Biofizica - Conf. Dr. Constanta GANEA - Curs 4.1

NOŢIUNI DE BIOCIBERNETICĂ

1. Introducere

Cibernetica studiaza procesele de reglaj, comanda si control în functionarea masinilor, a organismelor vii si a structurilor sociale.

Sistemele cibernetice - ansamble finite de elemente materiale care interactioneaza unele cu altele si cu mediul exterior prin interactiuni informationale.

Exista doua capitole ale ciberneticii: 1) teoria informatiei si 2) teoria sistemelor de comanda.

2. Problematica ciberneticii si relatiile ei cu celelalte stiinte

Cibernetica studiaza probleme ale diferitelor discipline stiintifice pe care, însa, le abordeaza conform unei metode proprii care se bazeaza pe: a) abstractizare si b) modelare.

a) Cibernetica face abstractie atât de natura materialului din care este alcatuit sistemul, cât si de energia necesara functionarii sale. Ceea ce ramâne în urma abstractizarii este schema constitutiva sau structurala a sistemului si schema de functionare sau comportamentala a acestuia. Schema structurala contine un numar de unitati legate între ele, numite de catre Ashby "cutii negre" (black box) deoarece continutul lor ramâne necunoscut. Schema comportamentala este reprezentata de succesiunea starilor prin care trece sistemul la interactiunea cu mediul ambiant.

b) Modelarea sistemului studiat poate consta în desenarea (trasarea) schemei logice sau grafice a sistemului si/sau construirea unui dispozitiv tehnic care sa imite functia sistemului studiat (nu este necesara). Prin modelare se poate gasi functia de transfer a sistemului (modul în care sistemul actioneaza asupra marimii de intrare) sau, când aceasta este cunoscuta, poate fi gasita marimea de iesire. (Fig. Etapele elaborarii unui model cibernetic).

Ea este înrudita cu bionica - disciplina al carei obiect este aplicarea în tehnica a unor principii de functionare a sistemelor biologice.

3. Elemente de teoria informatiei

Pentru a defini informatia este necesara introducerea unor notiuni elementare de teoria probabilitatilor: experiment, eveniment, frecventa de aparitie, probabilitate.

Experimentul este evolutia unui sistem catre o stare finala numita eveniment. Un experiment se poate solda cu un numar oarecare, n, de evenimente diferite, fiecare dintre aceasta având o anumita frecventa de aparitie, n_i. Frecventa relativa de aparitie, f_i, a unui eveniment va fi:

cu i = 1,..., n

unde reprezinta numarul total de repetari ale experimentului. Daca numarul de repetari ale experimentului va fi foarte mare, teoretic infinit, se defineste probabilitatea de realizare a evenimentului i, p_i, astfel:

cu

Probabilitatea de realizare a experimentului cert este 1. Daca evenimentele sunt egal probabile si diferite între ele, probabilitatea lor de aparitie va fi . Un exemplu este dat de experimentul clasic al aruncarii unui zar. Numarul distinct de evenimente este 6, respectiv producerea unui eveniment fiind reprezentata de aparitia uneia din cele 6 fete ale zarului. Pentru un numar foarte mare de aruncari, probabilitatea de aparitie a unei fete va fi .

Atunci când se afla rezultatul unui experiment se spune ca se obtine o informatie. Un mod de a defini informatia este urmatorul: se obtine o informatie atunci când se ia cunostinta de realizarea unui eveniment în urma unui experiment al carui rezultat nu este cunoscut dinainte. Cu cât gradul de surpriza la obtinerea unei informatii este mai mare, cu atât cantitatea de informatie obtinuta este mai mare. Gradul de surpriza este cu atât mai mare cu cât evenimentul este mai putin probabil. Nu produce nici o surpriza evenimentul cert, având p = 1. Cu alte cuvinte, exista o corelatie între probabilitatea de realizare a evenimentului si cantitatea de informatie furnizata de acesta.

Informatia poate fi considerata ca o însusire a materiei care leaga parti determinate ale unui sistem. Ea nu se identifica nici cu energia, nici cu substanta si deci nu este de natura materiala. Totusi, pentru a putea fi transmisa, ea are nevoie de un suport material si de o cantitate de energie. Spre deosebire de energie, prin transmitere cantitatea de informatie nu va fi diminuata. Informatia capata semnificatie atunci când exista un receptor care sa o înteleaga.

