生物控制论

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生物控制论

　　biocybernetics

　　应用控制论的思想和方法研究生物系统的调节、控制和信息处理规律的学科，是控制论的一个分支学科。生物信息学、生物控制论与生物系统论，构成系统生物学的理论基础。

　　发展概况 18世纪末，生物学家已开始认识调节和控制对生物机体的重要作用。1948年，美国著名数学家N.维纳将通信和控制系统与生物机体中的某些控制机制进行类比，概括出两类系统的共同规律，创立了控制论这一新兴学科。在控制论发展初期是以研究共同规律为主，生物系统仅作为其中一个主要背景。50年代末到60年代初，人们开始应用控制论的方法和观点解决生理和病理机制等具体问题，并取得了一定的成效，在神经系统信息处理的研究中也取得了重要进展。到60年代中期，维纳与J.P.谢德合编《生物控制论进展》，汇集了控制论在生物医学的许多不同领域中的应用，从而确立了生物控制论作为控制论的一个分支学科的地位。

　　主要内容和方法 反馈在生物系统正常工作中起着重要的作用。例如脊髓痨病人，由于病毒破坏了本体感受器的反馈，就产生运动失调，从而不能完成捡拾物体的动作。生物控制论不仅可定性地确定生理和病理机制，而且着重从系统的、定量的、动态的角度研究生物系统。生物反馈系统的定量的和动态的研究，是生物控制论的重要内容。为此需要建立描述各种生物系统的控制和信息处理过程的繁简不同的数学模型并进一步加以分析或进行系统仿真，这是生物控制论的主要方法。例如，60年代初,佐川喜一应用频率特性测试方法,确定了血压控制的脑缺血回路的数学模型，得到系统产生振荡的条件，从而对上世纪已发现的脑瘤病人的血压振荡现象作出了合理的解释。现在已有用 400多个方程描述整个血液循环系统的数学模型，用计算机仿真获得了许多关于循环系统的定量的和动态的知识。运动、呼吸、体温、泌尿和各种内分泌等基本生理系统都已有了控制论的数学模型，而且已有综合循环、体液调节、呼吸和泌尿系统的输液过程的数学模型，能用系统仿真方法探讨最优输液方案。近年来现代控制理论在生物医学中的应用发展很快。例如，应用系统辨识方法可以获得生物系统的参量。由于生物体的特性有个体差别和随时间变化的特点，这些参量可以反映个体的特征，为精确的诊断和最优治疗提供依据。

　　神经元与神经网络的研究是生物控制论研究的另一重要内容，已经提出了近百种不同类型的神经元模型。神经网络的模型研究也取得了很大的进展，已有能对具有 8000个神经元和80000个突触的神经网络进行仿真的计算机专用程序。以神经元的突触可塑性假设为基础的各种联想存储器模型的研究，受到人们高度重视。对于感觉系统中信息传递、编码和加工等过程的模型和分析也已有了较深入的研究。这些研究构成生物控制论的重要分支──神经控制论的主要内容。

　　应用 生物控制论除了用来阐明生物系统的机理外，还可应用于解决医学中的实际问题。例如，应用最优控制理论确定药物和放射疗法的最优方案，用自适应控制方法保证手术病人血压的稳定，合理设计生物电控制假肢和解决人工脏器的控制问题等。近年来，在医疗中开始应用显示体内生理参量，通过训练达到自我控制机体状态的生物反馈方法。这种方法对于治疗高血压和神经痛等疾病已取得一定的疗效。生物控制论还可以为设计测量与估计人体在不同情况下(如体育训练、航天飞行)的状态的自动装置提供科学依据（见生物医学工程）。

　　展望 生物体是具有不同结构层次的大系统。在各结构层次中,从亚细胞、细胞、组织、器官直至机体,都存在着控制和调节。从生物控制论的观点来看，生命控制系统是极其复杂的多层次的容错的自组织系统。现在仅在机体水平上进行了一些研究，其他各结构层次上的控制和调节的内在机制尚待作进一步的定量的与动态的研究。利用生物控制论的研究成果，促使医疗保健向纵深方向发展，特别是利用生物反馈的方法来防治某些神经精神性疾病，也是完全可能的。应用生物控制论的原理和方法，来揭开生命之谜，这是当代最重要的研究课题之一

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模天大楼

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