить непосредственно в клетку и регистрировать биоэлектрические потенциалы. Микроэлектродная техника позволила расшифровать механизмы генерации биопотенциалов в мембранах клетки.
Немецкий физиолог Дюбуа-Реймон является основоположником метода электрического раздражения органов и тканей с помощью индукционной катушки для дозированного электрического раздражения живых тканей. В настоящее время для этого используют электронные стимуляторы, позволяющие получить электрические импульсы любой частоты и силы. Электростимуляция стала важным методом исследования функций органов и тканей.
К экспериментальным методам относится множество физиологических методов.
Удаление (экстирпация) органа, например определенной железы внутренней секреции, позволяет выяснить ее влияние на различные органы и системы животного. Удаление различных участков коры головного мозга позволило ученым выяснить их влияние на организм.
Современные успехи физиологии были обусловлены использованием радиоэлектронной техники.
Вживление электродов в различные участки мозга помогло установить активность различных нервных центров.
Введение радиоактивных изотопов в организм позволяет ученым изучать метаболизм разных веществ в органах и тканях.
Томографический метод с использованием ядерного магнитного резонанса имеет очень важное значение для выяснения механизмов физиологических процессов на молекулярном уровне.
Биохимические и биофизические методы помогают с высокой точностью выявлять различные метаболиты в органах и тканях у животных в состоянии нормы и при патологии.
Знание количественных характеристик различных физиологических процессов и взаимоотношений между ними позволило создать их математические модели. С помощью этих моделей физиологические процессы воспроизводят на компьютере и исследуют различные варианты реакций.
Основные методы физиологических исследований
Наблюдение
Наблюдение применялось с первых шагов развития физиологической науки. Проводя наблюдение, исследователи дают описательный отчет о его результатах. При этом объект наблюдения обычно находится в естественных условиях без специальных воздействий на него исследователя. Недостатком простого наблюдения является невозможность или большая сложность получения количественных показателей и восприятия быстропротекающих процессов. Так, в начале XVII в. В. Гарвей после наблюдений за работой сердца у мелких животных писал: «Скорость сердечного движения не позволяет различать, как происходит систола и диастола, и поэтому нельзя узнать, в какой момент и в которой части совершается расширение и сжатие».
Большие возможности, чем простое наблюдение, в изучении физиологических процессов даст постановка опытов. При выполнении физиологического опыта исследователь искусственно создаст условия для выявления сущности и закономерностей течения физиологических процессов. К живому объекту могут применяться дозированные физические и химические воздействия, введение различных веществ в кровь или органы и регистрация ответной реакции на воздействия.
Опыты в физиологии подразделяют на острые и хронические. Воздействия на экспериментальных животных в острых опытах могут быть несовместимы с сохранением жизни животных, например действие больших доз облучения, токсических веществ, кровопотери, искусственная остановка сердца, остановка кровотока. У животных могут удаляться отдельные органы для изучения их физиологических функций или возможности пересадки другим животным. Для сохранения жизнеспособности удаленные (изолированные) органы помещают в охлажденные солевые растворы, близкие но составу или хотя бы по содержанию важнейших минеральных веществ в плазме крови. Такие растворы называют физиологическими. Среди простейших физиологических растворов — изотопический 0,9% раствор NaCl.
Функциональная проба
Важная роль в получении информации о состоянии и степени нарушения физиологических функций принадлежит так называемым функциональным пробам. Вместо термина «функциональная проба» часто применяется «тест». Выполнение функциональных проб — тестирование. Однако в клинической практике термин «тест» применяется чаще и в несколько более расширеннном смысле, чем «функциональная проба».
Функциональная проба предполагает исследование физиологических показателей в динамике, до и после выполнения определенных воздействий на организм или произвольных действий испытуемого. Наиболее часто используются функциональные пробы с дозированной физической нагрузкой. Выполняются также пробы входными воздействиями, в которых выявляются изменения положения тела в пространстве, натужи- вание, изменение газового состава вдыхаемого воздуха, введение медикаментозных препаратов, прогревание, охлаждение, питье определенной дозы щелочного раствора и многие другие показатели.
К числу наиболее важных требований, предъявляемых к функциональным пробам, относятся надежность и валидность.
