Что понимается под функциональной системой
ТЕОРИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ И ЕЁ РОЛЬ В СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИОЛОГИИ.
ЛЕКЦИЯ 1.
1. Понятие функциональной системы. Общая архитектоника функциональных систем.
2. Истоки теории функциональных систем. Роль работ Р. Декарта, И.М. Сеченова, И.П. Павлова, Л. фон Берталанфи.
3. Вклад П.К. Анохина в развитие функциональных систем живого организма.
4. Виды функциональных систем.
5. Общие свойства функциональных систем.
6. Системогенез (пренатальный, постнатальный, возрастной). Возрастная периодизация человека.
1.Функциональные системы (ФС) представляют собой динамически складывающийся саморегулирующийся комплекс центральных и периферических образований, обеспечивающий достижение полезных приспособительных результатов.
Функциональные системы имеют отличную от рефлекторной дуги циклическую динамическую организацию, вся деятельность составляющих компонентов которой направлена на обеспечение различных приспособительных результатов, полезных для организма и для его взаимодействия с окружающей средой и себе подобными
Результат действия любой ФС представляет собой жизненно важный адаптивный показатель, необходимый для нормального функционирования организма в биологическом и социальном плане. Отсюда вытекает системообразующая роль результата действия. Именно для достижения определенного адаптивного результата складываются ФС, сложность организации которых определяется характером этого результата.
Многообразие полезных для организма приспособительных результатов может быть сведено к нескольким группам:
1) метаболические результаты, являющиеся следствием обменных процессов на молекулярном (биохимическом) уровне, создающими необходимые для жизнедеятельности субстраты или конечные продукты;
2) гомеопатические результаты, представляющие собой ведущие показатели жидких сред организма: крови, лимфы, интерстициальной жидкости (осмотическое давление, рН, содержание питательных веществ, кислорода, гормонов и т. д.), обеспечивающие различные стороны нормального обмена веществ;
3) результаты поведенческой деятельности животных и человека, удовлетворяющие основные метаболические, биологические потребности: пищевые, питьевые, половые и др.;
4) результаты социальной деятельности человека, удовлетворяющие социальные (создание общественного продукта труда, охрана окружающей среды, защита отечества, обустройство быта) и духовные (приобретение знаний, творчество) потребности.
В состав каждой ФС включаются различные органы и ткани. Объединение последних в ФС осуществляется результатом, ради достижения которого создается ФС. Этот принцип организации ФС получил название принципа избирательной мобилизации деятельности органов и тканей в целостную систему. Например, для обеспечения оптимального для метаболизма газового состава крови происходит избирательная мобилизация в ФС дыхания деятельности легких, сердца, сосудов, почек, кроветворных органов, крови.
Включение отдельных органов и тканей в ФС осуществляется по принципу взаимодействия, который предусматривает активное участие каждого элемента системы в достижении полезного приспособительного результата.
Для достижения результатов различного уровня формируются и разноуровневые ФС. Они постоянно формируются метаболическими процессами. Кроме того, функциональные системы организма могут складываться под влиянием специальных факторов окружающей организм среды. У человека это в первую очередь факторы социальной среды. Механизмы памяти также могут быть причиной формирования функциональных систем, особенно поведенческого и психического уровней.
ФС любого уровня организации имеет принципиально однотипную структуру, которая включает в себя 5 основных компонентов:
1) полезный приспособительный результат;
2) акцепторы результата (аппараты контроля);
3) обратную афферентацию, поставляющую информацию от рецепторов в центральное звено ФС;
Центральная архитектоника функциональной системы имеет три важнейшие составные части:
1. Афферентный синтез(в него входит— мотивация, память, пусковой и обстановочный раздражители).
2. На основании афферентного синтеза мозгом вырабатывается решениние формируется аппарат действияи программа действия/эфферентный синтез/.
3. Параллельно формируется аппарат прогноза. Аппарат действия формирует результат действия.
Полезный приспособительный результат является системообразующим фактором, т.е. он образует из этих отдельных элементов систему. Им может быть:
1. Показатель внутренней среды. 2. Результат поведенческой деятельности, удовлетворяющий основные биологические потребности организма. 3. Результат стадной деятельности животных, удовлетворяющий потребности сообществ. 4. Результат социальной деятельности человека.
Он всегда направлен на удовлетворение той потребности, которая породила эту реакцию.С помощью обратной афферентациимозг сравнивает свой прогноз с тем, что реально получилось.
2. Впервые понятие о рефлексе как ответной реакции (отражении) на раздражения органов чувств было сформулировано французским ученымРене Декартом(XVII в.).
