Взаимодействие ритмов авторегуляции физиологических

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по учебнометодической работе
________________ Е.Г. Елина
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Взаимодействие ритмов авторегуляции физиологических процессов
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Взаимодействие ритмов авторегуляции
физиологических процессов» является ознакомление с современными
представлениями о взаимосвязи физиологических процессов и освоение
современных методов анализа физиологических ритмов, что соответствует
основным целям магистратуры в части
получения углубленного
профессионального образования, позволяющего выпускнику успешно
работать в избранной сфере деятельности в РФ и за рубежом, обладать
универсальными и предметно-специализированными компетенциями,
способствующими его социальной мобильности, востребованности на рынке
труда и успешной карьере.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Дисциплина «Взаимодействие ритмов авторегуляции физиологических
процессов» относится к дисциплинам по выбору общенаучного цикла, курс
(М1В1) читается во 2 семестре. Форма итоговой аттестации — экзамен.
Изучаемый в рамках дисциплины теоретической материал
дает
обучаемому
знания
по
механизмам
взаимодействия
основных
физиологических ритмов и их характеристикам. Он основан, с одной
стороны, на дисциплинах бакалавриата, дающих базовые знания по
физиологии клетки и организма, а с другой — на материале курсов по
математическому моделированию. Преподаваемый материал логически
взаимосвязан как с дисциплинами бакалавриата «Основы физиологии
человека и животных» (Б3В2),
«Основы биологии клетки» (Б3В4),
«Физическая химия биосистем» (Б3В5), так и с дисциплинами магистратуры
«Математическое регулирование процессов авторегуляции в организме»
(М2В1.1), «Методы регистрации электрической активности организма»
(М2В1.2).
Для успешного освоения данной дисциплины обучаемый должен
владеть математическими знаниями в объеме соответствующих разделов
дисциплин математического и естественнонаучного цикла (Б2) бакалавриата,
а также
знаниями в области вышеперечисленных курсов по физиологии
клетки и организма.
Полученные в результате освоения данной дисциплины знания и
навыки могут быть непосредственно использованы обучаемым при
выполнении аттестационной работы бакалавра и в последующей
профессиональной деятельности.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Взаимодействие ритмов авторегуляции физиологических
процессов»
В процессе освоения обучаемым дисциплины «Взаимодействие ритмов
авторегуляции физиологических процессов» достигается освоение
общекультурных (ОК) и профессиональных (ПК) компетенций,
характеризуемых:
 способностью демонстрировать углубленные знания в области
математики и естественных наук (ОК-1);
 способностью адаптироваться к изменению научного и научнопроизводственного профиля своей профессиональной деятельности,
к изменению социокультурных и социальных условий деятельности
(ОК-7);
 способностью использовать знания современных проблем физики,
новейших достижений физики в своей научно-исследовательской
деятельности (ПК-2).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать механизмы формирования и характеристики основных
физиологических ритмов организма: кардиоритм, ритм дыхания, ритмы
регуляции артериального давления, ритмы локальной и центральной
регуляции периферического кровотока, ритмы авторегуляции почечного
кровотока.
Уметь использовать методы математического моделирования,
нелинейной динамики и анализа сигналов для диагностики и количественной
характеристики степени взаимовлияния физиологических ритмов.
Владеть основами теории синхронизации применительно к динамике
живых систем, практическими навыками анализа экспериментальных данных
с целью выявления и количественной оценки степени взаимосвязанности
физиологических ритмов.
4. Структура и содержание дисциплины «Взаимодействие ритмов
авторегуляции физиологических процессов»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы, включая
16 часов лекций, 16 часов лабораторных работ и 4 часа на самостоятельную
работу.
4.1. Структура дисциплины
№
Раздел дисциплины
п/п
Формы
текущего
Виды учебной работы,
контроля
включая
Неделя
успеваемости (по
Семестр
самостоятельную
семестра
неделям
работу студентов и
семестра)
трудоемкость (в часах)
Формы
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
1
2
3
4
5
Введение
Основные ритмы
процессов
авторегуляции в
организме
Основы
теории
синхронизации.
