Ім'я файлу: основи біокібернетики.docx
Розширення: docx
Розмір: 32кб.
Дата: 10.09.2022
скачати
Пов'язані файли:
Документ.docx
Розширення: docx
Розмір: 32кб.
Дата: 10.09.2022
скачати
Пов'язані файли:
Документ.docx
ОСНОВИ БІОКІБЕРНЕТИКИ
Система - це сукупність взаємодіючих між собою відносно елементарних структур або процесів, об'єднаних в ціле виконанням деякої загальної функції, що не зводиться до функцій її компонентів.
Мета біокібернетики — вивчення організму з урахуванням основних взаємозв'язків починаючи з клітинного, тканинного, органного рівня і закінчуючи організмовим. Жива система характеризується не тільки обміном речовин і енергіїале й обміном інформації. Біокібернетика розглядає складні біологічні системи у взаємодії з середовищем саме з погляду теорії інформації.
Сукупність елементів потрібно вважати системою, якщо:
задані зв'язки, існуючі між цими елементами;
кожний елемент всередині системи є неподільним;
із світом поза системою система взаємодіє як ціле;
при еволюції у часі сукупність буде вважатися однією системою, якщо між її елементами можна провести однозначну відповідність
Ознаки системи:
взаємодіє із середовищем та іншими системами як єдине ціле;
2. складається з ієрархії підсистем більш низьких рівнів;
3. є підсистемою для систем більш високого порядку;
4. зберігає загальну структуру взаємодії елементів при змінах зовнішніх умов і внутрішнього стану.
2. Мета біокібернетики — вивчення організму з урахуванням основних взаємозв'язків починаючи з клітинного, тканинного, органного рівня і закінчуючи організмовим. Жива система характеризується не тільки обміном речовин і енергіїале й обміном інформації. Біокібернетика розглядає складні біологічні системи у взаємодії з середовищем саме з погляду теорії інформації.
Основне теоретичне завдання біокібернетики — вивчення загальних закономірностей управління, а також зберігання, переробки і передачі інформації в живих системах і їх послідовники.
Оснновне завдання – отримання нових знань на основі обчислюв. експериментів із комп'ютер. моделями, що максимально точно відтворюють реальну складність біол. об'єктів.
Методи: метод статистичної обробки(кореляційний аналіз, методи автоматичної класифікації і т.п.)
3.Обробка інформації, що надходить до живого організму, здійснюється керуючими системами, або системою регуляції. Вона складається з окремих структурних елементів, сполучених між собою інформаційними каналами. Керуючий пристрій (наприклад, центральна нервова система) отримує інформацію про діяльність системи, здійснює її первинну обробку згідно з закладеною програмою оптимізації функцій (природженою або набутою в результаті життєвого досвіду), і відправляє керуючі сигнали до органів і систем, що виконують розпорядження. Вхідні канали зв’язку (нерви, рідини внутрішнього середовища) передають нервові імпульси або інформаційні молекули речовин, які сигналізують про стан внутрішнього середовища та параметри функцій, в керуючий пристрій, а вихідні канали зв’язку – від керуючого пристрою до органів-виконавців. Датчики (сенсорні рецептори) сприймають інформацію із внутрішнього або зовнішнього середовища на вході системи. Сигнали, які йдуть по вихідним каналам зв’язку з керуючого пристрою до органів та систем, щоб змінити функції, сприймаються клітинними рецепторами. Частина керуючого пристрою, що запам’ятовує та зберігає інформацію, називають апаратом пам'яті. Характер переробки сигналів залежить від тієї інформації, яка записана в апараті пам'яті керуючого пристрою системи регуляції.
4.Біокібернетика розглядає живий організм як багатоцільову «ієрархічну» систему керування, що здійснює свою інтеграційну діяльність на основі функціонального об'єднання окремих підсистем, кожна з яких вирішує «приватну» локальну задачу. Особливість організму як складної динамічної системи — єдність централізованого і автономного керування. Саморегуляція, характерна для всіх рівнів керування живої системи, тому джерелом формування інформаційних потоків є кожен рівень живої системи.
5.Організм людини має сумарне ЕМП з частотами 10–4– 10 Гц. У ньому розрізняють: низькочастотні, зокрема квазистатичні поля; високочастотні (радіочастотний, оптичний, акустичний, інфрачервоний спектр електромагнітного діапазону). Залежно від джерела ЕМП людини можна розділити на: ЕМП окремих органів організму; ЕМП/електростатичні поля, зумовлені поверхневим електричним зарядом на тілі; ЕМП, зумовлені динамікою електрофізичних властивостей тканин (електропровідність, діелектрична проникність).
