Біокібернетика

Визначення і загальна характеристика

БІО­КІБЕРНЕ́ТИКА (від біо... і кібернетика) — напрям у біо­логічних науках, що базується на за­стосуван­ні методів кібернетики. Предметом Б. є заг. принципи та механізми здобува­н­ня і зберіга­н­ня інформації, організації й керува­н­ня на всіх рівнях організації живого: клітин­ному, тканин­ному, орган­ному, цілісного організму, популяції, біо­ценозу та біо­сфери в цілому. Б., яка виникла як роз­діл теор. кібернетики, нині інтегрується у від­повід­ні предметні області біології, доповнюючи традиц. методи дослідж. живої природи. Осн. метод Б. — матем. моделюва­н­ня. Для побудови моделей використовують і дані біол. досліджень, і результати спец. дослідів зі встановле­н­ня характеристик керованих і керівних структур біо­систем. Матем. основа Б. — апарат теорії керува­н­ня та заг. теорії систем. Роз­виток Б. повʼязаний з удосконале­н­ням обчислюв. техніки. роль Б. полягає в при­скорен­ні, під­вищен­ні якості та ефективності дослідж. у біо­логії та медицині. Це знаходить від­ображе­н­ня в автоматизації дослідж., викори­стан­ні ЕОМ у медицині, вироблен­ні інтелектуал. інформ. технологій дослідж., діагностуван­ні, про­гнозуван­ні та упр. в біо­логії та медицині, створен­ні біо­тех. систем.

В Україні як наук. напрям Б. склалася на поч. 60-х рр. 20 ст. До серед. 70-х рр. сформувалося кілька укр. шкіл, які ви­вчають мед., фізіол. та психол. кібернетику, нейрокібернетику (М. Амосов, Ю. Антомонов, Л. Алєєв, К. Іванов-Муромський, Е. Кус­суль, А. Попов). Мед. кібернетика створює статист. моделі захворювань й використовує їх для діагностики, про­гнозува­н­ня й лікува­н­ня, а також працює над про­блемами керува­н­ня та опрацюва­н­ня інформації в медицині як соц. сфері. Фізіол. кібернетика ви­вчає керува­н­ня жит­тєвими функціями на рівні клітин, органів і систем організму з пер­спективою викори­ста­н­ня моделей у медицині. Психол. кібернетика на основі даних про поведінку людини створює моделі психіч. функцій. Нейрокібернетика досліджує процеси пере­робле­н­ня інформації у нерв. системі від нейрона до організму в цілому.

Б. ви­вчає явища, складність яких полягає не лише у багатовимірності систем, нелінійності та нестаціонарності, а й у специф. організації взаємозвʼязків фіз. та інформ. процесів, що забезпечує керува­н­ня в живих системах. Особлива роль належить зворотним звʼязкам між частинами системи та показниками їх функціонува­н­ня, що зумовлюють досягне­н­ня певної якості пере­бігу процесів жит­тєдіяльності. Оскільки керува­н­ня в живих системах організоване за ієрарх. принципом, рівні цієї ієрархії від­повід­ають не тільки рівням структур. організації живого, а й різним часовим інтервалам (термінова чи довго­строкова регуляція, адаптація, структурна пере­будова й самоорганізація) та цілям керува­н­ня (стабілізація, стеже­н­ня, оптимізація). Ці процеси створюють складне сплеті­н­ня шляхів пере­дава­н­ня інформації й пере­несе­н­ня речовин. Часто в біо­системі лише умовно можна ви­окремити обʼєкт керува­н­ня й керівну частину, від­окремити при моделюван­ні описи фізіол. та інформ. процесів. За характером опису моделі, що створюються в процесі біо­кібернет. досліджень, умовно можна поділити на феноменологічні (функціональні) та структурні. У феноменол. моделях від­творюються часові та причин­но-наслідк. від­ноше­н­ня в системі без роз­гляду її структури. Структурні моделі будують на основі ві­домостей про внутр. звʼязки в реал. системі. Вони придатніші для від­творе­н­ня її суті, але потребують виробле­н­ня гіпотез щодо характеру внутр. взаємодій. Опис біол. обʼєкта по­єд­нує обидва типи моделей, однак спів­від­ноше­н­ня їх у різних роз­ділах Б. істотно різняться. Так, у фізіол. кібернетиці при моделюван­ні кровообігу, терморегуляції, диха­н­ня, функціонува­н­ня клітини опис керов. процесів транс­портува­н­ня речовин базується на фіз. законах. Керувальні спів­від­ноше­н­ня від­творюються за допомогою феноменол. моделей. З пере­ходом до моделюва­н­ня інформ. процесів вищих рівнів (ЦНС, психіка) пере­важають феноменол. описи.

До осн. досягнень Б. в Україні належить створе­н­ня моделей фізіол. функцій організму людини й тварин у нормі, за наявності патології та екс­трем. умов жит­тєдіяльності, що використовуються для оцінки стану організму, роз­робле­н­ня біо- та медико-тех. при­строїв і систем штуч. керува­н­ня жит­тєвими функціями. Низка результатів психол. кібернетики та нейрокібернетики зна­йшла за­стосува­н­ня при створен­ні методик тестува­н­ня псих. стану людини, а також у тех. кібернетиці та ЕОМ (робототехніка, нейрокомпʼютери). За­пропонована гіпотеза про механізми опрацюва­н­ня інформації головним мозком людини стала основою створе­н­ня нейромережевих систем керува­н­ня транс­порт. роботами, які за­стосовують у природ. середовищі. Ці роз­робки сприяли створен­ню нейрокомпʼютерів, у яких процес про­грамува­н­ня замінюється процесом на­вча­н­ня роз­вʼязувати задачі. Роз­роблено метод про­грам. біо­електр. керува­н­ня рухами людини, створ. низку біо­тех. систем типу «Міотон» для від­новле­н­ня рухових функцій людини, які широко використовуються в клініках. Опрацьовано концепцію здоровʼя людини, ви­значено алгоритми його кількісного вимірюва­н­ня. За­пропоновано модель особистості для про­гнозува­н­ня поведінки окремої людини й колективу. Завдяки бурхл. роз­виткові та за­проваджен­ню персон. компʼютерів і роз­виненого матем. забезпече­н­ня в біо­логії виникла нова галузь досліджень — обчислюв. біо­логія. Осн. зав­да­н­ня — отрима­н­ня нових знань на основі обчислюв. екс­периментів із компʼютер. моделями, що максимально точно від­творюють реальну складність біол. обʼєктів.

Літ.: Эшби У. Р. Кон­струкция мозга / Пер. с англ. Москва, 1964; Амосов Н. М. Моделирование сложных систем. К., 1968; Алєєв Л. С. Біо­електрична система «Міотон» і рухові функції людини // Вісн. АН УРСР. 1969. № 4; Теоретические ис­следования физиологических систем. К., 1977; Амосов Н. М. Алгоритмы разума. К., 1979; Методы математической биологии. Кн. 1–8. К., 1981; Амосов Н. М. Нейрокомпьютеры и интел­лектуальные роботы. К., 1991; Кус­суль Э. М. Ас­социативные нейроподобные структуры. К., 1992.

Б. Л. Палець

Завантажити статтю