生物控制论biocybernetics

系运用控制论的理论和方法来研究生物系统中信息传递、处理过程及控制规律等的科学。通过大量研究证实生物界，尤其动物界具有接收信息、传递信息、处理信息、控制信息的能力。其中接收信息为选择性地接收，如对声音多能接受在一定波长与频率范围内；传递信息途径与速度不一；能否发生反应常有一定量，即阈值；反应情况不一，可弱反应、中等度反应、强反应、超限抑制等。生物有完整的调控系统，有其独特的控制装置，以利于其生物体的功能活动。失控则为病态。

生物控制论

用控制论的原理研究生物系统中的自动调节、控制规律，以及信息的传输、加工、处理、储存的科学。着重研究生物系统各组成部分及其与外部环境的相互联系和相互制约。对生物学的发展起了推动作用。

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生物控制论

研究生物系统中的控制、调节和信息处理规律的综合学科。主要研究内容包括生物系统分析和神经控制论两个方面。作为从系统和整体的角度去研究生命现象的一种手段，前景十分宽广。

生物控制论biocybernetics

按照控制论奠基者N.Wiener的定义，控制论是“关于在动物和机器中控制和通讯的科学”。生物控制论则是运用控制论的理论和方法来研究生物系统，其主要研究内容是生物体中的信息传递、处理过程和控制规律等。

生物控制论

生物控制论是研究生物系统中控制与信息处理的科学。生物机体与自动控制系统都由许多部件组成，虽然在具体物质结构上存在差别，但在功能上却有相似的作用和共同的支配运动的规律。例如，在一些工业生产过程中，保持温度、压力等的稳定是正常生产的必要条件，而在生物机体中，保持体温、血压等内环境的相对稳定性也是生命活动的必要条件。生物机体和自动机器间的功能结构和运动规律的共性，是控制论研究的主要内容。维持工业生产过程或人体内环境稳定性的系统称为自动控制系统或自动调节系统。生物机体自动调节系统一般由若干基本功能部件所组成：
❶测量实际调节效果的感受器，如中枢的温度感受器，皮肤上的冷觉、温觉感受器；
❷对效果作比较评价，然后发出控制命令的调节中枢，如体温调节中枢；
❸具有执行功能的效应机构，如汗腺发汗，血管收缩等。
在控制论发展初期，生物系统是其研究的主要背景。五十年代末到六十年代初期，生物控制论已发展成为控制论的一个分支，用控制论解决生理、病理机制等方面取得了较大进展，尤其对神经系统（包括感觉系统）信息处理的研究，成为当时仿生学研究的主流。到六十年代中期，生物控制论确立了作为控制论重要分支的地位。
生物控制论的研究方法 生物控制论与控制论的研究方法都是将其研究对象看作一个系统，即由相互联系的许多单元组成的能完成一定共同目标的整体。它不管其具体物质组成的差别，而着重从整体的观点，讨论其各部件的功能及其间的相互作用，以及各部件对整个系统的影响。控制论将系统中各个功能部件称为环节，如体温调节系统中的温度感受器，体温调节中枢，产热、散热的效应器等。在抽象的基础上，容易确定系统各环节中变量间的定量关系。系统中各环节间及系统与环境间的相互作用，必然造成系统的运动，表现为系统中各个变量随时间的变化，即运动过程，如人体血压的动态变化。从整体、定量和动态的角度研究是控制论的特点，这对于深入了解生命过程的本质，阐明生理、病理机制，探索新的诊断和治疗方法，有重要意义。