Надежность — возможность выполнения теста с удовлетворительной точностью специалистом средней квалификации. Высокая надежность присуща достаточно простым тестам, на выполнение которых мало влияет окружающая среда. Наиболее надежные тесты, отражающие состояние или величину резервов физиологической функции, признают эталонными, стандартными или референтными.
Понятие валидность отражает соответствие теста или метода своему назначению. Если вводится новый тест, то его валидность оценивается путем сопоставления результатов, получаемых с помощью этого теста, с результатами ранее признанных, референтных тестов. Если нововведенный тест позволяет в большем числе случаев найти правильные ответы на поставленные при тестировании вопросы, то этот тест обладает высокой валидностью.
Применение функциональных проб резко увеличивает диагностические возможности лишь в случае корректного выполнения этих проб. Их адекватный подбор, выполнение и трактовка требуют от медицинских работников обширных теоретических знаний и достаточного опыта выполнения практических работ.
Тема 1. ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ. 1.1. Физиология – наука о жизнедеятельности организма как единого целого
1.1. Физиология – наука о жизнедеятельности организма как единого целого
Основные вопросы: Организм и среда обитания. Поняте о физиологии. Физиологическая функция и ее мультипараметрическая характеристика. Гомеостаз, релаксоконстанты и их виды. Методы исследования в физиологии. Острый и хронический эксперименты. Аналитический и системный подходы к изучению физиологических функций. Теория функциональных систем по П.К. Анохину.
Биологической средой обитания называют совокупность природных условий, необходимых для нормального существования живых тел.
Различают внешнюю и внутреннюю биологические среды. Внешняя среда – это комплекс природных факторов, находящихся вне организма, но необходимых для поддержания его жизнедеятельности.
Совокупность биологических жидкостей, омывающих клетки организма, составляют внутреннюю среду организма. Жидкости внутренней среды организма – кровь, лимфа, межклеточная жидкость и другие, являются внешней средой для его клеток.
Живая клетка является элементарной структурно-функциональной единицей организма. Объединение клеток, обеспечивающих выполнение определенной специфической задачи, привело в процессе эволюции к образованию живых тканей – покровной (эпителиальной), жировой, костной, соединительной, железистой, мышечной и нервной. Живые ткани составляют органы – сердце, легкие, печень, почки и другие, которые обеспечивают выполнение сложных дифференцированных функций, направленных на поддержание жизнедеятельности организма.
Выделяют три основных задачи физиологии:
1) изучение объективных закономерностей протекания физиологических функций (что происходит?),
2) выяснение механизмов реализации физиологических функций (каким образом?),
3) выявление целевого назначения физиологических функций (зачем?).
1) интенсивность физиологической функции,
4) коэффициент полезного действия (КПД),
5) временные характеристики,
1) ультрадианные, с периодичностью от долей секунды до 20 часов,
2) циркадианные (околосуточные) – от 20 до 28 часов,
3) инфрадианные, к которым относят недельные, месячные, сезонные и годовые биоритмы.
Параметры физиологической функции могут изменяться под влиянием регулирующих механизмов. Под биологической регуляцией понимают такое управляемое изменение физиологической функции, которое направлено на обеспечение определенной деятельности живой системы или ее устойчивости к действию возмущающих факторов.
Несмотря на то, что организм постоянно обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией, любое живое существо способно поддерживать неизменность и стабильность своих внутренних жизненно важных параметров. Относительное постоянство внутренней среды организма и стабильность его физиологических функций называют гомеостазом.
Организм является открытой термодинамической системой, которая постоянно обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Поэтому, физиологические показатели не могут быть абсолютно стабильными. Константы, которые изменяются в границах, обеспечивающих биологический оптимум жизнедеятельности и нормальное протекание метаболизма, называются релаксоконстантами.
Для поддержания гомеостаза организм должен:
1) потреблять и расщеплять пищу до питательных веществ, удовлетворяющих энергетические и пластические потребности клеток, тканей и органов,
2) поглощать кислород для окисления питательных веществ, которые являются источником энергии живой системы,
3) выделять в окружающую среду ненужные и вредные продукты обмена веществ,
4) обладать способностью передвигаться, чтобы захватывать пищу, спасаться от врагов.
