生物控制論

控制論的應用分支。它運用控制論的一般原理，研究生物系統中的控制和信息的接收、傳遞、存貯、處理及反饋。1948年N.威納的經典著作《控制論》的出版。標誌著控制論學科的誕生。N.威納認為，控制論是：關於在動物和機器中控制和通訊的科學，而生物控制論探討有機體和機器中的控制和信息的一般原理，並試圖建立有機體中的控制和通訊過程的一般語言。生物控制論的目的主要在於建立能反映人體和動物功能的模型與理論，而且這種模型和理論中的邏輯原理及有機體本身中起作用的邏輯原理是相同的。它也試圖建立和生物系統有同樣的物理與生物化學成分的模型。它是少數能真正地稱之為邊緣科學的學科之一。無論對生物學還是醫學來說，生物控制論都給了它們以一種新的、普遍適用的，能充分發揮數學威力的語言。

生物控制論和仿生學以及生物醫學工程中研究生物系統中控制和通訊過程的原理及數學模型的工作有著共同的內容，但前者著眼於研究生物系統的控制和通訊規律本身，后兩者則著眼於應用。生物控制論也是理論生物物理的一個分支，只是它是從信息的角度去考慮問題，而理論生物物理的其他分支則更多地從能量的角度去考慮問題。生物控制論由於在研究中廣泛地應用了數學工具，因此生物控制論也是生物數學的一個分支。人工智慧是研究用機器實現人的部分智力活動的科學，其中研究用人工神經元構造的網路來模擬神經功能的工作和神經控制論也有公共的內容。

在貝塔朗菲的一般系統論著作中論述了控制論屬於系統論中的具有反饋調控的一類系統研究，生物控制論因而也就成為系統生物學的一個重要組成部分。對自動機和動物來說，假定只著眼於其中的控制與信息過程，大體上它們都有下述機構：①專門接收外界信號的接收裝置（在動物體中相應的是感受器）；②作出反應的執行裝置（效應器）和它所作用的受控對象；③根據接收裝置送來的信號進行處理並決定執行裝置應如何動作的控制裝置（中樞神經系統），以及這些裝置之間的聯結線路（傳入神經和傳出神經）。一般說來，執行裝置動作的結果（受控對象的實際狀態）往往通過某些接收裝置（感受器或內感受器）而又彙報給控制裝置（反饋聯繫），控制裝置即按實際效應與預期目標間的偏差，採取進一步的調節措施，這種過程稱為反饋調節（見圖）。

可以研究各個水平上的生物系統中的控制和信息過程：小到從分子水平上研究細胞內生化合成過程的反饋機制，大到分析和模擬生態系統。中國和許多別的國家也把它應用於人口預測等領域。但生物控制論研究得最多、最深入的是器官和生理系統水平上的控制和信息過程，包括生理系統分析和神經控制論兩部分。

用系統分析的方法，研究生理系統中各組成部分是如何相互作用並組成整個系統的，同時建立並分析相應的數學模型，以闡明該系統內在的控制和信息處理機制。幾乎已對所有的生理系統進行了系統分析，尤其是關於內環境穩態的研究和感覺－運動系統的研究。所謂內環境穩態是指機體的內環境在複雜的神經－體液調節下維持動態平衡。這方面的研究在體溫、血壓、呼吸以及血液中各種理化成分的反饋控制等方面做了大量的工作。例如，已搞清楚整個血壓調節系統中，至少有9套反饋系統存在。在運動控制的研究方面,50年代末L.斯塔科根據反饋系統理論所設計的實驗，不僅確定了瞳孔控制系統的數學模型，而且正確地預測了當瞳孔邊緣受到恆定光照時會產生自生振蕩的現象，同時確定了其振蕩頻率。這一工作是生理系統分析的經典範例，對其後的工作起了一定的推動作用。到目前為止，在感覺-運動系統的系統分析方面，還是以瞳孔和眼動控制系統、肢體控制系統以及對昆蟲的視動反應研究最為活躍。

在生理系統分析中，應用系統辨識和參數估計的方法可以估計出一些不易直接測定的生理參數，如心輸出量等。這在醫療實踐上具有臨床應用價值。例如，用電子計算機估計出血糖控制系統參數后，據此可得出糖尿病昏迷的最優治療方案。此外，在記錄生理信號時，為了從強背景雜訊中提取出有用的信息，廣泛地應用數字信號處理技術。

研究神經系統的信息處理問題。其中以對神經網路和感覺信息處理的研究最為深入（見神經和感覺信息）。腦理論和腦模型是神經控制論的中心課題。50年代後期提出的“感知機”通過訓練改變其隨機連線的權重，可以“學會”辨識圖形，這是一種最簡單的腦模型。目前腦模型的研究主要是針對特定的腦結構進行模擬，其中以對小腦和視覺系統的研究最為深入，由於腦的複雜性，這方面的工作還僅僅是開端。

①系統觀和整體觀，生物控制論在對生命現象的研究中，把所研究的生物系統作為一個由許多次一級的部分相互聯結、相互作用並和外界環境相互作用，而且執行著某種統一功能的整體;②能量概念不起實質作用，生物控制論著眼於系統各部分之間以及系統和環境之間的信息交換，即信息的接收、傳遞、處理、存貯與反饋，對其他學科來說通常很重要的能量概念，在這裡並不起實質性作用；③定量化，生物控制論在研究生物系統的動態過程和功能時採取定量的方法，測量與生物系統有關的某些量，並研究這些量之間的數學關係，以形式語言建立起生物系統中信息與控制過程的定量規律，即建立起生物系統的數學模式或在計算機上進行模擬。

和工程式控制制系統相比，生物系統要複雜得多。生物系統內部結構對研究者來說，一般是不清楚的或不太清楚的，即生物系統是“黑箱”或“灰箱”。生物系統常常是一個分層次的多級控制系統，即存在著不同水平的控制中心；高級控制中心可以控制和修改低級控制中心的活動。例如大腦皮層、腦幹和脊髓就是幾個不同層次的控制中樞。

生物系統還往往是非線性的，即不滿足疊加原理（疊加原理系指系統對各個不同刺激組合的反應正相等於它單獨對每個刺激所作反應的相應組合）。生物系統的時變性（即系統的結構或參數隨時間而變化）也很突出。生物系統通常同時要受到多種因素的影響並作出多種反應，在其內外環境中存在多條反饋迴路，即生物系統是多輸入、多輸出、多迴路的系統。生物系統中各個部分之間的相互交聯也非常複雜，要把其中的一部分孤立出來而不影響它的正常功能往往很困難。因此，在生物控制論的研究中，還必須注意生物系統的這些特點，把生物學知識和控制論方法結合起來進行研究。