Методы диагностики
синхронизации
по
временным рядам.
Синхронизация
физиологических
ритмов в моделях и
экспериментах.
ВСЕГО
2
2
1
Л(1) Лаб(1)
2, 3, 4, Л(5) Лаб(5)
5, 6
2
7, 8 Л(2) Лаб(2)
2
9, 10 Л(2) Лаб(2)
2
11, 12, Л(6) Лаб(2) СР(4)
13, 14,
15, 16
Л(16) Лаб(16) СР(4)
Экзамен
4.2. Содержание дисциплины
Раздел 1.
Введение. Основные понятия. Постановка задачи выделения и исследования
характеристик физиологического ритма. Проблема конечного времени
наблюдения и нестационарности данных.
Раздел 2. Основные ритмы процессов авторегуляции организма. Кардиоритм
и его вариабельность. Дыхательный ритм и его влияние на сосуды. Ритм
барорецептивной регуляции. Локальные ритмы регуляции тонуса сосудов.
Быстрые ритмы пульсовой волны.
Раздел 3. Основы теории синхронизации. Определение и критерии явления
синхронизации. Универсальность проявлений синхронизации в системах
различной
природы.
Математическое
описание
динамики
взаимодействующих автоколебательных систем в терминах фазового
пространства. Резонансный и эргодический тор. Два механизма
синхронизации периодических колебаний: через захват частот и фаз и через
подавление
собственной
динамики.
Синхронизация
хаотических
автоколебаний. Синхронизация автоколебаний в присутствии шума.
Раздел 4. Методы диагностики синхронизации по временным рядам.
Идеализированный случай периодических и
стационарных сигналов.
Фигуры Лиссажу, стробоскопическое сечение. Оценка частотного и
фазового состава стационарных колебаний сложной формы. Выявление
наличия и направленности взаимодействия процессов. Подходы к
обнаружению синхронизации по
процессов.
временным рядам нестационарных
Раздел 5. Синхронизация физиологических ритмов в моделях и
экспериментах.
Синхронизация электрической активности нейронов и
клеток гладкой мускулатуры. Самоорганизация паттернов активности в
кластерах бета-клеток панкреатической железы. Неавтономная динамика
гуморальной регуляции на примере инсулина. Локальная синхронизация и
пространственная рассинхронизация в авторегуляции почечного кровотока.
5. Образовательные технологии
В процессе проведения лекционных занятий предусмотрено использованием
мультимедийных средств. Предусматривается чередование «классической»
лекционной подачи материала и интерактивных методик в форме
выполнения демонстрационного вычислительного эксперимента по заданию
преподавателя, но силами обучаемых.
При выполнении лабораторных и(или) практических занятий
предусматриваются технологии, побуждающие обучаемых к нестандартному,
творческому подходу при решении поставленных задач, включая
самостоятельный поиск и привлечение информации и неуказанных
преподавателем источников с оценкой степени ее достоверности, а также к
формированию и отработке командного подхода в решении поставленных
задач.
В ограниченном объеме предусмотрено применение образовательных
технологий, использующих создание
конкурентной среды между
микрогруппами студентов при выполнении лабораторных и вычислительных
заданий сходной тематики.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Виды самостоятельной работы студента:
- изучение теоретического материала по конспектам лекций и
рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной
литературе;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в программе дисциплины, не рассмотренных на лекциях;
- изучение теоретического и технического материала по методическим
руководствам и документации.