Definitia cantitatii de informatie

Shannon, initiatorul teoriei informatiei, a propus pentru cantitatea de informatie, I_i, urmatoarea formula:

Formula îndeplineste conditiile privitoare la corelatia dintre valoarea informatiei, prin gradul de surpriza pe care-l ofera, si probabilitatea de producere a evenimentului. Astfel, pentru evenimentul cert, cu p_i = 1:

Pentru stabilirea unitatii de masura a cantitatii de informatie Shannon a propus utilizarea logaritmilor în baza 2 (legat de sistemele tehnice de transmitere a informatiei). Aceasta unitate a fost numita bit (binary digit). Bitul reprezinta cantitatea de informatie care se obtine în urma unui experiment cu doua rezultate posibile si egal probabile. Un multiplu al bitului este 1 byte = 2³ bit (octet).

Informatia medie a unui experiment

Daca un experiment este realizat o singura data, producând evenimentul i, el furnizeaza o cantitate de informatie I_i. Daca experimentul este repetat de mai multe ori, iar fiecare eveniment i posibil are probabilitatea de aparitie p_i, se va obtine o informatie totala care depinde de informatia oferita de fiecare eveniment. Astfel, la N repetari ale experimentului, cu n_i frecventa de aparitie a evenimentului i si , cantitatea de informatie pentru fiecare eveniment este: . Informatia totala va fi:

Informatia medie se va scrie:

sau

În cazul în care N este foarte mare (teoretic N ), , de unde:

Informatia medie, notata cu H, a fost numita de Shannon entropie informationala, datorita faptului ca expresia ei este analoga cu formula lui Boltzmann a entropiei termodinamice:

În cazul a n evenimente egal probabile si entropia informationala va avea valoarea maxima H_m = I_{m max}:

Diferenta dintre entropia informationala maxima si cea reala a unui experiment, notata cu R, se numeste redundanta absoluta:

R = H_max - H

În practica se foloseste frecvent marimea numita redundanta relativa, R_r:

Cu cât entropia reala este mai mica, deci cu cât numarul de legaturi dintre diferitele evenimente care se succed este mai mare, cu atât redundanta relativa este mai mare.

Exemple

Pe baza formulei cantitatii de informatie, I_t, se poate calcula continutul informational al unei macromolecule, formata din N unitati:

unde p_i este probabilitatea cu care poate fi întâlnita specia i.

Cazul I. Macromolecula este o proteina formata din N = 500 aminoacizi. Se considera ca fiecare dintre cei n = 20 aminoacizi diferiti cunoscuti poate sa apara cu aceeasi probabilitate: . Informatia totala continuta în lantul de aminoacizi va fi:

I_t = N log n = 500 log₂20 = 2200 bit

Cazul II. Macromolecula este un lant de ADN, cu N = 10⁶ baze azotate. Daca cele 4 baze azotate distincte apar cu aceeasi probabilitate,:

I_t = N log n = 10⁶ log₂ 4 = 2 10⁶ bit

Entropie informationala si entropie termodinamica

Dupa cum s-a aratat anterior, informatia medie a fost numita entropie informationala datorita asemanarii dintre expresia acesteia si cea a entropiei termodinamice în formularea lui Boltzmann, . În realitate legatura dintre cele doua tipuri de entropie este mult mai adânca. Daca se considera un sistem termodinamic total dezordonat, format din N particule identice cu energii diferite, formula lui Boltzmann devine: S = k ln N unde k = constanta lui Boltzmann, iar N este probabilitatea termodinamica a starii. S indica gradul de dezordine al sistemului. Pentru un sistem foarte ordonat, numarul de dispuneri ale particulelor, deci numarul de stari posibile ale sistemului, este foarte mic si deci entropia termodinamica a sistemului va fi mica. La limita, pentru o singura stare posibila, deci sistem perfect ordonat, entropia ar fi nula (stare interzisa de principiul III al termodinamicii).

Paradoxul lui Maxwell.

Pentru a ilustra corelatia dintre entropia termodinamica si entropia informationala, Maxwell a imaginat urmatorul experiment ideal: Doua compartimente izolate adiabatic de exterior contin un acelasi gaz ideal, la temperaturi diferite. Daca între cele doua compartimente va exista un orificiu care sa permita trecerea moleculelor dintr-o parte în cealalta, dupa un timp, în urma difuziei, se va produce egalizarea temperaturilor, cu alte cuvinte, vitezele medii ale moleculelor vor fi aceleasi pentru ambele compartimente. În acest fel, sistemul format din cele doua compartimente care contin gaz ideal va trece de la o stare cu un anumit grad de ordine, la o stare total dezordonata, caracterizata printr-o entropie termodinamica mai mare. Maxwell presupune ca orificiul dintre cele doua compartimente poate fi închis cu o usita microscopica care functioneaza fara frecari si care poate fi actionata de o entitate imaginara pe care o numeste "demon". Acest "demon" al lui Maxwell poseda informatie si anume, el poate distinge moleculele pe baza vitezei pe care acestea o au. "Demonul" lasa sa treaca într-unul din compartimente numai acele molecule cu viteza mai mare decât viteza medie, iar în celalalt numai moleculele cu viteza mai mica decât aceasta. Prin aceasta, cele doua compartimente vor ajunge la temperaturi diferite si entropia termodinamica a sistemului va scadea. Scaderea entropiei termodinamice se produce pe seama informatiei pe care o poseda "demonul". Informatia "demonului" actioneaza ca o entropie termodinamica negativa, numita neg-entropie.

Tot astfel, în procesul de creatie are loc o scadere a entropiei termodinamice si o crestere a organizarii. Invers, pentru a obtine informatie, un sistem se descompune si gradul de dezorganizare al acestuia creste. Cu privire la organismele vii, Schroedinger a afirmat ca acestea evita cresterea entropiei preluând din mediul exterior neg-entropie. Astfel, ele iau energie libera din exterior si elimina produsii de dezasimilatie.

4. Transmiterea informatiei

Informatia primita în momentul în care se ia cunostinta de realizarea unui eveniment sau de schema structurala sau comportamentala a unui sistem poate fi transmisa unor sisteme vii sau unor dispozitive tehnice. Informatiile sunt transmise sub forma de mesaje. Mesaj - ansamblu de idei, imagini sau date. Mesajul, la rândul sau, este constituit din semnale - valori particulare ale unor marimi fizice, chimice sau numerice. Semnalelor li se pot atribui simboluri, iar ansamblul simbolurilor formeaza alfabetul. De exemplu, semnalelor acustice care reprezinta sunetele vorbirii li se asociaza simbolurile numite litere, iar aceste litere formeaza alfabetul limbii respective. Semnalele se pot propaga la distanta printr-un mediu fizic numit canal de informatie. În cazul sunetelor vorbirii canalul de informatie este reprezentat de aerul prin care se propaga vibratiile sonore emise de catre vorbitor. În multe cazuri, însa, transmiterea informatiei necesita transformarea semnalului emis într-un alt semnal, care va purta acelasi mesaj, dar va avea o natura fizica diferita, mai bine adaptata canalului utilizat. De exemplu, pentru a transmite sunetele la distanta este nevoie de transformarea vibratiilor mecanice ale aerului (atenuate rapid cu distanta) în semnale electrice sau electromagnetice. În cazul transmiterii telefonice, vibratiile sonore care constituie sunetele vorbirii sunt transformate cu ajutorul unui microfon în semnale electrice, acestea sunt transmise la distanta prin intermediul liniei telefonice si retransformate în vibratii sonore la locul de destinatie, prin intermediul unui difuzor.

Prelucrarea semnalelor

Prin aranjarea semnalelor într-o succesiune sau alta se pot alcatui diferite mesaje. Totalitatea semnalelor distincte utilizate de o sursa pentru a alcatui si transmite mesaje formeaza alfabetul sursei. Totalitatea semnalelor distincte care circula de-a lungul canalului în vederea transmiterii unui mesaj formeaza alfabetul canalului. Un sistem de transmitere a informatiei poate utiliza mai multe tipuri de semnale, fiecare adaptat canalului. Pentru a asigura trecerea de la un tip de semnal la altul, semnalele sunt prelucrate. Prelucrarea semnalelor comporta trei operatii: 1) codificarea; 2) traducerea si 3) modularea.

1) Codificarea reprezinta stabilirea corespondentei dintre alfabetul sursei si cel al canalului folosit, astfel încât, desi exprimata prin semnale de natura diferita, informatia transmisa sa fie aceeasi.

2) Traducerea reprezinta transformarea unei marimi (fizice sau chimice) într-o marime de alt tip prin intermediul unui traductor. De exemplu, vibratia membranei bazilare din urechea interna (marime mecanica) este transformata prin intermediul celulelor ciliate interne în influx nervos (marime electrica). Semnalul luminos care cade pe retina este transformat prin intermediul celulelor fotoreceptoare în semnal electric.

3) Modularea consta în construirea semnalelor necesare transmiterii unui mesaj prin modificarea unui parametru al marimii fizice considerate. Exista o modulare în amplitudine, prin varierea amplitudinii sau intensitatii unei marimi, si o modulare în frecventa, atunci când marimea are caracter periodic. Daca semnalele prezinta o variatie continua, ele se numesc semnale analogice. În sistemele biologice poate exista o variatie continua a amplitudinii, frecventei sau fazei. Semnalele cu variatie discontinua (semnale discrete) pot fi reprezentate printr-o serie de impulsuri sau semne (de exemplu cifre). Semnalele cifrice sunt numite semnale digitale (digit - cifra). Cu asemenea semnale se opereaza în calculatoarele digitale.

Alte doua operatii întâlnite în prelucrarea semnalelor sunt: 4) conversia analog-digitala (si invers) si 5) amplificarea. Conversia analog digitala este întâlnita de exemplu în diverse dispozitive de înregistrare a unor date experimentale si stocare a acestora în calculator. Amplificarea consta în marirea puterii semnalului. Energia necesara amplificarii provine de la o sursa exterioara sursei de semnale. De exemplu, în celulele senzoriale se produce o amplificare de putere pe baza energiei obtinute pe cale metabolica. Astfel, un foton poate bloca trecerea prin membrana celulei fotoreceptoare a 10⁶ sarcini electrice elementare, declansând senzatia de vedere.

Schema generala a unui sistem simplu de transmitere a informatiei

Cel mai simplu sistem de transmitere a informatiei este alcatuit din urmatoarele elemente: sursa - fiinta, instalatie tehnica sau parte a acestora, care genereaza mesaje (alcatuite din semnale), canal de transmitere a informatiei - mediul fizic prin care se transmite mesajul, destinatar (receptor) - instalatie tehnica sau fiinta care primeste si utilizeaza informatia. Sistemul poate fi afectat de perturbatii (semnale care nu fac parte din mesajul sursei). Daca informatia este transmisa prin mai multe canale, mai adecvate transmiterii, semnalele sunt adaptate corespunzator si, de aceea, sistemului i se mai adauga niste elemente.

Schema generala a unui sistem complex de transmitere a informatiei (fig.) contine pe lânga elementele sistemului simplu un traductor transmitator (de exemplu, microfonul telefonului) care transforma semnalul sursei în semnalului canalului de transmisie (linia telefonica) si un traductor receptor (exemplu, difuzorul telefonului) care transforma semnalul canalului în semnalul adecvat pentru destinatar. Perturbatiile pot afecta la orice nivel transmiterea corecta a mesajului. De aceea se utilizeaza în practica un surplus de semnale, numite semnale redundante, care maresc sansa ca mesajul sa fie înteles de destinatar. În comunicatii se întelege prin redundanta cantitatea suplimentara de informatii care se transmite pentru a asigura eficienta unui semnal si care intervine ori de câte ori se pune problema stabilitatii comunicatiilor.

5. Canalul neuronal ca sistem de transmitere a informatiei

Întreaga informatie pe care o fiinta o primeste din lumea înconjuratoare prin organele sale senzoriale este transmisa sistemului nervos central prin fibre nervoase. Se poate, deci, afirma ca întregul sistem nervos este un imens sistem de transmitere si prelucrare a informatiilor primite din lumea înconjuratoare sau din interiorul propriului corp.

Caracterizarea canalului neuronal si a parametrilor sai informationali.

Un model cibernetic simplu al unei fibre nervoase implica urmatoarele componente (fig. canal neuronal):

- Sursa de informatie - terminatia nervoasa cu membrana presinaptica.

- Semnale - moleculele de mediator chimic.

- Traductor transmitator I - membrana postsinaptica; semnalul chimic modulat în amplitudine se transforma în semnal electric modulat în amplitudine, respectiv un potential de actiune local.

- Canal I - dendritele si corpul neuronal.

- Traductor transmitator II - conul axonal; conul axonal este zona de emergenta a axonului din corpul neuronal si are forma unui trunchi de con. Potentialele de actiune locale, modulate în amplitudine, care provin din membrana dendritica si din cea a corpului neuronal determina conul axonal sa declanseze o salva de potentiale de actiune tot-sau-nimic, modulate în frecventa. Cu cât amplitudinea semnalului sosit la nivelul conului axonal este mai mare, cu atât mai mare este frecventa potentialelor tot-sau-nimic produse.

- Canal II - axonul (canal axonal) pe care circula semnale modulate în frecventa (potentiale de actiune tot-sau-nimic care se propaga nedecremental).

- Traductor receptor I - terminatie nervoasa la nivelul careia are loc transformarea semnalelor modulate în frecventa în semnale modulate în amplitudine.

- Canal de tip I - buton terminal pe care circula semnale modulate în amplitudine (potentiale locale care se propaga decremental).

- Traductor receptor II - membrana presinaptica în care semnalele electrice se transforma în semnale chimice (eliberarea moleculelor de mediator).

- Destinatar - celula neuronala, musculara sau glandulara.

Retele neuronale

Sistemul nervos central (SNC) este o retea complexa de neuroni: un neuron excita sau inhiba simultan mai multi neuroni si primeste semnale de la mai multi neuroni. Creierul uman contine cca. 14 10⁹ neuroni. Retelele neuronale pot fi studiate matematic, pe baza ecuatiilor diferentiale ale excitatiei nervoase, sau logic. Mai usor de abordat este calea logica.

Ipotezele care stau la baza tratarii logice a retelelor neuronale sunt urmatoarele:

- neuronul se poate afla în doua stari: de excitatie si de repaus;

- pentru a trece din starea de repaus în starea de excitatie trebuie ca excitantul sa depaseasca un anumit prag;

- transmisia sinaptica se face cu o întârziere de cca. 0,5 ms.

Exemple de retele neuronale simple (fig. retele simple).Reteaua de sumare - pentru ca neuronul 3 sa se excite este necesar sa primeasca semnale atât de la neuronul 1 cât si de la neuronul 2.

Reteaua de întârziere - pentru ca neuronul 3 sa raspunda cu întârziere la semnalul provenit de la neuronul 1 se intercaleaza între cei doi neuroni neuronul 2.

Reteaua de multiplicare - la un singur semnal produs de neuronul 1, neuronul 6 raspunde de 5 ori la rând, fiecare raspuns fiind separat de celelalte prin 0,5 ms.

Reteaua reverberanta - desi primeste un singur semnal de la neuronul 1, neuronul 2 raspunde de un numar indefinit de ori.

Se pot imagina numeroase alte tipuri de retele neuronale: pentru recunosterea formelor, accentuarea contrastului, instruibile etc.

Retelele reverberante joaca un rol important în procesele de memorizare, mai ales îm memoria de scurta durata. Circulatia permanenta între neuronii unei retele reverberante duce la permeabilizarea cailor respective si în acest fel se realizeaza o cale preferentiala de circulatie a impulsurilor. Se constata chiar o marire a volumului neuronului si axonului, suprafata de contact dintre doi neuroni este sporita. Sunt posibile chiar modificari biochimice la nivelul nucleoproteinelor. Totusi, un om supus anesteziei profunde care suprima temporar activitatea electrica a scoartei, deci si circulatia mesajelor de scurta durata, nu-si schimba la trezire comportamentul si nici nu-si pierde reflexele conditionate. Deci trebuie sa existe si alte sisteme de memorizare care presupun transpunerea mesajelor electrice în modificari structurale (forme de memorie fixa). Asemenea sisteme asigura, probabil, memoria de lunga durata.

Învatare si memorie

Învatare - procesul de dobândire a unor informatii (noi) despre lume.

Memorare - procesul de retinere pentru o anumita perioada de timp a acestor informatii.

Memorie - totalitatea aspectelor functionale si structurale legate de învatarea si de memorarea informatiilor, de regasirea la nevoie a informatiilor memorate, precum si de uitarea partiala sau totala a informatiilor memorate.

Clasificari ale memoriei:

- senzoriala - ce retine datele primite prin organele de simt

- motorie - ce se refera la un anumit comportament sau la un grad sporit de îndemânare

Memoria imediata - dureaza un timp de ordinul secundelor. La baza ei sta aparitia unor retele reverberante. Cu timpul, neuronii implicati în aceste retele vor contura, prin modificari functionale si structurale ale sinapselor, cai preferentiale de circulatie a impulsurilor nervoase, fapt ce sta la baza MSD si MLD.

Memorie de scurta durata (MSD)

- retine informatiile timp de minute sau ore.

Memorie de lunga durata (MLD)

- actioneaza zile, saptamâni, luni sau ani

Memoria de scurtă durată (MSD) si memoria de lunga durata (MLD)
presupun modificari durabile ale unor proteine, modificari care trebuie să fie protejate de efectul distrugator al turnoverului metabolic.
Memoria de scurta durata. (MSD) opereaza fara a avea nevoie de sinteza unor proteine, limitându-se la modificarea celor deja existente sau la etalarea lor functionala în cazul în care ar fi mascate de alte molecule.

Memoria de lunga durata(MLD) presupune, însa, sinteza de novo a proteinelor. Acest lucru devine evident daca se administreaza în timpul procesului de învatare sau imediat dupa acesta un inhibitor al sintezei proteice, de exemplu antibioticele puromicin, cicloheximin sau anisomicin. Rezultatul este neretinerea respectivelor informatii. Daca asemenea inhibitori (fie transcriptionali, fie translationali) se administreaza dupa mai mult de o ora de la încercarea de învatare, nu mai apare deficitul de memorie. Exista, asadar, un interval îngust de timp în care are loc sinteza proteinelor memoriei iar acest interval coincide cu actul memorarii.

Fluxurile informationale prin fibrele nervoase.

Un canal neuronal poate fi caracterizat prin doua marimi:

- informatia medie care se transmite prin canal sau fluxul de transinformatie, având ca unitate bit s;

- capacitatea canalului, repezentând valoarea maxima a fluxului de transinformatie.

O fibra nervoasa transmite o informatie medie de 1150 bit s, iar capacitatea canalului neuronal este de 1400 bit s. În cazul unui nerv cu N fibre, informatia totala care circula prin fibrele acestuia este de N(1000 - 1400) bit s. Retina transmite o informatie de cca. 10¹⁰ bit s (exista cca 10⁸ celule fotoreceptoare care pot distinge 32 nivele de stralucire pentru o imagine realizata în 1 16 sec.). Omul primeste din lumea înconjuratoare 10¹⁰-10¹¹ bit s din care sunt constientizati 100 bit s, 10 bit s reprezinta memoria de scurta durata, iar 1 bit s memoria de lunga durata.

Schema cibernetica a analizorilor

Semnalele luminoase, acustice, termice, chimice, mecanice, din exterior sunt traduse la nivelul receptorilor în semnale electrice. În mod corespunzator, receptorii pot fi fotoreceptori, mecanoreceptori, termoreceptori, chemoreceptori (gust, miros), nociceptori (durere) etc.

În functie de provenienta informatiilor putem distinge: exteroceptori (informatiile provin din mediul exterior), interoceptori (informatiile provin din mediul intern - de exemplu cele privind presiunea sângelui, concentratia glucozei - si nu sunt constientizate) si proprioceptori (informatiile provin de la tesuturi si organe - de exemplu muschi, organe, articulatii).

În functie de modul în care reactioneaza la stimuli, receptorii sunt de urmatoarele tipuri: on - începerea stimularii, off - încetarea stimularii, on-off - atât la începerea cât si la încetarea stimularii si continui - pe tot parcursul stimularii.