Если показатели гомеостаза выходят за пределы нормальных диапазонов, определяющих оптимальное протекание метаболизма, то это приводит к нарушению физиологических функций, развитию болезни и гибели.
Для изучения показателей внутренней среды организма и его физиологических функций используют клинические методы исследования и эксперименты. Клинические исследования проводится на человеке, а эксперименты выполняются на животных.
На ранних этапах развития физиологии особо популярны были хирургические экспериментальные методики: экстирпация – удаление части или всего органа и трансплантация – пересадка изучаемого органа в том же организме на новое место или перенос его в другой организм с последующим наблюдением и регистрацией того, какими последствиями сопровождаются такие вмешательства.
С целью изучения деятельности органов, недоступных непосредственному наблюдению, используют фистульныйметод. Он заключается в оперативном создании сообщения внутреннего органа с внешней средой. Разновидностью этой методики может быть катетеризация – введение специальных синтетических трубок в протоки желез или в кровеносные сосуды.
Для того чтобы установить зависимость функции органа от влияния нервной системы, используют методику денервации. С этой целью перерезают нервные волокна, иннервирующие орган.
В физиологии различают два вида экспериментов, которые связаны с необходимостью выполнять хирургическое вмешательство: острый (вивисекция) и хронический.
Острый эксперимент характеризуется:
1) отсутствием необходимости соблюдения стерильности в процессе вивисекции,
2) проведением исследования во время или сразу после операции,
Острый эксперимент представляет собой достаточно грубое вторжение исследователя в организм. Это необходимо для первоначального накопления данных о функциях органов, тканей и клеток тела. Метод острого эксперимента является методологической основой аналитическогоподхода к изучению функций. Этот подход характеризуется тем, что объектом исследования являются функции отдельных клеток, тканей и органов без учета их взаимосвязи друг с другом и с окружающей средой.
Хронический эксперимент характеризуется:
1) необходимостью соблюдения стерильности во время подготовительной хирургической операции,
2) проведением исследования только после выздоровления животного,
3) многократным изучением физиологических функций органа или организма в целом в условиях максимально приближенных к естественным.
Метод хронического эксперимента является основой системного подхода к исследованию функций организма. Системный методологический подход характеризуется изучением физиологической функции во взаимосвязи с функциональным состоянием организма, как единого целого и с учетом его взаимодействия с внешней средой.
Основоположником системного подхода является русский физиолог, лауреат Нобелевской премии И.П. Павлов. В начале 20-го века он предложил метод физиологической хирургии, позволяющий изучать физиологические функции в условиях естественного поведения, и впервые выдвинул представления о системном характере деятельности организма.
Совокупность органов, выполняющих единую функцию, составляет анатомические системы. У человека имеется девять анатомических систем:
1) опорно-двигательная, образующая остов тела, обеспечивающая движение его частей относительно друг друга и перемещение организма в пространстве;
2) сердечно-сосудистая, обеспечивающая перемещение крови и лимфы по сосудам;
3) дыхательная, необходимая для доставки к тканям кислорода и выведение из организма углекислого газа;
4) пищеварительная, предназначенная для переработки пищи и транспорта образовавшихся питательных веществ в кровь или лимфу;
5) выделительная, обеспечивающая удаление вредных и ненужных для организма продуктов обмена веществ;
6) эндокринная, продуцирующая биологически активные вещества – гормоны, участвующие в регуляции физиологических функций организма;
7) половая, которая выполняет функцию размножения;
8) сенсорная, участвующая в восприятии сигналов из внешнего мира и внутренней среды организма;
9) нервная, объединяющая и регулирующая деятельность всех органов, обеспечивающая взаимодействие организма с внешней средой.
Временное объединение органов, тканей и клеток, связанных единой задачей, которая направлена на получение определенного, полезного для организма результата жизнедеятельности, называют функциональной системой.
Функциональная система (по П.К. Анохину)- это сложный динамический, саморегулирующийся и самообразующийся комплекс, состоящий из центральных и периферических элементов, которые взаимосодействуют друг другу в процессе достижения полезного для организма приспособительного результата, обеспечивающего нормальный метаболизм.
Функциональная система состоит из пяти основных элементов:
1) полезный приспособительный результат (ППР),
