NONOIUNI DE IUNI DE BIOBIOCIBERNETICCIBERNETIC

CIBERNETICA = tiina comenzii i comunicriila fiine i maini (Norbert Wiener)

Sistemele ciberneticeSistemele cibernetice - ansamble finite de elemente materiale care interacioneaz unele

cu altele i cu mediul exterior prin interaciuni informaionale

De De cece studiulstudiul ciberneticiiciberneticii??

Sistemul nervos = sistem de transmitere i prelucrare a uneicantiti uriae de informaii

Abordarea ciberneticAbordarea cibernetic CiberneticaCibernetica studiaz probleme ale

diferitelor discipline tiintifice, bazndu-se pe: 1.1. AbstractizareAbstractizare

1.1.Schema structuralSchema structural: : uniti legate ntre eleblack box (coninut necunoscut)

2.2.Schema comportamentalSchema comportamental: : succesiunea strilorprin care trece sistemul la interaciunea cu mediulambiant

2.2. ModelareModelare: : trasarea schemei logice sau grafice a sistemului

Elemente de teoria informaElemente de teoria informaieiiei

Experiment Experiment evoluia unui sistem ctre o stare final numit evenimenteveniment

Un experiment se poate solda cu un numr oarecare, n, de evenimente diferite, fiecare dintre aceast avnd o anumit frecvenfrecven de aparide apariieie, ni.

FrecvenFrecvena relativa relativ de aparide apariieie, fi, a unui eveniment

Nnf ii =

=

=n

iinN

1

numrul total de repetri ale experimentului

Dac numrul de repetri ale experimentului va fi foarte mare ( ), se definete probabilitatea de probabilitatea de

realizare a evenimentuluirealizare a evenimentului i, ppii

posibilecazurinrfavorabilecazurinrp

..=

Nnp i

Ni = lim

0 p 1 pi =1

p=0 eveniment imposibilp=0 eveniment imposibil

p=1 eveniment certp=1 eveniment certp=p1+p2 pentru evenimente de tip sau

p=p1*p2 pentru evenimente de tip i

Pentru evenimente egal probabileevenimente egal probabile i diferite ntre ele, probabilitatea de apariie

Aruncarea zarului

nppp n

1...21 ====

61=p

InformaInformaia ia Rezultatul unui experiment

Nu este de natura materiala, nu se identifica nici cu masa, nici cu energia

Cu ct gradul de surpriz la obinerea unei informaii este mai mare, cu att cantitatea de informaie obinut este mai mare

Nu produce nici o surprizNu produce nici o surpriz evenimentul cert, avnd evenimentul cert, avnd p = p = 1. 1.

Pentru a putea fi transmis, ea are nevoie de un suport material i de o cantitate de energie.

Spre deosebire de energie, prin transmitere cantitatea de informaie nu va fi diminuat.

Informaia capt semnificasemnificaieie atunci cnd exist un receptor care s o neleag.

Cantitatea de informaCantitatea de informaie I ie I (Shannon)(Shannon)

pp

I 22 log1log ==

Se msoar n bii (1bit este cantitatea de informaie obinut n urma unui experiment cu dou rezultate egal probabile)

01log1log 22 ===i

i pIpentru evenimentul cert

Multiplii Multiplii bitbit--ului (b)ului (b)

1B (byte)=23b

1kB=210B=1024 B

1MB=210kB=220 B

1GB=210MB=230 B

1TB=210GB=240 B

InformaInformaia medie ia medie IImm

Media aritmetic a cantitilor de informaie obinute n urma repetrii de N ori a unui experiment

Pentru N foarte mare lim(ni/N)=pi

ii

ii

ii

m INn

N

InI ==

== iii

im ppppI 22 log

1log

Entropia informaEntropia informaionalional HH

Shannon a numit informainformaia medie (Iia medie (Im m ) ) entropie informaentropie informaionalional (H)(H)

H este maxim pentru evenimente egal probabile

nnn

nH im 22max loglog1 =

=

Pe baza formulei cantitii de informaie, It, se poate calcula coninutul informaional al

unei macromolecule, format din N uniti:

unde pi este probabilitatea cu care poate fi

ntlnit specia i.

iit p

pNI 1log2=

Cazul ICazul IMacromolecula este o protein format din N = 500 aminoacizi.

