Біокібернетика

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. пов’язаний 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 взаємозв’язків фіз. та інформ. процесів, що забезпечує керування в живих системах. Особлива роль належить зворотним зв’язкам 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 об’єкт 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. зв’язки в реал. системі. Вони придатніші для відтворення її суті, але потребують вироблення гіпотез щодо характеру внутр. взаємодій. Опис біол. об’єкта 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, нейрокомп’ютери). 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 нейрокомп’ютерів, у яких процес програмування замінюється процесом навчання розв’язувати 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 здоров’я людини, визначено алгоритми його кількісного вимірювання. Запропоновано модель особистості для прогнозування поведінки окремої людини й колективу. Завдяки бурхл. розвиткові та запровадженню персон. комп’ютерів і розвиненого матем. забезпечення в біології виникла нова галузь досліджень – обчислюв. біологія. Осн. завдання – отримання нових знань на основі обчислюв. експериментів із комп’ютер. моделями, що максимально точно відтворюють реальну складність біол. об’єктів.

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

Рекомендована література

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.