生物控制论

生物数学理论

生物控制论是运用控制论的一般原理，研究生物系统中的控制和信息的接收、传递、存贮、处理及反馈的一种理论。

发展历程

控制论的应用分支。它运用控制论的一般原理，研究生物系统中的控制和信息的接收、传递、存贮、处理及反馈。1948年N.威纳的经典著作《控制论》的出版。标志着控制论学科的诞生。N.威纳认为，控制论是：关于在动物和机器中控制和通讯的科学，而生物控制论探讨有机体和机器中的控制和信息的一般原理，并试图建立有机体中的控制和通讯过程的一般语言。生物控制论的目的主要在于建立能反映人体和动物功能的模型与理论，而且这种模型和理论中的逻辑原理及有机体本身中起作用的逻辑原理是相同的。它也试图建立和生物系统有同样的物理与生物化学成分的模型。它是少数能真正地称之为边缘科学的学科之一。无论对生物学还是医学来说，生物控制论都给了它们以一种新的、普遍适用的，能充分发挥数学威力的语言。

生物控制论和仿生学以及生物医学工程中研究生物系统中控制和通讯过程的原理及数学模型的工作有着共同的内容，但前者着眼于研究生物系统的控制和通讯规律本身，后两者则着眼于应用。生物控制论也是理论生物物理的一个分支，只是它是从信息的角度去考虑问题，而理论生物物理的其他分支则更多地从能量的角度去考虑问题。生物控制论由于在研究中广泛地应用了数学工具，因此生物控制论也是生物数学的一个分支。人工智能是研究用机器实现人的部分智力活动的科学，其中研究用人工神经元构造的网络来模拟神经功能的工作和神经控制论也有公共的内容。

系统组成

在贝塔朗菲的一般系统论著作中论述了控制论属于系统论中的具有反馈调控的一类系统研究，生物控制论因而也就成为系统生物学的一个重要组成部分。对自动机和动物来说，假定只着眼于其中的控制与信息过程，大体上它们都有下述机构：①专门接收外界信号的接收装置（在动物体中相应的是感受器）；②作出反应的执行装置（效应器）和它所作用的受控对象；③根据接收装置送来的信号进行处理并决定执行装置应如何动作的控制装置（中枢神经系统），以及这些装置之间的联结线路（传入神经和传出神经）。一般说来，执行装置动作的结果（受控对象的实际状态）往往通过某些接收装置（感受器或内感受器）而又汇报给控制装置（反馈联系），控制装置即按实际效应与预期目标间的偏差，采取进一步的调节措施，这种过程称为反馈调节（见图）。

研究内容

可以研究各个水平上的生物系统中的控制和信息过程：小到从分子水平上研究细胞内生化合成过程的反馈机制，大到分析和模拟生态系统。中国和许多别的国家也把它应用于人口预测等领域。但生物控制论研究得最多、最深入的是器官和生理系统水平上的控制和信息过程，包括生理系统分析和神经控制论两部分。

生理系统分析

用系统分析的方法，研究生理系统中各组成部分是如何相互作用并组成整个系统的，同时建立并分析相应的数学模型，以阐明该系统内在的控制和信息处理机制。几乎已对所有的生理系统进行了系统分析，尤其是关于内环境稳态的研究和感觉－运动系统的研究。所谓内环境稳态是指机体的内环境在复杂的神经－体液调节下维持动态平衡。这方面的研究在体温、血压、呼吸以及血液中各种理化成分的反馈控制等方面做了大量的工作。例如，已搞清楚整个血压调节系统中，至少有9套反馈系统存在。在运动控制的研究方面,50年代末L.斯塔科根据反馈系统理论所设计的实验，不仅确定了瞳孔控制系统的数学模型，而且正确地预测了当瞳孔边缘受到恒定光照时会产生自生振荡的现象，同时确定了其振荡频率。这一工作是生理系统分析的经典范例，对其后的工作起了一定的推动作用。到目前为止，在感觉-运动系统的系统分析方面,还是以瞳孔和眼动控制系统、肢体控制系统以及对昆虫的视动反应研究最为活跃。

在生理系统分析中，应用系统辨识和参数估计的方法可以估计出一些不易直接测定的生理参数，如心输出量等。这在医疗实践上具有临床应用价值。例如，用电子计算机估计出血糖控制系统参数后，据此可得出糖尿病昏迷的最优治疗方案。此外，在记录生理信号时，为了从强背景噪声中提取出有用的信息，广泛地应用数字信号处理技术。

神经控制论

研究神经系统的信息处理问题。其中以对神经网络和感觉信息处理的研究最为深入（见神经和感觉信息）。脑理论和脑模型是神经控制论的中心课题。50年代后期提出的“感知机”通过训练改变其随机连线的权重,可以“学会”辨识图形,这是一种最简单的脑模型。目前脑模型的研究主要是针对特定的脑结构进行模拟，其中以对小脑和视觉系统的研究最为深入。由于脑的复杂性，这方面的工作还仅仅是开端。

研究特点

①系统观和整体观，生物控制论在对生命现象的研究中，把所研究的生物系统作为一个由许多次一级的部分相互联结、相互作用并和外界环境相互作用,而且执行着某种统一功能的整体;②能量概念不起实质作用，生物控制论着眼于系统各部分之间以及系统和环境之间的信息交换，即信息的接收、传递、处理、存贮与反馈，对其他学科来说通常很重要的能量概念,在这里并不起实质性作用；③定量化,生物控制论在研究生物系统的动态过程和功能时采取定量的方法，测量与生物系统有关的某些量，并研究这些量之间的数学关系，以形式语言建立起生物系统中信息与控制过程的定量规律，即建立起生物系统的数学模式或在计算机上进行仿真。

和工程控制系统相比，生物系统要复杂得多。生物系统内部结构对研究者来说，一般是不清楚的或不太清楚的，即生物系统是“黑箱”或“灰箱”。生物系统常常是一个分层次的多级控制系统，即存在着不同水平的控制中心；高级控制中心可以控制和修改低级控制中心的活动。例如大脑皮层、脑干和脊髓就是几个不同层次的控制中枢。生物系统还往往是非线性的，即不满足叠加原理（叠加原理系指系统对各个不同刺激组合的反应正相等于它单独对每个刺激所作反应的相应组合）。生物系统的时变性（即系统的结构或参数随时间而变化）也很突出。生物系统通常同时要受到多种因素的影响并作出多种反应，在其内外环境中存在多条反馈回路，即生物系统是多输入、多输出、多回路的系统。生物系统中各个部分之间的相互交联也非常复杂，要把其中的一部分孤立出来而不影响它的正常功能往往很困难。因此，在生物控制论的研究中，还必须注意生物系统的这些特点，把生物学知识和控制论方法结合起来进行研究。

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