Механізмами генерації ЕМП сьогодні прийнято вважати електронні/фотонні ефекти та когерентні колективні осциляції, що виникають, біомолекул, що утворили кластери зі структурованою водою, що викладено в попередній публікації циклу (Потяженко М.М., Невойт А.В., 2019). На макрорівні встановлено, що ЕМП організму людини є сумою двох складових: власного ЕМП, що створюється електричною активністю окремих збуджених органів (головний мозок, серце тощо), та МП, наведеного рухом струмопровідних рідин (електролітів), якими є кров та лімфа . Далі наведені зовнішнім МП струми породжують вторинне МП організму, впливаючи індуктивно на нервову систему і на функціональні системи. При розгляді механізмів утворення ЕМП в залежності від діапазону встановлено, що причинами виникнення низькочастотних ЕМП, є:
1.трансмембранна різниця потенціалів, що утворюється за рахунок дифузії та активного транспорту молекул та іонів через мембрани, що призводить до накопичення та поділу іонів різних знаків на мембранах та створює в цій галузі квазістатичне поле;
2.індукційні взаємодії;
3.електретні ефекти, зумовлені орієнтацією полярних молекул та виникненням поля внаслідок нескомпенсованості зарядів через просторовий розподіл електрорушійних сил, пов'язаних з клітинним та тканинним метаболізмом, що призводить в кінцевому підсумку до виникнення складної біоелектретної структури цілісного організму;
4.перерозподіл заряджених елементів всередині організму з поляризацією їх в електричному полі, формуванням подвійних електричних шарів на клітинних та інших неоднорідностях, що призводить до утворення значних об'ємних зарядів, просторове переміщення яких обумовлює формування всередині організму ЕМП з різними параметрами в залежності від швидкостей переміщення заряду, молекулярної організації та інших процесів метаболізму.
6.Головний мозок працює шляхом передачі між нейронами (та іншими рецепторними чи эффекторными клітинами) у вигляді електрохімічних імпульсів. Ця передача інформації відбувається під час синапсу. При синапсі нейрони та клітини контактують між собою, за допомогою хімічних розрядів та електричних імпульсів обмінюючись нейротрансмітерами, що активують або гальмують дії іншої клітини. Термінали аксона є пресинаптичними елементами нейронної комунікації, якими нейрон встановлює зв'язку з дендритами, сомою і навіть іншими аксонами. Передача інформації між нейронами триває мілісекунди.
7.НЕЙРОНИ - Клітини, відповідальні за отримання, обробку та передачу інформації як на внутрішньоклітинному, так і міжклітинному рівні. Роблять вони за допомогою електрохімічних сигналів (нервових імпульсів), званих потенціалом дії нейрона. За своєю структурою нейрони мають самі цитоплазматические генетичні елементи, як і інші клітини організму. Нейрон складається із трьох частин:
Тіло або сома: це основна частина клітини, що містить ядро (з ДНК), ендоплазматичний ретикулум, рибосоми (виробляють білки) та мітохондрії (генерують енергію). У сомі реалізуються основні метаболічні функції клітини. Якщо вмирає сома, клітина гине.
Аксони: це виходять із соми і схожі на дроти подовжені відростки, на кінцях яких знаходяться терміналі, які є точками синаптичного контакту, через які передається нервовий імпульс (пресинаптичний елемент). Довжина аксонів може змінюватись в залежності від нейрона: від дуже коротких (до 1 мм) до дуже довгих (більше метра, характерних для периферичних нервів, наприклад, мотонейронів). Деякі аксони (особливо моторних і сенсорних нейронів) покриті оболонкою мієліну, яка спрощує передачу інформації. Чим більше мієліну містить аксон, тим сильніше нервовий імпульс, що передається. Найбільше мієліну містять периферичні нейрони (сенсорні та моторні), якими інформація повинна пройти найбільший шлях.
Дендрити: нервові закінчення, що виходять із соми клітини, які розгалужуються у формі дерева. Дендрити відповідальні за прийом інформації (постсинаптичний елемент) і уможливлюють комунікацію між двома нейронами.
Також у мозку знаходяться сіра речовина та біла речовина, вони пов'язані з різними частинами нейронів:
Сіра речовина мозку відповідає переважно сомам і дендритам нейронів.
Біла речовина – це область, де домінують аксони нейронів. Має білуватий колір через мієлінову оболонку нервових волокон.
8.Кожна клітина нашого тіла випромінює електромагнітні хвилі. Це явище отримало назву - біорезонанс. Поки клітинні структури перебувають у стані повного здоров'я електромагнітні коливання залишаються фізіологічно правильними. З розвитком хвороби клітина ушкоджується і перестає правильно виконувати свою
функцію. Порушення клітинної структури призводить до змін електромагнітного випромінювання.