Fiecare dintre cei n = 20 aminoacizi diferii cunoscui poate s apar cu aceeai probabilitate:

Informaia total coninut n lanul de aminoacizi este:

It = N log2 n = 500 log220 2200 bit

201=ip

Cazul IICazul II Macromolecula este un lan de ADN, cu N = 106 baze

azotate.

Cele 4 baze azotate distincte apar cu aceeai probabilitate

It = N log2 n = 106 log2 4 = 2 106 bit

41=ip

Entropia informaEntropia informaionalional

Paradoxul lui Maxwell

Cu cat gradul de dezordine este mai mare, deci entropietermodinamica mare, entropia informationala este mica

Informaia nseamn puterea de a asigura ordinea proprie

=

=n

iii ppkS

1log NkS ln=

i entropia termodinamici entropia termodinamic

Transmiterea informaTransmiterea informaieiiei

Informaiile sunt transmise sub form de mesaje

Mesajul este constituit din semnale (valoriparticulare ale unor mrimi fizice, chimice, numerice)

Semnelelor li se atribuie simboluri

Ansamblul simbolurilor formeaz alfabetul

AlfabetAlfabet

Transmiterea informaTransmiterea informaieiiei

Totalitatea semnelor (valorilor unei mrimi) folosite pentru scrierea unei informaii.

Poate fi

analogicanalogic (valorile variaz continuu)

digitaldigital (valorile variaz discret i pot fi reprezentate prin cifre); mai puin afectat de perturbaii

Schema generalSchema general a unui sistem a unui sistem simplu de transmitere a informasimplu de transmitere a informaieiiei

SemnaleSemnale redundanteredundante1. surplus de semnale care mresc ansa ca semnalul s fie neles de

destinatar2. introduse datorit pierderilor aprute din cauza perturbaiilor

Prelucrarea semnalelorPrelucrarea semnalelor --etapeetape

1.1. codificareacodificarea = stabilirea unor corespondene ntre diferite alfabete aparinnd unor etape diferite n transmiterea informaiei

2.2. traducereatraducerea= transformarea dintr-un alfabet n altul(ex.: (ex.: semnalulsemnalul luminosluminos care care cadecade pepe retina retina esteestetransfomrattransfomrat prinprin intermediulintermediul celulelorcelulelor fotoreceptoarefotoreceptoare in in semnalsemnal electric) electric)

3.3. modulareamodularea= modificarea unuia dintre parametrii suportului fizic utilizat pentru transmiterea informaiei n concordan cu caracteristicile acesteia

4.4. cconversiaonversia analoganalog--digitadigitall

5.5. amplificareaamplificarea

/ / 66. . decodificareadecodificarea

Sisteme cu reglare automatSisteme cu reglare automat

Sistem de comand = sistem care modific mrimea de intrare n funcie de mrimea de ieire

LegLegtura inverstura invers (feed(feed--back)back)

NegativNegativse opune variaiei mrimii de ieire asigurasigur stabilitatea sistemuluistabilitatea sistemului prin

pastrarea constantei in timp a marimii de iesire sauprin mentinerea unei proportionalitati intre aceastasi marimea de intrare

PozitivPozitivamplific variaia mrimii de intrare i,

implicit, a celei de ieire destabilizeazdestabilizeaz sistemul psistemul pnn la la

distrugere sau blocaredistrugere sau blocare autodistrugereautodistrugere

Sisteme cu reglare Sisteme cu reglare automatautomat

==sisteme de comandsisteme de comand cu cu

feedfeed--back negativback negativ

Feed back Feed back pozitivpozitiv n numeroase cazuri, strile extreme la care

ar ajunge sistemul cu feed-back pozitiv suntevitate ca urmare a:

1. Apariiei unui feed-back negativ care stabilizeaz sistemul ntr-o nou stare de echilibru

2. Transformarea sistemului viu ntr-un alt sistem, calitativ diferit

MUTAMUTAIEIE

Feed back Feed back negativnegativ pstrarea caracterelor dobndite de ctre sistemele vii