Это представление было развито чешским физиологомИ.Прохаской(XVIII в.) и другими исследователями. Дальнейшее углубление учения о рефлекторной деятельности ЦНС связано с именами отечественных физиологов И.М.Сеченова и И.П.Павлова. В книге «Рефлексы головного мозга»И.М.Сеченовпоказал, что рефлексы являются не только реакциями отдельных органов, а представляют собой целостные акты, определяющие поведение.
Общая теория систем была предложена Л. фон Берталанфи в 1930-е годы. Идея наличия общих закономерностей при взаимодействии большого, но не бесконечного числа физических, биологических и социальных объектов была впервые высказана Берталанфи в 1937 году на семинаре по философии в Чикагском университете. Однако первые его публикации на эту тему появились только после Второй мировой войны. Основной идеей Общей теории систем, предложенной Берталанфи, является признание изоморфизма законов, управляющих функционированием системных объектов.
П.К. Анохин предложил модель организации и регуляции поведенческого акта, в которой есть место для всех основных психических процессов и состояний. Она получила название модели функциональной системы.
3. Термин «функциональные системы», теория и модель функциональных систем были введен в 1935 году советским физиологом Петром Кузьмичом Анохиным.
Предпосылкой создания ТФС являются полученные экспериментальным путем физиологические факты (такие как, например соединение нервных стволов), благодаря которым было выявлено подчинение отдельных систем (функций) целостному поведению. Дальнейшие исследования позволили Анохину обнаружить интеграцию физиологических процессов в единое целое.
Теория функциональных систем, таким образом, радикально изменяет сложившиеся представления о строении организма человека и его функциях. Взамен представлений о человеке как наборе органов, связанных нервной и гуморальной регуляцией, данная теория рассматривает организм человека как совокупность множества взаимодействующих функциональных систем различного уровня организации, каждая из которых, избирательно объединяя различные органы и ткани, так же как и предметы окружающей действительности, обеспечивает достижение полезных для организма приспособительных результатов, обусловливающих в конечном счете устойчивость метаболических процессов.
С этих же позиций адаптация человека определяется как способность его функциональных систем обеспечивать достижение значимых результатов.
Таким образом, функциональная система, по мнению ученого, была динамической саморегулирующейся организацией, все составные элементы которой взаимодействуют для получения организмом полезного приспособительного результата. Этот «приспособительный результат» является показателем адаптации, необходимым для нормального функционирования организма.
4. Существуют функциональные системы двух типов.
Функциональная система первого типа – это функциональная система, которая обеспечивает постоянство параметров внутренней среды за счет системы саморегуляции. Функциональная система рассматриваемого типа компенсирует возникающие колебания кровяного давления, температуры тела и др. параметров.
Функциональная система второго типа – это такая система, которая использует внешнее звено саморегуляции, обеспечивает адаптивный эффект через связь с внешним миром за пределами организма и изменение поведения.
Функциональные системы имеют различную специализацию, отвечают за дыхание, движение, питание и т.д. Они так же могут принадлежать к разным уровням иерархии и быть разной степени сложности.
Теория функциональных систем(Анохин П. К., Судаков К. В.) выделяет четыре типа систем: морфофункциональные, гомеостатические, нейродинамические, психофизиологические.
Морфофункциональные системы связаны с деятельностью определенных функций. К ним относятся опорно-двигательный аппарат, сердечно-сосудистая, дыхательная, эндокринная, нервная системы, клетки, органоиды, молекулы. Словом, все, что выполняет какую-либо функцию.
Гомеостатические функциональные системывключают подкорковые образования, вегетативную нервную и другие системы организма. Основная роль этой системы заключается в поддержании постоянства внутренней среды организма. Гомеостатические системы тесно взаимодействуют с морфофункциональными, которые вписываются в них отдельными элементами.
Нейродинамические системыв качестве ведущего структурного элемента имеют кору головного мозга, а именно первую сигнальную систему. В рамках этой системы формируется аппарат эмоций как механизм оптимизации функций организма и поведения в условиях взаимодействия организма и окружающей среды. Развитие коры резко расширило адаптивные возможности организма, подчиняя себе вегетативные функции. Нейродинамические системы включают в себя элементы гомеостатической и морфофункциональной систем.
Психофизиологические функциональные системы, как и нейродинамические, ведущим структурным элементом имеют кору головного мозга, однако те ее отделы, которые связаны со второй сигнальной системой. Вторая сигнальная система усовершенствовала механизмы адаптивного поведения за счет формирования социальных форм адаптации. Психофизиологические функциональные системы реализуют свою деятельность через вегетативную нервную систему и посредством эмоций, морфологической основой которых являются подкорковые образования (лимбическая система, таламус, гипоталамус и другие). Они включают в себя элементы структурной архитектоники нейродинамических, гомеостатических и морфофункциональных систем.
Компенсация может осуществляться одной системой, по отношению к которой данный фактор наиболее специфичен. Если возможности специфической системы оказываются ограниченными, подключаются другие системы.
Одни функциональные системы генетически детерминированы, другие складываются в индивидуальной жизни в процессе взаимодействия организма с разнообразными факторами внутренней и внешней среды, т. е. на основе обучения. Естественно, что наиболее сложные и совершенные функциональные системы имеются у людей, как наиболее совершенных живых существ. Понять их взаимодействия можно с учетом представлений о структурных уровнях организации биосистем.
5. Ведущим свойством функциональной системы любого уровня организации является принцип саморегуляции.
Саморегуляция — функциональная система обеспечивает поддержание на постоянном уровне различных параметров без вмешательства из вне. Все функциональные системы работают по принципу опережения. При отклонении от нормы величины импульсы поступают в центральное звено, и там формируется эталон будущего результата. Затем начинает работать 2-е звено. Как только полученный результат будет соответствовать эталону, то функциональная система распадается.a
В саморегуляции проявляются торсионные свойства функциональных систем, идентичные процессам, происходящим на атомном уровне. Известно, что торсионный механизм обусловлен вращательными моментами спинов взаимодействующих атомных частиц. Рождаясь под влиянием информации, спин направлен в одну сторону и его крутящий момент имеет одно направление. В следующий момент спин под влиянием информации направлен в другую сторону и его крутящий момент имеет другое направление.
В функциональных системах организма отклонение результата деятельности функциональной системы от уровня, определяющего нормальную жизнедеятельность, заставляет все элементы функциональной системы работать в сторону его возвращения к оптимальному уровню. Интенсивность процессов саморегуляции функциональных систем определяет ритмы временных изменений различных функций организма. Причем каждая функциональная система имеет свой индивидуальный специфический ритм деятельности, тесно увязанный с ритмами деятельности других взаимосвязанных с ней функциональных систем.
Объединяемые в функциональные системы элементы не просто взаимодействуют, авзаимосодействуютдостижению системой ее полезного приспособительного результата. Их тесное взаимодействие проявляется прежде всего в корреляционных отношениях ритмов их деятельности.
Функциональным системам разного уровня организации присуще свойствоизоморфизма. Все функциональные системы имеют принципиально одинаковую архитектонику, включающую на основе саморегуляторных взаимодействий результат, обратную афферентацию от результата, центр и исполнительные элементы. Центральная архитектоника функциональных систем включает стадии афферентного синтеза, принятия решения, акцептор результата действия, эфферентный синтез, действие и постоянную оценку достигнутых результатов с помощью обратной афферентации.
6. Из учения П. К. Анохина о функциональных системах вытекает одна из ведущих закономерностей роста и развития организма – СИС-ТЕМОГЕНЕЗ.
Последний очень наглядно прослеживается на ранних этапах развития ребёнка: новорожденный не способен к какому-либо активному физическому действию, кроме осуществления врождённых рефлексов. На определённом этапе ребёнок повернётся на бочок, когда достаточного развития достигнет функциональная система, обеспечивающая этот акт (соответствующее развитие костно-связочно-мышечного аппарата, механизма ориентации в пространстве и т. п.). Так же, далее, он, в своё время, сядет, пойдёт, побежит, когда определённой степени развития достигнут функциональные системы, обеспечивающие эти акты. Таким образом,СИСТЕМОГЕНЕЗ – это избирательное и ускоренное развитие анатомо-физиологических образований (функциональных систем), обеспечивающих человеку выживание, функционирование на каждом отдельном этапе развития. Функциональные системы созревают неравномерно, включаются поэтапно, сменяются, обеспечивая организму приспособление в различные периоды онтогенетического развития.
Теория основывается на экспериментальных исследованиях, показавших, что в раннем онтогенезе отдельные элементы органа созревают постепенно и неравномерно и, объединяясь с наиболее рано созревающими элементами другого органа, принимающего участие в реализации данной функции, создают функциональную систему. Разные функциональные системы в зависимости от их значимости в обеспечении адаптивного существования и развития организма созревают в разные сроки постнатальной жизни. Это обеспечивает высокий приспособительный эффект развития организма на каждом этапе онтогенеза, отражая надежность функционирования биологических систем.
Возрастная периодизация в медицинеопирается на соответствующие возрасту анатомические и физиологические особенности организма. Для периодизации детского возраста учитывается степень приспособленности к условиям окружающей среды, с которыми связана специфика ухода и воспитания ребенка. Условные периоды биологического возраста:
О функциональных системах
В состав функциональной системы включаются различные органы и системы, каждый из которых принимает активное участие в достижении полезного результата.
Функциональная система, включает в себя пять основных компонентов:
• Полезный приспособительный результат – то, ради чего создается функциональная система;
• Аппарат контроля (акцептор результата) – группу нервных клеток, в которых формируется модель будущего результата;
• Обратную афферентацию (поставляет информацию от рецептора в центральное звено функциональной системы) – вторичные афферентные нервные импульсы, которые идут в акцептор результата действия для оценки конечного результата;
• Аппарат управления (центральное звено) – функциональное объединение нервных центров с эндокринной системой;
• Исполнительные компоненты (аппарат реакции) – это органы и физиологические системы организма (вегетативная, эндокринные, соматические).
Состоит из четырех компонентов:
а) внутренних органов;
б) желез внутренней секреции;
в) скелетных мышц;
г) поведенческих реакций.
Свойства функциональной системы:
• Динамичность.
В функциональную систему могут включаться дополнительные органы и системы, что зависит от сложности сложившейся ситуации;
• Способность к саморегуляции.
При отклонении регулируемой величины или конечного полезного результата от оптимальной величины происходит ряд реакций самопроизвольного комплекса, что возвращает показатели на оптимальный уровень.
Саморегуляция осуществляется при наличии обратной связи. В организме работает одновременно несколько функциональных систем. Они находятся в непрерывном взаимодействии, которое подчиняется определенным принципам:
• Принципу системы генеза.
Происходят избирательное созревание и эволюция функциональных систем (функциональные системы кровообращения, дыхания, питания, созревают и развиваются раньше других);
• Принципу многосвязного взаимодействия.
Происходит обобщение деятельности различных функциональных систем, направленное на достижение многокомпонентного результата (параметры гомеостаза);
• Принципу иерархии.
Функциональные системы выстраиваются в определенный ряд в соответствии со своей значимостью (функциональная система целостности ткани, функциональная система питания, функциональная система воспроизведения и т.д.);
• Принципу последовательного динамического взаимодействия.
Осуществляется четкая последовательность смены деятельности одной функциональной системы другой.
Картинка кликабельна
Понятие о функциональной системе
В настоящее время наиболее совершенная модель структуры поведения изложена в концепции функциональной системы П.К. Анохина.
Функциональная система — это единица интегративной деятельности целого организма, осуществляющая избирательное вовлечение и объединение структур и процессов на выполнение какого-либо конкретного акта поведения или функции организма.
Функциональная система имеет разветвленный морфофизиологический аппарат, обеспечивающий за счет присущих ей закономерностей эффект гомеостаза. Выделяют два чипа функциональных систем. Функциональные системы первого чипа обеспечивают само регуляцию функционирования систем организма, направленных на возможность его существования в данных условиях среды. Функциональные системы второго типа обеспечивают приспособительный эффект через изменение поведения. Именно этот тип функциональных систем лежит в основе различных поведенческих актов.
Согласно П.К. Анохину, функциональная система второго типа состоит
из следующих стадий:
• стадия принятия решения;
• стадия акцепторов результата действия;
• эфферентный синтез (программа действия);
• оценка достигнутого результата.
Афферентный синтез представляет собой объединение всей сенсорной информации, поступающей в мозг. Его содержание определяется мотивационным возбуждением, памятью, обстановочной и пусковой афферентациями. Любая информация, поступающая информация соотносится с доминирующим в настоящее время мотивационным возбуждением. Пусковая афферентация определяет то возбуждение, которое будет формироваться в сенсорной системе под влиянием внешнего биологически значимого раздражителя. Распределение раздражителей во времени и пространстве определяет обстановочную афферентацию (при изменении последовательности действий (обстановки) условный рефлекс может не проявляться). Функциональная роль пусковых и обстановочных афферентаций обусловлена прошлым опытом животного, хранящегося в виде памяти. На основе взаимодействия мотивационного, обстановочного возбуждения и памяти формируется так называемая интеграция или готовность к определенному поведению. Чтобы она трансформировалась в определенное целенаправленное поведение требуется воздействие со стороны пусковых раздражителей (пусковая афферентация). Внешним проявлением афферентного синтеза, обусловленного влияниями лимбической системы и ретикулярной формации на кору, является активизация ориентировочно-исследовательского поведения.