为从定量角度研究各种系统，控制论常常不去追究各环节的内部结构，而仅着力于探讨其受外部的影响（称为输入）与其对外部的作用（称为输出）的关系，并以输入与输出间的定量关系作为一个环节的特性，将输入量与输出量间关系相同的环节，认为是等价的。这样只考虑输出与输入，对研究环节间关系和环节对整个系统的影响是足够的。例如，可以不管体温感受器内部的结构和具体过程，而从环境温度（感受器的输入）与感受器的传入纤维的脉冲发放（感受器的输出）的定量关系，去确定温度感受器环节的特性，并进一步分析其对体温调节系统的影响。不考虑内部具体结构，而从外部表现去定量系统的一个环节（或事物）的研究方法，称为黑箱方法，其环节相当于没有打开的箱子。黑箱方法可用于定量研究内部结构还不清楚，但能从外部定量测定的环节和系统，对研究复杂的生物系统特别有意义。黑箱方法的局限性在于只能在某些情况下提供内部结构的线索，而难以推断环节的内部结构，这是因为不同的内部结构可以有相同的外部定量关系。例如，从对针刺产生的镇痛过程的测定中，可确定针刺能在一定范围内产生近于指数增长的镇痛作用，并提示体内某些体液因素可能参与针刺镇痛过程，但不能确定产生镇痛作用的具体机构。在控制论中，常用传递函数来表示环节的定量特性(参见“反馈系统分析”条)，进而由环节传递函数求得系统的传递函数，并计算出环节特性对整个系统动态过程的影响。环节或系统的定量关系可以用实验方法确定，其中的两种重要实验方法是频率特性测试法(参见“反馈系统分析”条)和系统辨识方法(参见“生物系统的辨识”条)，它们已用于解决基础医学与临床医学中的许多问题。
生物控制论的主要内容 有以下三个方面。
(1) 生物系统的模型与模拟： 为取得系统的定量和动态数据，控制论主要通过求得环节和系统的定量的数学表达式或传递函数，即数学模型来达到。反映生物系统的定量关系的数学模型，通常是高次非线性微分方程组。用电子计算机求解数学模型的过程称为系统的数学模拟（或仿真）。建立各种生物系统的数学模型是生物控制论的基础工作； 而数学模拟是生物控制论解决生物系统动态过程的最重要的方法。
(2) 生物系统内的信息处理： 生物系统为完成其控制任务，常常在各环节之间有通讯联系，即在生物系统内具有信息的传递、存贮及加工功能（统称为信息处理），如在体温调节系统中，温度感受器环节要通过神经纤维将温度信息传送到体温调节中枢。人体的神经系统是极为有效的信息处理机构。研究神经信息的传递与加工、感觉系统的信息处理和脑内的信息处理，是生物控制论的重要内容。
(3) 控制论方法与生物系统结合： 控制论的方法，主要是从工程控制系统的研究中抽象发展起来的。生物控制论是应用控制论的抽象方法研究生物系统，因此，要把抽象方法与具体生物系统相结合，例如，与药物及体内代谢过程结合的房室系统 (参见“房室系统的建模与辨识”条)，与运动过程结合的运动控制系统(参见“运动控制系统”条)等等。
生物控制论的应用 在医学领域中，生物控制论首先在基础医学方面得到应用，如应用数学模型与模拟方法研究各种生理系统，获得有关各生理过程的定量数据，阐明生理、病理机制等。近年来，已逐渐应用于解决临床医学的问题，如应用最优控制理论探讨药物的最优剂量和服药时间，以及确定癌症的化学治疗和放射治疗的最优方案； 应用自适应控制技术解决手术中病人的血压的精确控制； 解决假肢及人工器官的控制等等(参见“控制理论与技术在医学中应用”条)。此外，应用检测和显示人体的生理参数，通过生物反馈训练，达到自觉控制机体状态的生物反馈方法已在医疗中应用，对治疗高血压、神经痛等疾病取得了一定的疗效(参见“生物反馈”条)。
生物控制论的研究属于“软科学”，其发展尚处于初始阶段。各种测量人体参数的传感器、电子计算机、以及刺激电极和微型泵等技术的发展，将推动生物控制论应用的进展。生物体内从亚细胞、细胞、组织、器官到整体的各个结构层次中，都存在大量的控制与信息处理的问题，都有待于用生物控制论从整体、定量、动态的角度作深入的研究。这些问题的解决将促进基础和临床医学的进一步发展。