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:
- предусмотрена еженедельная сверхкороткая самостоятельная работа
обучающихся по изучению теоретического лекционного материала и
итогам самостоятельной работы; контроль выполнения этой работы
предусмотрен в начале каждого лекционного занятия по данной
дисциплине;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в программе дисциплины и не рассмотренных на лекциях
предусматривается по мере изучения соответствующих разделов, в которых
выделены эти вопросы для самостоятельного изучения; контроль
выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен в рамках
промежуточного контроля по данной дисциплине;
- выполнение и письменное оформление комплекса заданий теоретического
характера, расчетных и графических по основным разделам дисциплины
предусмотрено еженедельно по мере формулировки этих заданий на
лекциях;
предусматривается
письменное
выполнение
этой
самостоятельной работы с текстовым, включая формулы, и графическим
оформлением; контроль выполнения этой самостоятельной работы
предусмотрен при завершении изучения дисциплины по представленному в
печатном виде отчету по этому виду самостоятельной работы;
Список контрольных вопросов по освоению основных понятий и
положений дисциплины
1. Опишите постановку задачи выделения и исследования характеристик
физиологического ритма.
2. Охарактеризуйте проблему конечного времени наблюдения и
нестационарности данных применительно к изучению
физиологических ритмов.
3. Опишите механизм формирования и природу вариабельности
кардиоритма.
4. Опишите механизм формирования дыхательного ритма и
охарактеризуйте его влияние на сосудистую регуляцию.
5. Перечислите основные локальные механизмы регуляции сосудистого
тонуса.
6. Дайте определение и опишите критерии явления синхронизации.
7. Охарактеризуйте два основных механизма синхронизации.
8. Синхронизация автоколебаний в присутствии шума.
9. Опишите методы диагностики синхронизации по временным рядам.
10. Приведите пример синхронизации электрической активности клеток и
объясните соответствующий механизм взаимодействия.
11. Охарактеризуйте природу самоорганизации паттернов активности в
кластерах бета-клеток.
12. Опишите механизмы взаимодействия нефронов и их роль в
авторегуляции почечного кровотока.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Взаимодействие ритмов авторегуляции физиологических процессов»
а) основная литература:
Мюррей Дж. Математическая биология. Введение. Том 1 ISBN
978-5-93972-743-3 РХД 2009 г. 776 стр.
Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б. Биофизическая динамика продукционных
процессов ISBN 5-93972-360-8 ИКИ, 2004 г., 464 стр.
Фундаментальная и клиническая физиология: Учебник для студ. высш.
учебн. заведений / Под ред. А. Г. Камкина и А. А. Каменского. - М.:
Издательский центр «Академия», 2004. - 1072 с.
б) дополнительная литература:
Mathematical Physiology. James Keener, James Sneyd. - Springer-Verlag New York, Inc. 1998.
Физиология человека: В 3-х томах. Пер. с англ./ Под ред. Р.Шмидта и Г.
Тевса.- М.: Мир, 1996.- 323с., ил.
Biological Psychology: Mark R. Rosenzweig, Arnold L. Leiman, S. Marc
Breedlove. Sinauer Associates, Publishers, Sunderland, Massachusetts, 1996.
А.Б. Рубин. Биофизика. В 2-х кн. - М.: Высш.шк., 1987.
А.Б. Рубин. Лекции по биофизике. - М.: Изд-во МГУ, 1994. - 160 с.
Гласс Л., Мэки М. От часов к хаосу: Ритмы жизни: Пер. с англ. - М.: Мир,
1991. - 248 с., ил.
в) Интернет-ресурсы
http://biophys.msu.ru/rus/science/complex_systems/
http://www.library.biophys.msu.ru/LectMB/
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Взаимодействие ритмов авторегуляции физиологических процессов»
Мультимедийный проектор, компьютер преподавателя, доступ в Интернет,
специализированное программное обеспечение для демонстрационных
вычислительных экспериментов.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 011200 Физика и
профилю подготовки Медицинская фотоника.
Автор:
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор
Д.Э. Постнов
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от _14 января 2011___года, протокол № ____1/11_________.
Подписи:
Зав. кафедрой
В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин