Bulletin of Rehabilitation MedicineBulletin of Rehabilitation MedicineВестник восстановительной медицины2078-19622713-2625National Medical Research Center for Rehabilitation and Balneology62500610.38025/2078-1962-2023-22-4-159-166Dissertation OrbitДиссертационная орбитаReview ArticleMathematical Modeling of the Risks of Stress-Related Diseases: a ReviewМатематическое моделирование рисков развития стрессогенных заболеваний. Обзорhttps://orcid.org/0000-0002-4988-7381TerehovAndrew S.ТереховАндрей Сергеевич
Russian Federation

Head of the Department of Medical Cybernetics and Databases

начальник отдела медицинской кибернетики и баз данных

terehovas@nmicrk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5260-8304YakovlevMaxim Yu.ЯковлевМаксим Юрьевич
Russian Federation

Doctor of Medicine, Deputy Director for Strategic Development

доктор медицинских наук, заместитель директора по стратегическому развитию

terehovas@nmicrk.ruNational Medical Research Centre for Rehabilitation and BalneologyФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр реабилитации и курортологии» Минздрава России181020232241591662512202325122023Copyright ©; 2023, Terehov A.S., Yakovlev M.Y.Copyright ©; 2023, Терехов А.С., Яковлев М.Ю.2023Terehov A.S., Yakovlev M.Y.Терехов А.С., Яковлев М.Ю.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/2078-1962/article/view/625006

INTRODUCTION. Stress is one of the risk factors for chronic non-communicable diseases, such as cardiovascular diseases, autoimmune disorders, mental disorders, and neurotic conditions like depression and anxiety. Therefore, it is important to predict and correct stress-related problems early.

AIM. To assess the impact of stress on the human body, a comprehensive review of both Russian and international sources was conducted across databases like PubMed, eLibrary, and CyberLeninka for the period 2011–2023. The search terms used included “stress effect”, “predictive model”, “mathematical modeling”, “stress”, “mathematical model”, and “stress-related diseases”.

CONCLUSION. The literature review has revealed that chronic stress exerts a significant negative impact on the human body, verifiably leading to disorders of the digestive, nervous, endocrine, cardiovascular, and immune systems. At the current stage, stress diagnosis is conducted using both questionnaire methods and instrumental techniques, each having its respective advantages and limitations. Several scientific studies emphasize the importance of mathematical modeling as a tool for simulating the effects of stress on the body and analyzing the key mechanisms predisposing to the development of pathologies. The algorithms for constructing predictive models presented in this publication may serve as a foundation for the development of an automated expert advisory system.

ВВЕДЕНИЕ. Роль стресса как одного из факторов риска развития хронических неинфекционных заболеваний, включая болезни системы кровообращения, аутоиммунные расстройства и психические расстройства, а также невротические состояния, такие как депрессия и тревожность, подчеркивает необходимость раннего прогнозирования и разработки комплексных программ коррекции.

ЦЕЛЬ. Провести комплексный анализ российских и международных публикаций в базах данных PubMed, eLibrary, and CyberLeninka за период с 2011 по 2023 г., используя запросы, относящиеся к влиянию стресса на организм человека, методам диагностирования стресса и математическому моделированию рисков развития стрессогенных заболеваний. Ключевые слова для запросов: влияние стресса, прогнозная модель, математическое моделирование, stress, mathematical model, stress-related diseases.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Изучение публикаций выявило, что хронический стресс оказывает существенное негативное влияние на организм, верифицированно приводя к расстройствам пищеварительной, нервной, эндокринной, сердечно-сосудистой и иммунной систем. На современном этапе диагностика стресса осуществляется с использованием анкетирования и инструментальных исследований, при этом каждый из методов имеет свои преимущества и ограничения. В ряде научных работ подчеркивается значение математического моделирования как инструмента для моделирования воздействия стресса на организм и анализа ключевых механизмов, предрасполагающих к развитию патологий. Алгоритмы формирования прогностических моделей, представленные в данной публикации, могут послужить основой для разработки автоматизированной экспертно-консультационной системы.

chronic stresssress-related diseasemathematical modelingstress diagnosticsquestionnairesprofessional healthматематическая модельстрессстрессогенные заболеваниядиагностика стрессаопросникипрофессиональное здоровьеГладкова С.Н., Разинкин С.М., Толоконин А.О. и др. Методы оценки уровня психофизического здоровья человека (обзор литературы). Вестник неврологии, психиатрии и нейрохирургии. 2012; 4: 044–045. [Gladkova S.N., Razinkin S.M, Tolokonin A.O., et al. Methods for estimating psychophysical health level methods for estimating psychophysical health level (literature review). Bulletin of Neurology, Psychiatry and Neurosurgery. 2012; 4: 044–045 (In Russ.).]Бобровницкий И.П., Нагорнев С.Н., Рыгин В.Н. и др. Метаболические и нагрузочные тесты в теории и практике восстановительной медицины. 2015: 132 с. [Bobrovnitsky I.P., Nagornev S.N, Rygin V.N., et al. Metabolic and stress tests in the theory and practice of regenerative medicine. Publishing house LLC. 2015: 132 p. (In Russ.).]Никифоров Г.С., Шингаев С.М. Психология профессионального здоровья как актуальное научное направление. Психологический журнал. 2015; 36(2): 44–54. [Nikiforov G.S., Shingaev S.M. Occupational health psychology as an actual scientific direction. Psikhologicheskii journal. 2015; 36(2): 44–54. (In Russ.).]Dvoeglazova M.Y. Professional Health of Leader as a determinant of efficient organization functioning. Belgorod State University Scientific bulletin Series Humanities. 2019; 38(1): 130–140. https://doi.org/10.18413/2075-4574-2019-38-1-130-140Мельникова М.Л. Психология стресса: теория и практика: Учебно-методическое пособие. Екатеринбург. 2018: 112 с. [Melnikova M.L. Psychology of stress: theory and practice: Еducational-methodical manual. Yekaterinburg. 2018: 112 p. (In Russ.).]Цыган В.Н. Нейрофизиологические механизмы боевых постэкстремальных состояний. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2014; 100 (10): 1220–1235. [Tsygan V.N. Neurophysiologic mechanisms of combat post-extreme state of health. Russian journal of physiology, formerly I.M. Sechenov Physiological Journal. 2014; 100 (10): 1220–1235 (In Russ.).]Салехов С.А., Цыган В.Н., Благинин А.А. и др. Способ моделирования хронического эмоционально-информационного стресса в эксперименте. Патент РФ 2697655 C1, 16.08.2019. [Salekhov S.A., Tsygan V.N., Blaginin A.A., et al. Method for modeling acute emotional immobilization stress in experiment. Patent RU 2697655 C1, 16.08.2019 (In Russ.).]Медникова Е.С. Взаимосвязь психологического и физиологического стресса: теоретический обзор исследований. Тенденции развития науки и образования. 2021; 74(8): 37–41. https://doi.org/10.18411/lj-06-2021-301 [Mednikova Ye.S. The Relationship between psychological and physiological stress: a theoretical review of research. Trends in Science and Education. 2021; 74(8): 37–41. https://doi.org/10.18411/lj-06-2021-301 (In Russ.).]Баранов В.М., Баевский Р.М., Берсенева А.П. и др. Оценка адаптационных возможностей организма и задачи повышения эффективности здравоохранения. Экология человека. 2004; 6: 25–29. [Baranov V.M., Baevsky R.M., Berseneva А.P. et al. Evaluation of adaptive abilities of an organism and tasks of healthcare effectiveness increase. Human Ecology. 2004; 6: 25–29. (In Russ.).]Кутбиддинова Р.А. Психология стресса (виды стрессовых состояний, диагностика, методы саморегуляции). Сахалинский государственный университет (Южно-Сахалинск). 2019: 124 с. https://doi.org/10.52606/9785888115954 [Kutbiddinova R.A. Psychology of stress (types of stressful states, diagnosis, methods of self-regulation): teaching aid. Yuzhno-Sakhalinsk. Sakhalin State University. 2019: 124 p. https://doi.org/10.52606/9785888115954 (In Russ.).]Mariotti A. The effects of chronic stress on health: new insights into the molecular mechanisms of brain-body communication. Future Sci OA. 2015; 1(3). https://doi.org/10.4155/fso.15.21Bravo P.E, Cappola T.P. Mental Stress-Induced Myocardial Ischemia: When the Mind Controls the Fate of the Heart. JAMA. 2021; 326(18): 1803–1804. https://doi.org/10.1001/jama.2021.18766Liu Y.Z., Wang Y.X., Jiang C.L. Inflammation: The Common Pathway of Stress-Related Diseases. Front Hum Neurosci. 2017; 11: 316. https://doi.org/10.3389/fnhum.2017.00316Рошина Е.