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生物控制论

控制论是本世纪四十年代发展起来的一门新兴的边缘学科，它是研究动物 （包括人类）和机器中控制和通讯的规律。生物控制论则是运用控制论的理论和方法来研究生物系统中的控制和信息过程。控制论的奠基人Wiener指出： “生物控制论的目的主要在于建立能反映人体和动物功能的模型与理论，而且这种模型和理论中的逻辑原理与有机体本身中起作用的逻辑原理是相同的。它也试图建立和生物系统有同样的物理与化学成分的模型。无论对生物学还是医学来说，生物控制论都给了它们以一种新的、普遍适用的、能充分发挥数学威力的语言。”
生物控制论的一个主要特点是从整体的、综合的角度出发去研究一定水平的生物系统中各个部分之间以及整个系统和环境之间的相互作用。它和分子生物学等学科中所用的分析方法相辅相成，为生物医学领域各分支提供了新的思路和方法，提出了许多新的课题。
研究内容 目前生物控制论的研究内容主要集中在脑理论和脑模型的研究(也有人称之为“神经控制论”)以及生物控制系统特别是生物反馈系统的研究上。
(1) 神经控制论是生物控制论的重要分支： 神经系统是包含有大量相互联系的“元件”的复杂系统，如人类大脑约有一百亿个神经元，每个神经元平均与一千个左右的其他神经元相联系，形成复杂的神经网络。神经元模型和神经网络信息处理功能是神经控制论研究的主要课题。目前已提出了一百多种不同类型的神经元模型。在神经网络的理论与实验研究方面，也开展了大量工作，如研究神经网络的回响，用于解释学习、记忆、联想和条件反射等现象。已用电子计算机模拟神经网络的动态过程，如对36×36个相同神经元的随机联接，进行计算机模拟计算，其平均兴奋的动态过程与人的脑电波很相似，可用以作为脑电波产生机理的一种解释。现在已有了能够模拟多达八万个神经元、八十万个突触的神经网络的专用计算机程序BOSS。
建立各种功能的脑模型是神经控制论研究的又一领域，如已有感知机、联想机等，可用以模拟人的学习、联想过程。而且有人已经提出了小脑皮层就是一个特殊的感知机的设想。脑模型的方法也有助于探讨病理机理，如已有人研究海马的神经网络模型，试图阐明癫痫的发生机理。
生物感觉系统，特别是视、听觉系统信息处理功能的研究，近年来也有较大的发展。目前，已找到了生物感觉信息处理的一些规律，如普遍存在侧抑制现象(见“仿生学”条)，存在特征抽取功能，如视系统中的一些视细胞对特定方向的运动敏感等，有多级多层结构，如在神经系统中存在着大脑皮层，脑干和脊髓等多级控制水平。在此基础上已建立了蛙眼、鸽眼、苍蝇眼等的数字模型和电子模型，这些模型有特殊的信息处理能力，如鸽眼对特定的方向运动对象敏感。对感觉信息的处理研究，也为感官代偿提供了理论依据。如已搞清触觉的时间反应与听觉相似，说明用触觉来弥补聋人的听觉是很有前途的。神经控制论研究也将为神经系统疾病的预防，诊断，治疗提供新的途径。
(2) 生物控制系统的分析和模拟研究是生物控制论的另一重要分支： 反馈是系统调节控制的基本形式，在生物体中存在正反馈和负反馈。生物体的内环境，如体温、血压、血中离子浓度、激素含量等是通过负反馈来保持相对稳定的。负反馈是提高生物系统控制精度（如在运动系统中）和保持稳定（如在内环境稳定）的重要手段，已经应用控制理论的方法，解决了某些生理病理机理问题。如用开环频率特性方法，用动物实验找出系统振荡的条件，它能有效地解释颅内压增高时引起血压波动的病态原因。应用数学模型研究了许多生物控制系统，如对眼球运动系统，建立了采样控制模型，模型模拟和动物试验结果很接近，提示模型方法的有效性。
由于生物系统广泛存在非线性，故很难用解析方法求解，目前已广泛应用电子计算机模拟方法，研究生物系统的模型。例如在呼吸系统的模拟研究中，阐明了产生一种周期性病态呼吸(陈-施呼吸)的原因。由于在模拟中改变模型的参数以及系统工作的条件比较方便，从而便于研究生物系统在各种条件下的状态变化。如可研究在宇航条件下，人的体温调节系统的工作。对血压调节系统也做了大规模的数学模拟。大规模的系统模拟是目前研究复杂系统唯一可行的方法。
生物控制系统是长期进化的结果，具有学习、适应和可靠等优点，揭示实现这些优点的原理，是生物控制论努力的方向。已证实许多生物控制系统是最优控制系统，如呼吸的通气量控制是能耗最少的自适应系统。对如何实现自适应，目前也提出了不少设想。这方面的研究，也为设计具有生物脏器功能的人工脏器的控制提供了依据。
生物控制论的应用 生物控制论还研究对生物系统如何进行控制的问题，对疾病的治疗实质上也是一种对生物系统的控制。已经用最优控制理论探讨了一些药物的治疗效果，在一定条件下，找到了最优的服药剂量及服药时间间隔。已有人用电子计算机估计血糖控制系统的参数，由此提出了糖尿病昏迷的最优治疗方案。在临床上，还用参数的实时辨识和最优控制，实现了对血糖水平的精确控制。
此外，医疗过程中有大量信息处理问题，已应用图象识别方法于疾病诊断。电子计算机可应用于疾病的自动诊断、自动监护系统、自动综合体检系统、临床实验室自动化、病历的管理等方面，这些都和控制论的应用有关。因此，生物控制论研究是实现医疗现代化的一个重要手段。生物控制论还研究了各种水平的生物系统，如在分子水平上，已研究了细胞内生化合成过程的反馈控制，在群体水平上，近年来对生态系统的分析和模拟也有很大的发展，也用到了人口预计上。此外，生物控制论还研究生物的遗传、生长、分化过程的调节控制，以及衰老、进化等的动态过程。
生物控制论在不断扩大其应用范围。近年来，已在利用电子仪器显示生理参数的基础上，开展了经过训练可使人学会自己控制这些参数的“生物反馈”的研究，这种方法已应用于治疗高血压及神经性疼痛等疾病。发展生物控制论，对医学基础研究和临床应用方面都有意义。