9.Психофізіологічна діагностика - оцінка особливостей розвитку пізнавальних функцій та фізіологічних процесів, що забезпечують їх реалізацію, включає інструментальний метод ЕЕГ, комп'ютерну томографію, методи оцінки вегетативної нервової системи, сенсомоторики, нейропсихологічне тестування, тестування рівнів пізнавальної діяльності.
Методи:
1.електрофізіологічних методів вивчення органічних функцій, що ґрунтуються на реєстрації біопотенціалів, що виникають у тканинах живого організму спонтанно або у відповідь на зовнішнє подразнення. Найчастіше використовується реєстрація біострумів мозку.
2.Відображення психофізіологічних процесів у поступовій динаміці ЭЭГ. Частотно-амплітудні зміни електричної активності у зв'язку з: 1) активацією уваги – блокада β-ритму, зростання β-ритму, зміна рівня асиметрії фаз коливання, концентрація уваги, глибока депресія біопотенціалів. 2) Емоційним станом – немає єдиної точки зору; тривога слабка – посилення 2 ритму, посилення тривоги – десинхронізація основного ритму ЕЕГ, негативні емоції – посилення тесту активності, позитивні емоції – ослаблення тесту активності.
3."Хвиля очікування". Зміна психофізіологічного стану відбивається на електрофізіологічних показниках; висока емоційна напруженість – підвищення амплітуди хвилі; нестійка увага - зниження амплітуди хвилі.
4.Вивчення повільних електричних процесів мозку (МЕП). При бурхливих емоціях – різка зміна.
5.Вивчення динаміки готівкового кисню (кори та глибоких структур мозку), тобто. змінний тиск у структурах мозку.
6.КГР (шкірно-гальванічна реакція). Належить до показників зміни уваги та емоцій. Феномен Краснова - ефект зміни різниці потенціалів опору шкіри у зв'язку з орієнтовною реакцією та емоціями.
10.В статистиці називаються малими вибірками при n<30. Основи теорії малих вибірок були розроблені англійським математиком-статистиком В. Госсетом (псевдонім Стьюдент). Стьюдент показав, що для невеликого обсягу дисперсія у вибірці відрізняється від дисперсії у генеральній сукупності, що справедливо і для середніх квадратичних відхилень. Середнє квадратичне відхилення генеральної сукупності є одним із параметрів кривої нормального розподілу. Тому використовувати функцію нормального розподілу для оцінки параметрів генеральної сукупності за даними малої вибірки в зв’язку з отриманням великих похибок не доцільно.
+При обчисленні середньої похибки за невеликими вибірками завжди потрібно користуватись незміщеною оцінкою дисперсії:
де
– число ступенів свободи варіації
, яким називають число одиниць, що можуть приймати довільні значення, не змінюючи їх загальної характеристики (середньої).11.Вестибуловегетативні рефлекси опосередковані найскладнішими інтегративними та регуляційними системами (мозочок, ретикулярна формація, лімбічна система, таламус, кора головного мозку та інші утворення).Лімбіко-ретикулярний комплекс також здійснює трофіку вестибулярних ядер, визначаючи фонову активність вестибулярного ядерного комплексу та, отже, впливаючи на вестибулосоматичні реакції. З цього випливає, що будь-яке навантаження, що викликає зміни вегетативних показників, знайде своє відображення у параметрах вестибулярних.
12.На макрорівні встановлено, що ЕМП організму людини є сумою двох складових: власного ЕМП, що створюється електричною активністю окремих збуджених органів (головний мозок, серце тощо), та МП, наведеного рухом струмопровідних рідин (електролітів), якими є кров та лімфа . Далі наведені зовнішнім МП струми породжують вторинне МП організму, впливаючи індуктивно на нервову систему і на функціональні системи.
13.Складна будова лімбічної системи, велика кількість структур і зв’язків, що входять до її складу, забезпечують важливу роль системи в регуляції складних реакцій, властивих живому організму, у реалізації мотиваційно-емоційних реакцій, в організації процесів навчання й пам’яті.
Насамперед лімбічна система регулює такі види поведінки, як харчові, питні, статеві рефлекси. Регуляція харчової поведінки пов’язана з гіпоталамусом, амігдалою, перегородкою, покришкою, центральною сірою речовиною.
Важливу роль в регуляції харчової поведінки відіграє амігдала. У ній теж є ділянки, одні з яких активують, а інші гальмують харчову поведінку. Уважають, що гіпоталамус бере участь у безумовних, а амігдала — в умовних харчових реакціях. Амігдала пов’язана з емоціями.