Schema generala a unui analizor cibernetic consta (fig) din segmentul periferic, respectiv celulele receptoare si terminatiile nervoase în contact cu ele si din segmentul central, respectiv restul fibrelor nervoase, corpii neuronali din ganglioni, retelele neuronale din mezencefal si zona de proiectie din scoarta cerebrala. Trecerea de la segmentul periferic la cel central, din punct de vedere al semnalelor transmise, se face în terminatiile nervoase, în care semnalele modulate în amplitudine se transforma în semnale modulate în frecventa. În general, segmentul periferic opereaza cu semnale modulate în amplitudine iar segmentul central cu semnale modulate în frecventa. Scoarta cerebrala primeste trenuri de impulsuri de diferite frecvente. Pe baza frecventei si a locului de pe scoarta în care ajung impulsurile se codifica diferitele proprietati ale stimulilor.

Informatia genetica.

ADN-ul si ARN-ul sunt macromolecule în care este codificata informatia genetica prin secventa de baze azotate. Cele patru (cinci) tipuri de baze alcatuiesc un alfabet în care o anumita tripleta semnifica un aminoacid (A-adenina, C-citozina, G-guanina, T-timina - respectiv U-uracilul). Pe baza mesajului informational purtat de acizii dezoxiribonucleici, preluat de ARN, se construiesc în ribozomi proteinele prin asamblarea aminoacizilor într-o anumita ordine. Pentru a face posibila aceasta asamblare trebuie sa se treaca de la codul bazelor azotate la cel al proteinelor, bazat pe un alfabet de 20 de simboluri corespunzând aminoacizilor. Etapele transferului de informatie sunt urmatoarele (fig):

- Transcriptia: de la ADN (A,C,G,T) informatia trece la ARN mesager (ARN-m)(A,C,G,U).

- Traducerea: unei triplete de baze i se asociaza un aminoacid. De exemplu: GAU - Asp, AAU - Asn. Pentru aceasta, între ARN-m si etapa de sinteza a proteinei se interpune ARN de tranfer (ARN-t) care are capacitatea de a recunoaste un cuvânt de cod si de a reactiona specific cu un aminoacid. Schema cibernetica a acestui proces (fig.) are urmatoarele componente:

- ADN reprezinta sursa de mesaje având ca alfabet al sursei ACGT.

- ARN-m reprezinta canalul având alfabetul ACGU.

- ARN-t reprezinta receptorul care receptioneaza un codon (tripleta de baze azotate).

- Polisomul este destinatarul care constituie aparatul de sinteza proteica.

SISTEME CU REGLARE AUTOMATĂ

Sisteme de comanda (în circuit deschis)

Un sistem de comanda este un ansamblu de elemente în care o marime de intrare aplicata unui element de executie genereaza o marime de iesire (fig.). Un exemplu clasic de sistem de comanda este reprezentat de cârma unui vas sau de volanul unei masini. Pozitia volanului este marimea de intrare, volanul si elementele pentru directie constituie elementul de executie iar directia de deplasare a rotilor reprezinta marimea de iesire. Un sistem de comanda poate lucra cu amplificare de putere; prin aplicarea unor energii mici se pot controla puteri mari la iesire.

Sistem de comanda cu reglare automata

Existenta perturbatiilor impune un control permanent al modului în care se realizeaza marimea de iesire astfel încât orice abatere sa poata fi corectata. Realizarea acestui control este posibila prin introducerea a doua dispozitive suplimentare si anume un dispozitiv care masoara marimea de iesire reala - element de masurare - si un dispozitiv care o compara cu valorile prestabilite (cerute) - comparator - si modifica marimea de intrare în scopul corectarii erorilor (fig.). Odata abaterea cunoscuta, marimea de intrare este astfel modificata încât marimea de iesire sa ajunga la valoarea corecta. Marimea de intrare modificata în acest fel se numeste marime de actionare. Se observa ca în acest sistem informatia circula nu numai de la marimea de intrare spre cea de iesire si invers. Se realizeaza în cadrul sistemului de comanda o legatura inversa (retroactiune sau feed-back). O asemenea legatura inversa poate fi asigurata de om (volan, cârma), dar în numeroase sisteme de comanda, tehnice sau biologice, fara interventia acestuia. Un sistem de comanda prevazut cu o legatura inversa negativa (care diminueaza abaterile de la normal ale marimii de iesire) poarta numele de sistem cu reglare automata.

