人体结构与功能的四元数矢量数学模型构想

张成岗

张成岗. 人体结构与功能的四元数矢量数学模型构想[J]. 实用临床医药杂志, 2021, 25(15): 1-7. DOI: 10.7619/jcmp.20212901
引用本文: 张成岗. 人体结构与功能的四元数矢量数学模型构想[J]. 实用临床医药杂志, 2021, 25(15): 1-7. DOI: 10.7619/jcmp.20212901
ZHANG Chenggang. Quaternion vector mathematical model of human structure and function[J]. Journal of Clinical Medicine in Practice, 2021, 25(15): 1-7. DOI: 10.7619/jcmp.20212901
Citation: ZHANG Chenggang. Quaternion vector mathematical model of human structure and function[J]. Journal of Clinical Medicine in Practice, 2021, 25(15): 1-7. DOI: 10.7619/jcmp.20212901

人体结构与功能的四元数矢量数学模型构想

基金项目: 

北京中医药大学高层次人才科研启动经费资助项目 90011451310015

详细信息
  • 中图分类号: R33;Q987.2

Quaternion vector mathematical model of human structure and function

  • 摘要: 近年来,生命医学领域研究逐渐发现人是由人体和共生微生物尤其是肠道菌群组成的超级共生体,在基于"饥饿源于菌群"的基础上结合数学与生物控制论进行深入研究,提出人体结构与功能的四元数矢量模型。"四元数"是爱尔兰数学家哈密尔顿于1843年发现的复数扩展形式(超复数),引发了代数学的革命,将其思路与原理以学科交叉方式用于生命科学领域,结合遗传学、微生物学、生理学以及解剖学相关知识,有可能获得关于"什么是人"的新发现。具体而言,将四元数模型用于解析人体结构与功能,即$\vec z$=$a$+$b\vec i$+$c\vec j$+$d\vec k$,在结构上的对应关系是$\vec z$(人的矢量)=$a$(人体标量)+$b\vec i$(菌群矢量)+$c\vec j$(线粒体矢量)+$d\vec k$(人脑矢量),在功能上的对应关系是$\vec z$(整体的人)=$a$(人体主动)+$b\vec i$(菌脑主吃)+$c\vec j$(粒脑主吸)+$d\vec k$(人脑主思),相当于将"人"视为由1个标量(scalar)和3个矢量(vector)组成的统一体,即可获得对人体结构与功能的新认识。
    Abstract: In the recent years, the researches in the life and medical field has gradually found that human is a super symbiont composed of human body and symbiotic microorganisms, especially intestinal flora. Here we proposed a quaternion vector model of human structure and function on the basis of "hunger sensation comes from gut flora" combined with mathematical and biological cybernetics. "Quaternion" was discovered in 1843 by Hamilton, an Irish physicist and mathematician, which led to a mathematical revolution. It is possible to obtain new discoveries about "what is human" by applying his ideas and principles to the field of life science in an interdisciplinary way and combining the knowledge of genetics, microbiology, physiology and anatomy. Specifically speaking, the quaternion model is used to analyze the human structure and function in this paper, that is $\vec z$=$a$+$b\vec i$+$c\vec j$+$d\vec k$. In this formula, the corresponding relationship in structure is $\vec z$(human body vector)=$a$(body scalar)+$b\vec i$(gut flora vector)+$c\vec j$(mitochondria vector)+$d\vec k$(human brain vector), the corresponding relationship in function is $\vec z$(holistic human)=$a$(human body for moving)+$b\vec i$(gut flora for eating)+$c\vec j$(mitochondrial for breathing)+$d\vec k$(human brain for thinking). It is equivalent to regarding the "human beings" as a unity composed of 1 scalar and 3 vectors. Therefore, we can get a new understanding of the human structure and function.
  • 症状性颅内动脉狭窄(sICAS)是指由动脉粥样硬化引起的颅内动脉狭窄,且狭窄动脉供血区域发生过缺血性卒中或短暂性脑缺血发作[1-2]。研究[3-4]显示,1/3~1/2的缺血性卒中病例与sICAS有关。血管内支架置入术作为一种微创治疗方法,因能迅速改善大脑供血、创伤小且安全性较高,已成为治疗sICAS的主要手段[5]。然而,由于颅内血管结构复杂,支架置入过程中可能存在较高的并发症风险[6]。本研究探讨血管内支架置入术治疗sICAS患者的安全性及有效性,以期为sICAS的临床治疗提供参考依据。