А. Роль цитокинов в процессах адаптивной интеграции иммунных и нейроэндокринных реакций организма. Проблемы эндокринологии. 2021; 67(2): 4–9. https://doi.org/10.14341/probl12744 [Troshina E.A. The role of cytokines in the processes of adaptive integration of immune and neuroendocrine reactions of the human body. Problems of Endocrinology, 2021; 67(2): 4–9. https://doi.org/10.14341/probl12744 (In Russ.).]Yaribeygi H., Panahi Y., Sahraei H. et al. The impact of stress on body function: A review. EXCLI J. 2017; 16: 1057–1072. https://doi.org/10.17179/excli2017-480Sharma K., Akre S., Chakole S. et al. Stress-Induced Diabetes: A Review. Cureus. 2022; 14(9): e29142. https://doi.org/10.7759/cureus.29142Kuo W., Bratzke L.C., Oakley L.D. et al. The association between psychological stress and metabolic syndrome: A systematic review and meta-analysis. Obesity Reviews. 2019; 20: 1651–1664. https://doi.org/10.1111/obr.12915Золото Е.В., Айкашев С.А., Воробьева В.Г. и др. Влияние стресса на организм человека. Вестник скорой помощи. 2022; 3(1): 10–18. [Zoloto E.V., Aikashev S.A., Vorobyova V.G. et al. Influence of stress on the human body. Bulletin of ambulance. 2022; 3(1): 10–18 (In Russ.).]Аниховская И.А., Двоеносов В.Г., Жданов Р.И. и др. Психоэмоциональный стресс как клиническая модель начальной фазы общего адаптационного синдрома. Патологическая физиология и экспериментальная терапия. 2015; 59(4): 87–92. [Anikhovskaya I.A., Dvoenosov V.G., Zhdanov R.I. et el. Emotional stress as a clinical model to study the pathogenesis of the initial phase of the general adaptation syndrome. Patologicheskaya Fiziologiya I eksperimentalnaya terapiya. 2015; 59(4): 87–92 (In Russ.).]WHO. The top 10 causes of death. https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/the-top-10-causes-of-death (accessed: 01.06.2023).Беляева И.А., Пехова Я.Г., Вершинин А.А. Стресс и его влияние на сердечно-сосудистую систему. Терапия. 2022; 8(9): 119–128. https://doi.org/10.18565/therapy.2022.9.118-128 [Belyaeva I.A., Pyokhova Ya.G., Vershinin A.A. Stress and its influence at the cardiovascular system. Therapy. 2022; 8(9): 119–128. https://doi.org/10.18565/therapy.2022.9.118-128 (In Russ.).]Бобровницкий И.П., Нагорнев С.Н., Фролков В.К. Особенности гормональной регуляции метаболических процессов в условиях арктической зоны и нелекарственные методы их оптимизации. Russian Journal of Rehabilitation Medicine. 2020; 2: 4–18. [Bobrovnitsky I.P., Nagornev S.N., Frolkov V.K. Features of hormonal regulation metabolic processes in the arctic zone and non-medicinal methods for optimizing them. Russian Journal of Rehabilitation Medicine. 2020; 2: 4–18. (In Russ.).]Byrne D., Kahl K.G., Alvarenga M.E. Editorial: Psychocardiology then and now — the genesis of a discipline. Front Psychiatry. 2022; 13: 988393. https://doi.org/10.3389/fpsyt.2022.988393Баевский Р.М., Берсенева А.П., Лучицкая Е.С. и др. Оценка уровня здоровья при исследовании практически здоровых людей. Москва. 2009: 100 с. [Baevsky R.M., Berseneva А.P., Luchitskaya E.S., et al. Health assessment in a study of practically healthy people. Moscow. 2009: 100 p. (In Russ.).]Ибрагимова Э.Э. Мониторинг уровня стресса обучающихся как подход профилактики нарушения регуляторных механизмов. Ученые записки Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского. Социология. Педагогика. Психология. 2019; 5 (71)2: 83–90. [Ibragimova E.E. Monitoring the students’ stress level as a preventive approach of the regulatory mechanisms disorders. Scientific Notes of V.I. Vernadsky Crimean Federal University. Sociology. Pedagogy. Psychology. 2019; 5 (71)2: 83–90 (In Russ.).]McEwen B.S. Physiology and neurobiology of stress and adaptation: central role of the brain. Physiol Rev. 2007; 87(3): 873–904. https://doi.org/10.1152/physrev.00041.2006Salari N., Hosseinian-Far A., Jalali R. et al. Prevalence of stress, anxiety, depression among the general population during the COVID-19 pandemic: a systematic review and meta-analysis. Global Health. 2020; 16: 57. https://doi.org/10.1186/s12992-020-00589-wSatinsky E.N., Kimura T., Kiang M.V. et al. Systematic review and meta-analysis of depression, anxiety, and suicidal ideation among Ph. D. students. Scientific Reports. 