Особенности планирования биологических космических экспериментов как многофакторных

Горгиладзе Г.И.
ГНЦ РФ –- ИМБП РАН, г. Москва

Радченко С.Г.
НТУУ «Киевский политехнический институт», г. Киев

Жуков В.М., Кутепова О.А., Попова Е.В.
ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», Звездный городок

Планирование успешно применяется в различных областях исследований и производства. Практика показала, что эффективное планирование эксперимента не менее важно, чем эффективная обработка его результатов. Однако если внимание математиков давно приковано к проблеме математической обработки результатов исследований и в результате созданы стандартные пакеты программ статистической обработки данных, то применение первого раздела математической статистики – планирования эксперимента – еще не получило достаточно широкого распространения в области научных исследований. Тем не менее, эта область математической статистики в настоящее время активно разрабатывается. Современный уровень научных знаний предъявляет более высокие требования к методологии постановки эксперимента, в том числе к его планированию с учетом всех значимых факторов, оказывающих прямое или косвенное воздействие на результаты исследования [1, 2, 3, 4].

В настоящей работе сделана попытка применить методы планирования многофакторных экспериментов к новому биологическому космическому эксперименту «Рецептор» – исследование влияния движения по синусоидальной кривой и оптокинетических стимулов на сигнал импульсной активности рецепторов гравитации у раков в условиях невесомости космического полета с целью выяснения механизмов возникновения так называемой «болезни движения» (или укачивания) у космонавтов. Специфику медико-биологических объектов исследования составляют многофакторность, динамичность, наличие механизмов саморегуляции, обратных связей, адаптации, систематических составляющих типа биоритмов и т. п. Это затрудняет построение их полного описания и даже определения их структуры. Часто такие объекты при планировании приходится представлять моделью «черного ящика» [2]. В нашем случае объектом является отолитовый орган рака – статоцист, состояние которого должно меняться в процессе адаптации рака, находящегося в водном контейнере, к условиям невесомости.

Задача исследования – установление количественной статистической зависимости сигналов импульсной активности статоциста от задаваемых факторов: скорости движения камер с раками по синусоиде с постоянной амплитудой ±4 см и с задаваемой частотой колебаний; оптокинетических стимулов в виде бегущей строки светодиодов в темноте вокруг камеры с раком с задаваемой угловой скоростью движения. Условно были выбраны дополнительные факторы. К ним относятся: высокочастотные, низкочастотные и ультразвуковые колебания. Дополнительные факторы и их уровни введены в целях демонстрации методического подхода. Кроме того, выбранные диапазоны дополнительных факторов могут оказаться небезразличными по отношению к живой материи в качестве средств, снижающих негативное воздействие «укачивания». К контролируемым факторам относится температура. При исследовании биологических объектов рекомендуется использовать планы с числом факторов обычно не более пяти [2]. Оптимальное планирование эксперимента сводится к планированию их как задач оптимального управления на конечном интервале.

Опыты с раками в каждом блоке плана должны проводиться в минимально короткие интервалы времени. Общий срок опыта не должен превышать периода одного месяца.

Разработка плана многофакторного эксперимента позволит определить необходимое число опытов для наземного и космического экспериментов. В прикладных задачах математического моделирования сложных систем число различных опытов N весьма ограничено: N ≤ 32...64 [4].

КЭ «Рецептор» проводится на кубинских раках. Импульсная активность считывается с электродов, вживленных в тело и подведенных к клеткам-рецепторам статоциста (органа равновесия рака). Сигналы проходят через усилитель и записываются на магнитофон. Регистрируемым параметром эффекта является частота, которая может изменяться от 0 до физиологического максимума 300 Гц.

В эксперименте используется прозрачный цилиндрический контейнер, заполненный водой, в котором находится рак. Факторами, создающими риск возникновения «болезни движения», являются:

Ф₁ – колебательные движения контейнера с задаваемой на трех уровнях частотой при одинаковой для этих частот амплитуде равной 4 см (движение с переменным ускорением); уровни: 0,02 Гц, 0,038 Гц, 0,51 Гц.

Ф₂ – световой импульсный сигнал-раздражитель, который перемещается по окружности контейнера с раком с задаваемой на трех уровнях угловой скоростью; уровни: 3°С, 16,5°С, 30°С.

Дополнительные факторы:

Ф₃ – высокочастотное магнитное поле (f =13,56 МГц); уровни магнитной индукции: 10 мТл, 20 мТл, 30 мТл.

Ф₄ – низкочастотное магнитное поле (f =30 кГц); уровни магнитной индукции: 10 мТл, 20 мТл, 30 мТл.

Ф₅ – ультразвуковое поле (f =0,5 МГц); уровни мощности излучения: 1 мкВт, 2 мкВт, 3 мкВт.

В каждой точке факторного плана используется отдельная особь кубинского рака. Продолжительность одного опыта в точке плана составляет 10 мин. Для принятого многофакторного плана математическая модель-гипотеза предлагается в виде:

Ŷ = b₀ + b₁ Ф₁ + b₂ Ф₂ + b₃ Ф₃ + b₄ Ф₄ + b₅ Ф₅ +...

Для пяти факторов на трех уровнях число опытов полного факторного плана эксперимента «Рецептор» будет равно N = 3 = 243, что для космического эксперимента неприемлемо. Дробный факторный план позволяет сократить число опытов до 27 [1, 4]. В докладе план эксперимента представлен в табличной форме.

Показано, что применение дробных планов многофакторных экспериментов позволит повысить эффективность реализации программы НПИ за счет проведения космического эксперимента за время одной экспедиции.

Литература:

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. – М.: «Наука», 1976 – 279 с.
2. Лисенков А.Н. Математические методы планирования многофакторных медико-биологических экспериментов. – М.: «Медицина», 1979. – 344 с.
3. Максимов В.Н. Полиноминальные модели при решении задач экологической физиологии и биохимии. В сб. статей: Математическое планирование эксперимента в биологических исследованиях. Свердловск, УНЦ АН СССР, вып. 97, 1975. – С. 3-17.
4. Радченко С.Г. Устойчивые методы оценивания статистических моделей: монография. Киев, ПП «Санспарель». – 2005. – 504 с.

Ранее опубликовано:

Особенности планирования биологических космических экспериментов как многофокторных / Горгиладзе Г.И., Радченко С.Г., Жуков В.М., Кутепова О.А., Попова Е.В. // Пилотируемые полеты в космос: VIII Международная науч.-практ. конф., 28...29 окт. 2009 г., Звездный городок, Московская обл., Российская Федерация: сб. тезисов. – Звездный городок: ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина», 2009. – С. 147–150.

Дата публикации:

29 декабря 2009 года