    选取北京京煤集团总医院2021年9月—2023年11月收治的100例sICAS患者作为研究对象。纳入标准: ①经影像学检查确诊sICAS者; ②临床资料完整者; ③签署知情同意书者。排除标准: ①合并颅内动脉瘤、蛛网膜下腔出血等脑血管疾病者; ②严重凝血功能异常者; ③合并精神疾病者; ④过敏体质或存在支架置入禁忌证者。采用随机数字表法将患者分为对照组和研究组,每组50例。对照组男28例,女22例; 年龄41~78岁,平均(62.31±6.52)岁; 体质量指数为(22.64±2.23)kg/m2; 颅内动脉狭窄率为(85.87±4.52)%。研究组男26例,女24例; 年龄43~77岁,平均(61.65±5.57)岁; 体质量指数为(22.51±2.30) kg/m2; 颅内动脉狭窄率为(85.23±5.47)%。2组患者基线资料比较,差异无统计学意义(P>0.05),具有可比性。

    对照组采用规范药物治疗方案: 口服阿司匹林肠溶片(100 mg/次, 1次/d)、氯吡格雷(75 mg/次, 1次/d)抗血小板聚集,口服阿托伐他汀钙片(10 mg/次, 1次/d)降低血脂和稳定斑块,口服氨氯地平等降压药物稳定血压(目标血压为收缩压130~150 mmHg, 舒张压70~80 mmHg, 1 mmHg=0.133 kPa)。

    研究组采用血管内支架置入术治疗方案: 术前3 d口服拜阿司匹林(100 mg/次, 1次/d)、氯吡格雷(75 mg/次, 1次/d); 全身麻醉或局部麻醉下,经股动脉穿刺置管,并进行全身肝素化; 通过数字减影血管造影(DSA)确定狭窄血管病变处,并评估狭窄程度; 使用常规微导丝携带微导管至血管病变远端; 将球囊送至狭窄段,进行扩张; 扩张后,置入支架; 支架置入成功后,通过血管造影再次评估狭窄情况; 术后给予患者低分子肝素治疗3 d,并针对危险因素或手术并发症等不良事件采取相应处理措施。

    ① 2组患者治疗前和治疗后14 d的颅内动脉狭窄率; ② 2组患者治疗前和治疗后14 d的神经功能,采用美国国立卫生研究院卒中量表(NIHSS)评估,总分42分,评分越高表示神经功能损伤越严重; ③ 2组患者治疗前和治疗后14 d的日常生活能力,采用日常生活活动能力量表(ADL)评估,总分100分,评分越高表示日常生活活动能力越好; ④ 2组患者治疗前与治疗后14 d的脑血流灌注指标,包括狭窄段收缩期峰值流速(PSV)和搏动指数,通过经颅彩色多普勒超声(TCCD)测量; ⑤ 2组患者不良反应发生情况,包括缺血性卒中、出血性卒中及颅内动脉再狭窄等。

    采用SPSS 25.0统计学软件分析数据,计数资料以[n(%)]描述,比较采用χ2检验,计量资料以(x±s)描述,比较采用t检验,P < 0.05为差异有统计学意义。

    治疗前, 2组患者颅内动脉狭窄率比较,差异无统计学意义(P>0.05); 治疗后, 2组患者颅内动脉狭窄率均低于治疗前,且研究组低于对照组,差异有统计学意义(P < 0.05), 见表 1

    表  1  2组患者治疗前后颅内动脉狭窄率比较(x±s%
    组别 n 治疗前 治疗后
    对照组 50 85.87±4.52 34.57±6.48*
    研究组 50 85.23±5.47 12.32±3.26*#
    与治疗前比较, * P < 0.05; 与对照组比较, #P < 0.05。
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    治疗前, 2组患者NIHSS评分比较,差异无统计学意义(P>0.05); 治疗后, 2组患者NIHSS评分均低于治疗前,且研究组低于对照组,差异有统计学意义(P < 0.05), 见表 2

    表  2  2组患者治疗前后NIHSS评分比较(x±s
    组别 n 治疗前 治疗后
    对照组 50 26.19±5.54 9.91±1.65*
    研究组 50 25.42±4.86 5.47±1.28*#
    NIHSS: 美国国立卫生研究院卒中量表。
    与治疗前比较, * P < 0.05; 与对照组比较, #P < 0.05。
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    治疗前, 2组患者ADL评分比较,差异无统计学意义(P>0.05); 治疗后, 2组患者ADL评分均高于治疗前,且研究组高于对照组,差异有统计学意义(P < 0.05), 见表 3

    表  3  2组患者治疗前后ADL评分比较(x±s
    组别 n 治疗前 治疗后
    对照组 50 26.68±6.47 48.61±7.87*
    研究组 50 27.43±4.51 60.97±6.75*#
    ADL: 日常生活活动能力量表。
    与治疗前比较, * P < 0.05; 与对照组比较, #P < 0.05。
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    治疗前, 2组患者PSV、搏动指数比较,差异无统计学意义(P>0.05); 治疗后, 2组患者PSV、搏动指数均低于治疗前,且研究组低于对照组,差异有统计学意义(P < 0.05), 见表 4

    表  4  2组患者治疗前后脑血流灌注指标比较(x±s)
    组别 n PSV/(cm/s) 搏动指数
    治疗前 治疗后 治疗前 治疗后
    对照组 50 169.82±27.86 114.34±17.72* 1.78±0.42 1.19±0.23*
    研究组 50 167.95±24.34 87.85±14.63*# 1.75±0.34 0.81±0.17*#
    PSV: 狭窄段收缩期峰值流速。与治疗前比较, * P < 0.05; 与对照组比较, #P < 0.05。
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    研究组患者的不良反应发生率低于对照组,差异有统计学意义(P < 0.05), 见表 5

    表  5  2组患者不良反应发生情况比较[n(%)]
    组别 n 缺血性卒中 出血性卒中 颅内动脉再狭窄 合计
    对照组 50 5(10.00) 1(2.00) 2(4.00) 8(16.00)
    研究组 50 2(4.00) 0 1(2.00) 3(6.00)*
    与对照组比较, * P < 0.05。
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    卒中是导致人类残疾和死亡的主要原因之一,急性缺血性卒中约占全部卒中的80%[7-9], 治疗的关键在于尽早开通阻塞血管,挽救缺血半暗带[10-12]。sICAS是指由动脉粥样硬化引起的颅内动脉狭窄,且在狭窄动脉供血区域发生过缺血性卒中或短暂性脑缺血发作[13-15]。抗血小板治疗和降脂稳定斑块是sICAS的重要治疗手段,但部分患者接受规范药物治疗后仍会出现症状复发或病情进展。此外,口服抗血小板药物起效时间及持续时间较长,短时间内无法重复给药,且可能存在口服药物抵抗等现象,进一步加重了患者及其家属的身心负担及经济压力[16-17]。因此,探寻一种安全有效的治疗方法对于改善sICAS患者的预后具有重要意义。

    随着医学技术的不断发展,血管内治疗(如支架置入、狭窄血管段球囊扩张等)已成为开通“罪犯”血管、提高远端血管支配区脑组织血液供应的重要手段,显著提升了sICAS患者的临床疗效[18-20]。目前,颅内动脉支架置入已被广泛应用于颈内动脉狭窄的治疗,并成为神经科研究的热点之一[21-22]。颅内动脉支架置入治疗能在短期内迅速改善大脑供血,为急性卒中的治疗提供了新方向。然而,支架内再狭窄仍是颅内支架置入术后的主要问题之一[23]。李振强等[24]回顾性分析15例重度sICAS患者的颅内支架置入情况,结果显示所有支架一次性释放成功,手术成功率为100%, 患者未出现缺血性卒中、短暂性脑缺血发作和颅内出血等情况,随访影像学资料显示仅1例患者发生支架内再狭窄,表明颅内支架置入治疗的成功率较高,并发症较少,且随访效果良好。

    本研究结果显示,研究组患者治疗后颅内动脉狭窄率显著低于对照组,表明支架置入相较于药物治疗可显著降低狭窄率; 研究组患者治疗后NIHSS评分显著低于对照组,表明支架置入相较于药物治疗可显著改善患者神经功能; 研究组患者治疗后ADL评分显著高于对照组,表明支架置入相较于药物治疗可显著改善患者的日常生活活动能力; 研究组患者治疗后PSV和搏动指数显著低于对照组,表明支架置入相较于药物治疗可显著改善患者的脑血流灌注情况; 研究组患者的不良反应发生率显著低于对照组,表明支架置入相较于药物治疗可显著减少不良反应。