Завершение этой стадии сопровождается переходом в стадию принятия решения, которая определяет тип и направленность поведения, этот этап реализуется через формирование аппарата акцепторов результата действия, программирующий результаты будущих событий.
Эфферентный синтез или стадия программа действия осуществляет интеграцию соматических и вегетативных возбуждений в целостный поведенческий акт. Эта стадия характеризуется тем, что действие уже сформировано как нервный процесс, но внешне оно еще не реализуется.
На основании этой программы происходит конкретное действие, результаты которого благодаря наличию обратной афферентации сопоставляются с акцептором результатов действия. В случае достижения желаемого результата действие прекращается, в противном случае в программу поведения вносятся соответствующие корректировки.
Любое движение, совершаемое организмом, находится под четким контролем нервной системы. Еще в XIX веке Ч. Белл доказал, что между мозгом и мышцей имеется нервный круг: один нерв приносит информацию от мозга к мышце, а другой передаст ощущения состояния мышц к мозгу. Такое взаимодействие нервных и мышечных структур обеспечивается благодаря наличию проприорецепторов (Ч. Шеррингтон).
Изучая данное явление П.К. Анохин для объяснения процессов координации деятельности мышц применил понятие «обратная связь», или «обратная афферентация». Суть данного явления сводится к тому, что в механизме координации двигательных реакций афферентная информация обеспечивает форму и состав эфферентного проявления центральной интеграции.
Долгое время основные представления о механизмах двигательного управления строились на положениях концепции кольцевого управления (принцип рефлекторного кольца). Согласно Н.А. Бернштейну, изменения в мышце, возникающие при движении, возбуждают чувствительные окончания проприорецепторов, а образующиеся при этом сигналы, достигая нервных центров, вносят изменения в эффекторный поток, то есть в физиологическое состояние мышцы.
В настоящее время установлено, что принцип рефлекторного кольца не соблюдается при возникновении быстрых действий, когда не остается времени для сопоставления результата с текущими установками. В данных ситуация главная роль в управлении движением отводится так называемым центральным моторным программам. Такие выводы основываются на работах Ч. Шеррипггона, который установил, что сигналы, идущие от разных областей головного мозга, сходятся к одним и тем же мотонейронам спинного мозга. Шеррингтон охарактеризовал эти нервные клетки как «общий конечный путь», связывающий центры головного мозга с деятельностью мышц. Низшие центры локомоций (движений) у человека располагаются в спинном мозге и их деятельность проявляется у новорожденного. В дальнейшем деятельность этих структур подавляется работой выше лежащих отделов мозга. Программы цепных двигательных актов широко представлены в различных структурах мозга. Так, например, глотательные, дыхательные и другие движения управляются врожденными моторными программами, информация о которых располагается в соответствующих подкорковых структурах. Программы приобретенных двигательных актов располагаются в выше лежащих отделах мозга (кора больших полушарий). При определенном опыте человека эти движения выполняются автоматически и обратная афферентация перестает играть существенную роль в их управлении. Необходимость в ней возникает только в случае изменения навыка.
Для многих видов движения управление может осуществляться одновременно двумя механизмами при разном их соотношении для движений, различающихся сложностью и уровнем организации. При этом обратная афферентация сопоставляется с программой движений и служит уточнению координат цели и траектории движения.
Нейроны движения.В теменной и лобной областях коры больших полушарий обнаружены три типа нейронов, участвующих в процессе осуществления условно-рефлекторного двигательного акта.
Нейроны второй группы сохраняют полученную информацию в течение непродолжительного времени, то есть относятся к структурам, обеспечивающим кратковременную память.
В формировании центральных двигательных программ и их хранении принимают участие и подкорковые структуры: мозжечок и стриопаллидарная система.
Мозжечок обучается различным программам поведения, затем сохраняя их. В нем хранятся программы сложных и автоматически выполняемых двигательных актов, которые сформировались при жизни человека. Помимо этого мозжечок в ответ на команду к действию осуществляет перспективное планирование движений за счет выбора типа моторной программы и обеспечивает ближайшее планирование, постоянно корректируя движение, за счет информации, непрерывно поступающей от сенсоров. Кроме этого мозжечок является центром координации различных двигательных реакций, органом равновесия и регуляции мышечного тонуса.
Структуры стриопаллидарной системы, в частности базальные ганглии, являются местом хранения программ врожденных двигательных актов и двигательных автоматизмов.