В своем исследовании исследователи Техасского университета A&M использовали подход, основанный на моделировании, для точного прогнозирования эффектов измененной гравитации на индивидуальной основе. Их подход исключает необходимость одновременного тестирования сотен параметров для оценки сердечно-сосудистого состояния человека; скорее, он фокусируется на нескольких важных факторах, повышая точность и экономя время.
«Понимание физиологических реакций человека в измененной гравитационной среде становится абсолютно необходимым, если мы хотим продвинуться к новым рубежам в космических путешествиях», – сказал доктор.
Ана Диас-Артилес, доцент кафедры аэрокосмической техники. "Но нет двух одинаковых людей, и нам необходимо разработать инструменты для быстрой и точной индивидуализации физиологических прогнозов. Наше исследование устраняет этот пробел."
Исследователи представили результаты своего исследования в Журнале прикладной физиологии, который был первоначально опубликован в Интернете в апреле 2021 года перед окончательной публикацией в печати в июне 2021 года.
На протяжении миллионов лет жизни на нашей планете гравитация безмолвно, но ключевой фактор влияла на физиологические процессы всех живых существ.
Таким образом, изменение силы тяжести сказывается на их физиологии. Например, исследования показали, что невесомость затрудняет полив растений, вызывая переувлажнение и препятствуя их росту. У людей микрогравитация также может иметь неблагоприятные последствия. Например, изменение силы тяжести приводит к смещению телесных жидкостей к голове, уменьшению объема циркулирующей крови и сердечной атрофии, среди других осложнений.
Подробные исследования поведения сердечно-сосудистой системы в условиях микрогравитации основывались на наземных экспериментах с людьми, прикрепляя их к приспособлениям, имитирующим переживание измененной гравитации. Однако этот подход требует много времени и обычно требует невероятно большого количества предметов.
Исследователи заявили, что альтернативный подход заключается в использовании компьютерного моделирования сердечно-сосудистой системы для прогнозирования физиологических эффектов среды с измененной гравитацией.
Однако у этих симуляций также есть своя ахиллесова пята, требующая сотен параметров для их прогнозирования, начиная от эластичности артерий, вен и камер сердца до различных сопротивлений кровотоку в разных частях тела. Кроме того, эти параметры сильно различаются у разных людей, что затрудняет индивидуализацию компьютерной модели для прогнозирования конкретных ответов для каждого человека.
Чтобы преодолеть эти препятствия, Ричард Уиттл, докторант в лаборатории Диас-Артильса, выполнил математический метод, называемый анализом чувствительности, чтобы отсеять параметры, на которые вычислительная модель была наиболее восприимчива. Итак, с помощью систематического и всестороннего анализа чувствительности исследователи обнаружили, какие параметры наиболее важны для прогнозирования краткосрочных сердечно-сосудистых реакций на различные уровни измененной силы тяжести.
Их анализ показал, что параметры, связанные с давлением в крупных венах и правом сердце, перекачивающем кровь в легкие, были наиболее доминирующими, что стало неожиданностью, поскольку именно левое сердце перекачивает кровь в аорту, а остальные – к аорте. тела и, следовательно, первоначально ожидалось, что они будут иметь большее влияние на результаты модели.
«Оказывается, левое сердце сконструировано чрезмерно, оно довольно хорошо работает при большом диапазоне физических нагрузок и при необходимости хорошо адаптируется к большей потребности в насыщенной кислородом крови», – сказал Уиттл. "Правое сердце является узким местом системы, поэтому любая слабость в этом узком месте может распространяться по системе."
Исследователи отметили, что анализ не предполагает, что другие параметры не важны, но точная оценка значимых параметров имеет решающее значение для обеспечения точных прогнозов индивидуальных ответов. Кроме того, исследователи обнаружили, что подмножество параметров, оказывающих наибольшее влияние на результаты модели, остается схожим для разных уровней гравитации.
«Мы сделали следующий шаг в персонализации прогнозов сердечно-сосудистых реакций в различных условиях измененной гравитации», – сказал Диас-Артилес. «Хотя наше исследование было сосредоточено на изучении краткосрочной адаптации сердечно-сосудистой системы к условиям измененной силы тяжести, мы планируем расширить наш анализ, включив в него долгосрочные изменения, которые происходят в условиях измененной силы тяжести на индивидуальной основе."
Работа выполнена при поддержке программы NASA Human Research Program.