    综上所述,血管内支架置入术治疗sICAS患者具有良好的有效性,能够显著降低颅内动脉狭窄率,改善患者的神经功能和日常生活活动能力,且安全性较高。

    编者按
    2021年,在"元宇宙"(Metaverse)的概念向人类展现出构建与传统物理世界平行的全息数字世界的可能性的同时,从宇宙宏观尺度引发了对传统的生命概念、时间概念、能量概念、族群概念和价值观念的改变和颠覆了整个人类对"人"的哲学甚至伦理学的重新定位与思考。在微观层次,张成岗教授(见右图)多年来一直致力于从"菌群与人的关系"角度来思考"人是什么""为什么会有人类"等复杂而又基本的问题,并力求通过数学工具来解释"什么是人"这个复杂的社会哲学问题,并创造性地提出"人体结构与功能的四元数矢量数学模型构想",力求认识世界、解释世界!
  • 图  1   人体结构与功能的四元数矢量模型(QM)

    图  2   人体的生命过程理解为肉体标量a在菌群饥饿矢量$b\vec i$、线粒体呼吸矢量$c\vec j$和人脑思维矢量$d\vec k$维度空间的投射图

    图  3   人体结构与功能的四元数矢量模型中的引力作用(正向影响力以顺时针表示为,负向影响力以逆时针表示为)

    表  1   基于人体结构与功能的四元数模型对人体标量和矢量的解析

    条目性质 肉体标量(a) 菌群矢量、饥饿矢量($b\vec i$) 线粒体矢量、呼吸矢量($c\vec j$) 人脑矢量、思维矢量($d\vec k$)
    基因组信息系统 23对染色体, 30亿碱基对,编码2.5万个基因,由父母垂直遗传给后代 成人肠道菌群总质量1~2 kg, 含有1 000~2 000种菌群,编码300万~1 000万个基因,通过环境向后代横向传递 环状DNA, 长度为16 569 bp, 编码37个基因,通过卵细胞进行母系遗传 通过学习、教育向后代传承知识,并发展思维能力
    参考操作系统分类 人类第一基因组(OS/1) 人类第二基因组(OS/2) 线粒体基因组系统,简记为OS/2.01 可理解为人类语言和知识操作系统,简记为OS/3
    进化史上出现的年代 约200万年以前 约36亿年前 约24亿年前(伴随真核细胞出现) 约200万年前(伴随肉体而出现,在不考虑动物大脑情况下)
    在成人体内的数量 约1013个人体细胞 约1014个微生物细胞(以细菌为主,同时还有少量真菌等) 约1015个线粒体 约1010个神经细胞,约1013个神经突触
    对酸甜苦辣咸的感知 √(通过神经而感知) × × √(通过神经电信号而感知)
    对氧气的需求 需氧 厌氧 需氧、耗氧 高度耗氧
    对饥饿的感知 不直接感知(由菌群传递感知) √(直接负责) √(表现为乏力而并非饥饿) 不直接感知,通过神经电信号而感知
    对呼吸的感知 不直接负责(由线粒体调控) × √(直接负责) 不直接负责,通过神经电信号而感知
    对氧气的需求 ×
    通常所说的人 ×(未考虑、不包括) ×(未强调、未突出)
    属于微生物 × ×
    是否属于物质 √(高于物质)
    是否具有意识 × × ×
    对肉体作用力 产生饥饿信号与摄食欲望并向人体传递 产生呼吸需求信号并向人体传递 以思想、精神、信仰引领人的行为
    对肉体否定后 分解肉体导致腐败、腐烂和死亡 呼吸窘迫、缺氧、窒息而死亡 心理崩溃、精神失常而自杀
    正向发展功能 正常的生理需求: 饥饿与摄食,不危害肉体,与人体协同共生 正常的生理需求: 呼吸,不危害肉体,与人体协同共生 正能量、积极上进、团结合作、精神愉悦等
    负向发展结果 坏菌群、致病菌群等,导致慢病、传染病 线粒体异常突变导致炎症、癌症等;坏病毒如天花病毒、SARS等导致传染病 负能量、思想阴暗、精神萎靡、疑神疑鬼等
    是否可调控 ×(很难)
    调控方法手段 运动、体育锻炼等 微生态调控技术 呼吸调控技术(如调呼吸) 学习、教育
    异常后的结果 疾病(慢病、外伤等) 自闭症、糖尿病、老年性痴呆、炎症等 线粒体(功能) 缺陷性疾病、炎症等 心理病、精神病、思想病等
    功能表现 人体主动 菌脑主吃 粒脑主吸(线粒体负责呼吸) 人脑主思
    发展方向 健康 摄食 呼吸 知识、逻辑、科学、哲学
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-18
  • 网络出版日期:  2021-09-27
  • 发布日期:  2021-08-14

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