При руйнуванні певних структур лімбічної системи з’являються зміни статевого поводження. При розсіченні гіпоталамуса виявляється посилення або ослаблення статевої активності. Характер реакції залежить від місця ушкодження. Зміна сексуальної активності спостерігається при руйнуванні ядер мигдалеподібного комплексу. Ушкодження перегородки також супроводжуються змінами статевої поведінки тварин. Є відомості про зниження й придушення статевого поводження при руйнуванні деяких ділянок гіпокампа, про зникнення ігрових реакцій, пов’язаних із сезонним статевим збудженням. Двостороннє видалення нюхових луковиць робить експериментальних тварин сексуально байдужними.
Лімбічна система бере участь у підтримці материнського поводження. Руйнування перегородки, поясної звивини, гіпокампа, деяких ділянок гіпоталамуса призводить до зникнення інстинкту материнства й гніздування. У тварин з такими ушкодженнями була відсутня турбота про потомство, спостерігалася схильність до канібалізму.
Важливу роль відіграють структури лімбічної системи в організації мотиваційно-емоційних реакцій оборонного типу. Тварини зі зруйнованою задньою частиною гіпоталамуса вирізнялися сонливістю, флегматичністю. Ушкодження іншої ділянки гіпоталамуса призводило до агресивного стану тварин. Лютий стан таких тварин послабляється, якщо в них додатково ушкодити мигдалину і, навпаки, якщо спочатку ушкодити мигдалину, а потім гіпоталамус, тварина ставала агресивною й лютою. Ушкодження перегородки призводило до розвитку лютості в пацюків і мишей. У тварин з ушкодженою перегородкою додаткове ушкодження амігдали знімало цю реакцію.
14.В дослідженнях у галузі штучного інтелекту склалося два головних напрямки: біонічний і прагматичний.
Біонічний напрямок досліджень в галузі штучного інтелекту засновано на припущенні про те, що якщо в штучній системі відтворити структури і процеси людського мозку, то й результати вирішення завдань такою системою будуть подібні до результатів, що отримує людина. В цьому напрямку досліджень виділяються: нейромережні алгоритми, структурно-евристичний підхід,
еволюційні алгоритми, нечітка логіка.
Прагматичний напрямок ґрунтується на припущенні про те, що розумова діяльність людини є «чорним ящиком». Але, якщо результат функціонування штучної системи збігається із результатом діяльності експерта, то таку систему можна визнати інтелектуальною незалежно від способів отримання цього результату. При такому підході не ставиться питання про адекватність використаних в комп'ютері структур і методів до тих структур чи методів, якими користується в аналогічних ситуаціях людина, а розглядається лише кінцевий результат вирішення конкретних завдань.
З точки зору кінцевого результату в прагматичному напрямку можна виділити три цільові області: розробка методів подання й обробки знань, інтелектуальне програмування, створення інструментарію.
15.Архітектура нейронної мережі визначає загальні принципи її побудови (плоскошарова, повнозв'язкова, слабозв'язкова, прямого поширення, рекурентна і т.д.).
Розрізняють такі базові архітектури:
мережі прямого поширення - всі зв'язки спрямовані строго від вхідних нейронів до вихідних. До таких мереж відносяться, наприклад, персептрон Розенблатта і багатошаровий персептрон;
рекурентні нейронні мережі - сигнал із вихідних нейронів або нейронів прихованого шару частково передається назад на нейрони вхідного шару мережі;
мережі радіально-базисних функцій - мережі, що містять єдині прихований шар нейрони якого використовують радіально-симетричну активаційну функцію, застосовуються для вирішення завдань класифікації та прогнозування;
мережі Кохонена – клас мереж, використовують навчання без вчителя і призначених на вирішення завдань кластеризації. Вони містять лише два шари: вхідний (розподільний) та вихідний (кластеризуючий);
карти Кохонена або карти ознак, що самоорганізуються, - різновид мереж Кохонена, в яких число вихідних нейронів вибирається набагато більше числа формованих кластерів. Використовуються для візуалізації результатів кластеризації багатовимірних даних;
повнозв'язкові мережі — нейронні мережі, у яких кожен нейрон пов'язані з іншими нейронами. Такі мережі мають найвищу густину зв'язків;
слабозв'язні мережі - у них нейрони пов'язані лише зі своїми найближчими сусідами;
плоскослоистые нейронні мережі — у яких нейрони утворюють каскади, звані шарами, у своїй нейрони кожного шару пов'язані з усіма нейронами наступного і попереднього шарів, а всередині шару зв'язків немає. Плоскошарові мережі можуть бути одношаровими (містити один прихований шар) і багатошаровими (містити кілька прихованих шарів).
Кожна архітектура мережі призначена на вирішення певного класу завдань аналізу даних (регресії, класифікації, кластеризації, прогнозування) і використовує спеціальні алгоритми навчання.