Legatura inversa

Legatura inversa reprezinta circulatia informatiei de la marimea de iesire catre marimea de intrare în cadrul unui sistem de comanda. Exista doua tipuri de legatura inversa: 1) legatura inversa negativa si 2) legatura inversa pozitiva.

Prin efectele sale, legatura inversa negativa se opune variatiei marimii de iesire, corectând-o. În acest fel ea asigura stabilitatea sistemului fie prin pastrarea constantei în timp a marimii de iesire, fie prin mentinerea unei proportionalitati între aceasta si marimea de intrare. Efectul acestui tip de legatura se obtine dupa oscilatii prealabile care, daca sunt mici, nu afecteaza stabilitatea sistemului. Slabirea legaturii inverse duce la amplificarea acestor oscilatii atât în sistemele tehnice cu autoreglare cât si în cele biologice.

Legatura inversa pozitiva face, prin efectele sale, ca o deviere într-un anumit sens a marimii de iesire sa nu fie corectata ci, dimpotriva, accentuata în mod continuu, pâna când se ajunge într-o stare extrema. Daca aceasta deviatie este o crestere, marimea de iesire ajunge la o valoare maxima posibila pentru sistemul dat, pe care îl distruge (explozie). Daca deviatia duce la o scadere, marimea de iesire ajunge la o valoare minima care poate conduce la blocarea sistemului. Legatura inversa pozitiva genereaza instabilitate fie ducând la autodistrugerea exploziva a sistemului, fie la blocarea sa. Cu toate acestea, în numeroase cazuri, starile extreme la care ar trebui sa ajunga sistemul sunt evitate ca urmare a doua împrejurari care limiteaza efectele legaturii inverse pozitive:

- aparitia la un moment dat a unei legaturi inverse negative care stabilizeaza sistemul într-o noua stare de echilibru;

- transformarea sistemului într-un alt sistem, calitativ diferit, în care legatura inversa pozitiva îsi pierde semnificatia. Se spune ca are loc o mutatie.

Prin efectele lor, cele doua tipuri de legaturi au o importanta deosebita în evolutia lumii vii. Astfe, legatura inversa pozitiva duce la mutatia si evolutia evolutia sistemelor vii iar legatura inversa negativa duce la stabilitate si la conservarea unor caractere dobândite.

Sisteme biologice de comanda cu reglare automata

1. Homeostazia - pastrarea parametrilor biologici ai unui organism în limite normale este asigurata prin actiunea legaturii inverse negative.

2. Reflexul pupilar reprezinta un sistem de comanda care contine urmatoarele componente: marimea de intrare - diametrul pupilei; elementul de executie - irisul; marimea de iesire - fluxul luminos pe retina; elementul de masurare - retina; comparatorul - centrul pupilo-motor din mezencefal. Legatura inversa este realizata în modul urmator: fibre ale nervului optic comunica centrului pupilo-motor nivelul de iluminare pe retina iar neuronii acestuia inerveaza muschii irisului comandând astfel nivelul de iluminare.

3. Arcul reflex neuromuscular contine urmatoarele elemente: marimea de intrare - impulsul nervos, elementul de executie - muschiul, marimea de iesire - contractia, elementul de masurare - corpusculii Golgi din tendon si fusurile neuromusculare, elementul de comparare - centrii nervosi (compara contractia reala cu cea dorita). Marimea de intrare se modifica devenind marime de actionare.

4. Potentialul tot-sau-nimic reprezinta un sistem de comanda cu legatura inversa pozitiva. Marimea de intrare este reprezentata de deschiderea portilor canalelor de Na, elementul de executie - influxul ionilor de Na, marimea de iesire - depolarizarea membranei axonale. Legatura inversa pozitiva este realizata astfel: senzorii canalelor de Na comanda, ca urmare a depolarizarii, deschiderea a noi canale de Na si apare o amplificare a semnalului care ar duce la distrugerea axonului ca urmare a patrunderii în avalansa a ionilor de Na (reactie pozitiva). Acest lucru este evitat prin aparitia unei legaturi inverse negative: deoarece interiorul celulei devine pozitiv, ionii pozitivi sunt respinsi si se comanda deschiderea canalelor de K. Prin iesirea K din celula se restabileste valoarea normala a potentialului de repaus si se închid canalele de Na. K va reveni în celula în mod pasiv iar Na va iesi prin activitatea pompelor ionice.