Elemente de biociberneticElemente de biocibernetic

Orice sistem biologic dispune de informaii proprii care i asigur funcionarea

n orice sistem biologic are loc schimb de informaii ntre prile sale componente

Orice sistem biologic schimb informaii cu mediul extern

Canalul Canalul neuronalneuronal

Sursa este mediatorul chimic ce ajunge la membrana postsinaptic

Membrana postsinaptic este traductorul canalului transformnd semnalul chimic (AM) n secvene de poteniale de aciune (FM)

Canalul este membrana corpului neuronal Traductorul destinatarului este membrana presinaptic unde

semnalul electric elibereaz mediatorul chimic (FMAM) Destinatarul poate fi o celul muscular, glandular sau alt

celul neuronal

ReReele neuronaleele neuronale

ExempleExemple de rede reeleeleneuronaleneuronale simplesimple

ReReeaua de sumareeaua de sumare Neuronul 3 rspunde doar dac primete simultansimultan semnale

de la neuronii 1 i 2 (funcia logic i)

ReReeaua de eaua de ntrzierentrziere

Rspunsul neuronului 3 este ntrziat prin intercalarea neuronului 2

ReReeaua de multiplicareeaua de multiplicare

La un singur semnal primit de la neuronul 1 neuronul 4 rspunde de 3 ori

ReReeaua de eaua de reverberareverberaieie La primirea unui singur semnal de la neuronul 1

neuronul 2 rspunde de un numr nedefinit de ori.

JoacJoac un rol important un rol important n memoria de n memoria de scurtscurt duratdurat

Circulaia permanent ntre neuronii unei reelereverberante duce la permeabilitarea cilorrespective cale preferenial de circulaie a impulsurilor

ReReeaua de eaua de reverberareverberaieie

1. Se constat o mrire a volumului neuronului i axonului

2. Suprafaa de contact dintre doi neuroni estesporit

3. Posibile modificari biochimice la nivelulnucleoproteinelor

nvnvare are i i memoriememorie

nvnvareare procesul de dobndire a unor informaii (noi) despre lume.

MemorareMemorare procesul de reinere pentru o anumit perioad de timp a acestor informaii.

MemorieMemorie totalitatea aspectelor funcionale i structurale legate de nvarea i de memorarea informaiilor, de regsirea la nevoie a informaiilor memorate i de uitarea parial sau total a informaiilor memorate.

ClasificClasificri ale memorieiri ale memoriei senzorialsenzorial ce reine datele primite prin organele de

sim motoriemotorie ce se refer la un anumit comportament

sau la un grad sporit de ndemnare memoria imediatmemoria imediat de ordinul secundelor.

la baza sa st apariia unor reele reverberante st la baza memoriei de scurt durat MSD i memoriei de

lung durat MLD.

memorie de scurtmemorie de scurt duratdurat (MSD)(MSD) minute, ore opereaz fr a avea nevoie de sinteza unor proteine,

limitndu-se la modificarea celor deja existente sau la etalarea lor funcional n cazul n care ar fi mascate de alte molecule.

memorie de lungmemorie de lung duratdurat (MLD)(MLD) zile, sptmni, luni, ani presupune sinteza proteinelor

MemoriaMemoria de lungde lung duratdurat (MLD)(MLD) Presupune sinteza unor proteine

Se administreaz n n timpultimpul procesuluiprocesului de de nvnvare are sausau imediatimediat dupdup acestaacesta un inhibitor al sintezei proteice (antibioticulpuromicin)

nereinerea informaiilor respective

La administrarea inhibitorilor la maimai multmult de de o oro or de la ncercarea de nvare, nu maiapare deficitul de memorie

Fluxurile informaFluxurile informaionale prin ionale prin fibrele nervoasefibrele nervoase

Un canal neuronal poate fi caracterizat prin dou mrimi:

1.1. informainformaia medieia medie care se transmite prin canal sau fluxul de transinformaie, avnd ca unitate bit/s;

2.2. capacitatea canaluluicapacitatea canalului, repezentnd valoarea maxim a fluxului de transinformaie.

