Fyziologická regulace v patogenezi kardiovaskulárních chorob i obecně

1. Fyziologická regulace v patogenezi kardiovaskulárních chorob i obecně MUDr. Stanislav Matoušek

2. Regulovaná a neregulovaná veličina Neregulovaná veličina Regulovaná veličina Zima v kavárně Vysoký krevní tlak • Spadlý most • Zlomená noha

3. Co probereme? • 1. Základní pojmy teorie regulace • 2. Druhy zpětných vazeb v těle (pozitivní, negativní) • 3. Vznik poruchy/nemoci v regulovaném systému • 4. Historie regulovaných systémů a jejich popisu • 5. Různé druhy regulátorů • 6. Regulace srd. výdeje a krevního tlaku • srdce • cévy • ledvinný regulátor

4. Základní pojmy

5. Regulace neboli (automatické) řízení • Regulace je každý děj, který minimalizuje rozdíl mezi skutečnými hodnotami regulované veličiny a tzv. žádanou (referenční) hodnotou této veličiny, a to na základě měření zmíněného rozdílu. Zdeněk Wunsch, Základy lékařské kybernetiky (1977) • Pokud dojde ke změně nějaké proměnné prostředí (např. teploty)....and soustava umí tuto změnu téměř vykompenzovat...pak je tato soustava označována jako regulovaná. • Principia cybernetica web

6. Regulační ventil topení Regulace v otevřené smyčce (open-loop) Zpětnovazebná regulace (feedback) Výstupní veličina řízeného systému změřena a poslána zpět k využití při „výpočtu“ řídící akce, Regulátor nevyužívá měření výstupu (teploty) systému při „výpočtu“ řídící akce,

7. Otevřená smyčka

8. Otevřená smyčka

9. Otevřená smyčka Porucha vý- stupní veličiny Porucha na vstupu

10. Uzavřená smyčka

11. Uzavřená smyčka

12. Uzavřená smyčka Porucha vý- stupní veličiny Porucha na vstupu

13. Efekt zpětné vazby Rozdíl proti požadované hodnotě je (5x) menší než bez zpětné vazby

14. Otevřená smyčka vs. zpětná vazba Systém řízený v otevřené smyčce: Zpětnovazebně (v uzavřené smyčce) řízený systém:

15. Zpětná vazba ve fyziologii

16. Systém RAAS

17. Obecná struktura řízeného systému

18. Řízení teploty regulátorem Vnější teplota Teplota v pokoji Nastavení teploty Těleso radiátoru Ohřev místnosti Ventil horké vody otevřen /zavřen Nastavení thermostatu vs aktuální teplota Thermo-meter Měřená teplota

19. Příklady v medicíně Řízení glykémie Normální glykémie Insulin βbuňky Glykémie vstup Glc do buněk GLUT 4 tkáně βbuňky

20. Druhy zpětných vazeb v těle (pozitivní, negativní)

21. Regulace v lidském těle • V těle existují dva systémy přímo specializované na řízení a regulaci: • endokrinní systém • nervový systém • Kromě těchto dvou systémů existuje v každé buňce a každé tkáni mnoho procesů regulovaných lokální zpětnou vazbou

22. Lokální zpětná vazba

23. Systémová zpětná vazba

24. Negativní zpětná vazba Udržuje hodnotu regulované veličiny blízko rovnováhy (požadované hodnoty). Ca++ - + PTH

25. Pozitivní zpětná vazba Málo častá – amplifikace malé počáteční „odchylky“; Nedrží hodnotu regulované veličiny blízko rovnováhy Kalikrein Prekalikrein + + + + faktor XII faktor XII a

26. Vznik poruchy/nemoci v regulovaném systému

27. Diabetes mellitus Diabetes II. typu Normální glykémie Insulin βbuňky Glykémie - vstup Glc do buněk GLUT 4 tkáně + βbuňky Diabetes I. typu

28. Onemocnění obecně • Přerušení zpětnovazební smyčky • Příliš velká poruchová veličina • Slabý akční člen • Špatně nastavená hodnota regulátoru

29. Historie regulace a zpětnovazebního řízení

30. Nádobka záchodu Starověké Řecko a Řím: Plovákem řízený vtočný ventil Historie v technických vědách

31. Parní stroj Jamese Watta

32. James Watt – centrifugální regulátor (fly-ball governor 1788)

33. Stabilita systému

34. Maxwellova kritéria stability Problém telefonování na dlouhé vzdálenosti (využití elektronických zesilovačů) Bellovy telefonické laboratoře: H. Nyquist (1932) zjištění stability systému s použitím tvz. Nyquistova kritéria 20. století

35. Současnost

36. Historie v medicíně a biologii • Schopnost živých organismů udržovat životní pochody v rovnováze a čelit tak rušivým vlivům je natolik výraznou vlastností, že (byla zaznamenána) již ve starověku. Zdeněk Wunsch Základy lékařské kybernetiky Dalším významným momentem, který byl viděn jako zdroj nemocí, jsou vnitřní nerovnováhy organismu. Tato myšlenka, ve své podstatě zajisté správná, je pozoruhodným způsobem transkulturní. Stanislav Komárek Spasení těla

37. Starověké Řecko • Empedoklész Agrigentu (504-443 BC)

38. Starý Řím Galén

39. Starověká Čína

40. Konec 18.století a 19. století Lavoisier: Nutnostdynamické rovnováhy při látkové výměně (kyslík, složky jídla, teplo) Fredericq (1885): Živá soustava je útvar se schopností odpovědět na poruchové vlivy kompenzační aktivitou, která neutralizuje nebo opraví vzniklou odchylku.

41. Homeostáza – Walter Cannon • vznikla z dřívější myšlenky Clauda Bernarda rovnováhy vnitřního prostředí • popularizace v jeho knize Moudrost těla (1932) • Čtyři základní rysy homeostázy: • Konstantnost otevřeného systému, jakým je naše tělo, vyžaduje mechanismy které působí zachování této konstantnosti. • Ustálené podmínky vyžadují, aby jakákoliv tendence ke změně byla automaticky konfrontována s faktory, které působí proti této změně. Př: Zvýšení krevního cukru zvyšuje žízeň. Vypitá voda krevní cukr naředí. • Regulační systém těla se skládá z velkého množství spolupracujících mechanismů, které působí současně nebo po sobě. Př. Krevní cukr je regulován inzulinem, glukagonem a jinými faktory (žízeň). • Homeostáza je výsledkem organizovaného automatického řízení (organized self-government).

42. Kybernetika – Norbert Wiener • 1948kniha Kybernetika: Aneb řízení a komunikace ve zvířeti a ve stroji. • Kniha formalizuje teorii řízení zpětnou vazbou a výrazně ovlivnila mnohá odvětví vědy:Teorii řízení, informatiku, robotiku, biologii a medicínu, sociologii, ekonomii a společenské vědy

43. Počátky matematické biologie – Arthur Guyton a Thomas Coleman

44. Thomas Coleman a Laboratoř biokybernetiky Ústavu patologické fyziologie

45. Vsuvka

46. Připomenutí středoškolské matematiky

47. Derivace

48. Důležité funkce

49. Integrál

50. Různé druhy regulátorů