2021; 11(1): 14370. https://doi.org/10.1038/s41598-021-93687-7Ozamiz-Etxebarria N., Idoiaga Mondragon N., Bueno-Notivol J. et al. Prevalence of Anxiety, Depression, and Stress among Teachers during the COVID-19 Pandemic: A Rapid Systematic Review with Meta-Analysis. Brain Scientific. 2021; 11(9): 1172. https://doi.org/10.3390/brainsci11091172WHO. Depressive disorder (depression) https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/depression (accessed: 01.06.2023).WHO. Mental disorders https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/mental-disorders (accessed: 01.06.2023).Сугоровский А. В. Опросник совладания со стрессом COPE, результаты исследования. Modern Science. 2020; 12-3: 157–162. [Sugorovsky A.V. Stress coping questionnaire COPE, results of the study. Modern Science. 2020; 12-3: 157–162 (In Russ.).]Абабков В.А., Барышникова К., Воронцова-Венгер О.В. и др. Валидизация русскоязычной версии опросника «Шкала воспринимаемого стресса-10». Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 16. Психология. Педагогика. 2016; 2: 6–15. https://doi.org/10.21638/11701/spbu16.2016.202 [Ababkov V.A., Barisnikov K., Vorontzova-Wenger O.V. et al. Validation of the Russian version of the questionnaire «scale of perceived stress–10». Vestnik of Saint Petersburg University. Series 16. Psychology. Education. 2016; 2: 6-15. https://doi.org/10.21638/11701/spbu16.2016.202 (In Russ.).]Южаков М.М., Авдеева Д.К., Нгуен Д.К. Обзор методов и систем исследования эмоционального стресса человека. Современные проблемы науки и образования. 2015; 2-2: 134. [Nguen D.K., Yuzhakov M.M., Avdeeva D.K. Review of methods and systems to study emotional stress of humans. Modern Problems of Science and Education. Surgery. 2015; 2-2: 134 (In Russ.).]Бурлачук Л.Ф. Психодиагностика: Учебник для вузов. Санкт-Петербург: Питер. 2006; 351с. [Burlachuk L.F. Psychodiagnostics: a textbook for universities. St. Petersburg: Peter. 2006: 351 p. (In Russ.).]Jones C, Gwenin C. Cortisol level dysregulation and its prevalence-Is it nature’s alarm clock? Physiological Reports. 2021; 8(24): e14644. https://doi.org/10.14814/phy2.14644Kim H.G., Cheon E.J., Bai D.S. et al. Stress and Heart Rate Variability: A Meta-Analysis and Review of the Literature. Psychiatry Investig. 2018; 15(3): 235–245. https://doi.org/10.30773/pi.2017.08.17Баевский Р.М., Иванов Г.Г., Чирейкин Л.В. и др. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем. Вестник аритмологии. 2001; 24: 65–86. [Baevsky R.M., Ivanov G.G., Chirejkin L.V., et al. Analysis of heart rate variability using different electrocardiographic systems (Part 1, guidelines). Journal of Arrhythmology. 2001; 24: 65–86 (In Russ.).]Salai M., Vassányi I., Kósa I. Stress Detection Using Low Cost Heart Rate Sensors. Journal of Healthcare Engineering. 2016; 2016: 5136705. https://doi.org/10.1155/2016/5136705Im J.J., Kim B., Hwang J. et al. Diagnostic potential of multimodal neuroimaging in posttraumatic stress disorder. PLoS One. 2017; 12(5): e0177847. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0177847Mkrtchian A.S., Koroleva S.V. Psychophysiological model of stress-induced cardiovascular disorders development risk» Psychology. Psychophysiology. 2019; 12(3): 83-92. https://doi.org/10.14529/jpps190308Ng A, Wei B, Jain J, et al. Predicting the Next-Day Perceived and Physiological Stress of Pregnant Women by Using Machine Learning and Explainability: Algorithm Development and Validation. JMIR Mhealth Uhealth. 2022; 10(8): e33850. https://doi.org/10.2196/33850.Lloyd A., Fiala D., Heyde C. et al. A mathematical model for predicting cardiovascular responses at rest and during exercise in demanding environmental conditions. Journal Applied Physiology (1985). 2022; 133(2): 247-261. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00619.2021Gonzalez Herrero M.E., Kuehn C. A. Qualitative mathematical model of the immune response under the effect of stress. Chaos. 2021; 31(6): 061104. https://doi.org/10.1063/5.0055784Li P., Liang Z., Yuan Z. et al. Relationship between perceived stress and depression in Chinese front-line medical staff during COVID-19: A conditional process model. Journal Affective Disorders. 2022; 311: 40–46. https://doi.org/10.1016/j.jad.2022.05.064