Omul primete din mediul exterior 10101010--10101111 bitbit//ss contientizai 100 bit/s memoria de scurt durat 10 bit/s memoria de lung durat 1 bit/s

Schema ciberneticSchema cibernetic a a analizanalizatatorilororilor

Analizatorii (vizuali auditivi tactili etc.) asigur

preluarea informaiilor din mediul extern

Au un receptor specific ce transform semnalul n

poteniale de aciune

Semnalele electrice sunt transmise prin intermediul

neuronilor spre scoara cerebral

Pe scoar informaiile sunt stocate i analizate prin

intermediul reelelor neuronale

Semnalele luminoase, acustice, termice, chimice, mecanice, din exterior sunt traduse la nivelul

receptorilorreceptorilor n semnale electrice Receptorii

fotoreceptori

mecanoreceptori

termoreceptori

chemoreceptori (gust, miros)

nociceptori (durere) etc.

n funcie de proveniena informaiilor: exteroceptori (informaiile provin din mediul exterior),

interoceptori (informaiile provin din mediul intern de exemplu cele privind presiunea sngelui, concentraia glucozei i nu sunt contientizate)

proprioceptori (informaiile provin de la esuturi i organe)

Din punctul de vedere al rspunsului, dac notm cu on nceputul stimulului i cu off sfritul lui, receptorii pot fi on

off

on off

continui

Sisteme biologice de comandSisteme biologice de comand cu reglare automatcu reglare automat

1. Homeostazia

2. Reflexul pupilar

3. Arcul reflex neuromuscular

4. Potenialul tot-sau-nimic

Reflexul pupilarReflexul pupilarmmrimea de intrarerimea de intrare diametrul pupilei

elementul de execuelementul de execuieie irisul

mmrimea de ierimea de ieireire fluxul luminos pe retin

elementul de melementul de msuraresurare retina

comparatorulcomparatorul centrul pupilo-motor din mezencefal

Arcul reflex neuromuscularArcul reflex neuromuscular

mmrimea de intrarerimea de intrare impulsul nervos

elementul de execuelementul de execuieie muchiul

mmrimea de ierimea de ieireire contracia

elementul de melementul de msuraresurare corpusculii Golgi din tendon i fusurile neuromusculare

comparatorulcomparatorul centrii nervoi

PotenPotenialul de tip totialul de tip tot--sausau--nimicnimic leglegturtur inversinvers pozitivpozitiv

mmrimea de intrarerimea de intrare Deschiderea porilor canalelor de Na

elementul de execuelementul de execuieie Influxul ionilor de Na

mmrimea de ierimea de ieireire Depolarizarea membranei axonale

Deschiderea porilor

canalelor de Na

Influxul ionilor de Na

Depolarizarea membranei axonale

NOIUNI DE BIOCIBERNETICDe ce studiul ciberneticii?Abordarea ciberneticElemente de teoria informaieiDac numrul de repetri ale experimentului va fi foarte mare (), se definete probabilitatea de realizare a evenimentuluiInformaiaCantitatea de informaie IMultiplii bit-ului (b)Informaia medie ImEntropia informaional HEntropia informaionalAlfabetSchema general a unui sistem simplu de transmitere a informaieiPrelucrarea semnalelor - etapeSisteme cu reglare automatLegtura invers (feed-back)Sisteme cu reglare automat =sisteme de comand cu feed-back negativFeed back pozitivElemente de biociberneticCanalul neuronalReele neuronaleExemple de reele neuronale simpleReeaua de sumareReeaua de ntrziereReeaua de multiplicareReeaua de reverberaieReeaua de reverberaienvare i memorieClasificri ale memorieiMemoria de lung durat (MLD)Fluxurile informaionale prin fibrele nervoaseSchema cibernetic a analizatorilorSemnalele luminoase, acustice, termice, chimice, mecanice, din exterior sunt traduse la nivelul receptorilor n semnale electrSisteme biologice de comand cu reglare automatReflexul pupilarArcul reflex neuromuscularPotenialul de tip tot-sau-nimic legtur invers pozitiv